水中目标声散射特性研究 ——FDTD及Fourier衍射定理的应用

论文摘要

水中目标声散射特性研究是水声工程中的重要课题，它对于水中目标识别、精确声制导、反隐身及海洋开发等领域具有重要意义。对复杂目标的散射特性进行精确而快速的预报一直是声学研究热点之一，也是目标回声特性研究的关键和难点。本论文以提高数值方法的计算效率为主要目标，着重研究了时域有限差分方法(FDTD)的改进，提出了应用Fourier衍射定理计算水中目标散射特性的新方法。在FDTD算法研究中，针对矩形网格对弯曲边界的阶梯近似引起误差的问题，提出了具有重叠网格的局部共形FDTD，导出了极坐标中的声学FDTD表达式，建立了求解具有圆形表面的目标散射场的局部共形FDTD算法，并计算了具有圆形表面的柱体目标的散射场。实验证明了算法的有效性。为了适应工程应用的需要，对FDTD算法进行并行化处理。首先在同步FDTD算法的基础上，将散射目标、海面、海底纳入FDTD统一框架，建立适用于并行计算的FDTD表达式。为了使数值模拟更加符合实际情况，考虑柱面波入射，并将入射波进行加权处理，使迭代计算更加稳定。在并行算法的实现过程中，根据FDTD算法的特点，分析了任务分割与数据通信量的关系，通过MPI编程，在高性能计算机上实现了FDTD的并行计算。实验验证了并行算法的有效性，测试了并行加速比和并行效率与节点数和计算域尺寸的关系，并与理论分析进行比较。在应用Fourier衍射定理计算目标散射强度的研究中，提出了逆向应用衍射CT原理求解声场正问题的新方法。在该方法中，根据目标的几何形状和声学参数分布作二维Fourier变换，得到声场波数域表示，再取出与所求声学量有关的波数域样本作一维Fourier反变换，得到所需的空域结果。该方法避免了空间的大规模迭代，使计算量大幅度降低。实验对该方法进行了验证，计算结果与FDTD比较，二者十分接近，而算法所需的计算存储量大大降低。在目标回声特性水池实验中，对多种目标的反向散射进行了测量，获得了与散射方向特性有关的实测结果。应用一致性时域有限差分法(FDTD)和近场—远场变换计算散射声目标的回波强度，找出回波强度与目标中心到换能器间距离的关系。数值计算中考虑了自由场和有海面及海面波浪影响时的不同情况。根据声源和目标的几何特征对入射波和散射波分别作了球面和柱面扩散修正，并将计算结果与水池实验结果进行了比较。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 序言
• 1.1 水中目标回声特性研究的意义
• 1.2 时域有限差分法
• 1.2.1 时域有限差分法简介
• 1.2.2 FDTD的特点
• 1.2.3 FDTD的应用
• 1.3 国内外的研究现状
• 1.4 本论文的研究内容及主要创新点
• 第二章 FDTD算法原理
• 2.1 直角坐标中的FDTD表达式
• 2.2 数值稳定性
• 2.3 吸收边界条件
• 2.4 近场到远场变换
• 2.5 本章小结
• 第三章 共形FDTD算法
• 3.1 引言
• 3.2 局部共形FDTD算法
• 3.2.1 局部共形FDTD
• 3.2.2 共形FDTD算法在声学中的实现
• 3.3 计算实例
• 3.4 本章小结
• 第四章 并行FDTD算法
• 4.1 引言
• 4.2 并行FDTD算法及其实现
• 4.2.1 FDTD算法并行化
• 4.2.2 并行FDTD算法的实现
• 4.3 数值计算和实验结果
• 4.3.1 二维水下目标的散射声场计算
• 4.3.2 三维水下目标的散射声场计算
• 4.4 本章小结和讨论
• 第五章 应用FOURIER衍射定理预报回波强度
• 5.1 引言
• 5.2 FOURIER衍射投影定理
• 5.3 反射型衍射CT迭代重建算法及实验仿真
• 5.3.1 重建算法
• 5.3.2 FDTD用于实验仿真
• 5.4 基于FOURIER衍射投影定理的回波强度计算
• 5.5 本章小结和讨论
• 第六章 目标回声特性水池实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 水池实验
• 6.3 散射声目标的回波强度计算及其修正
• 6.4 海面散射对散射声压的影响分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读博士学位期间发表的论文