近岸海水中悬浮颗粒物对声纳探测性能的影响

论文摘要

声纳是利用水下声波对目标进行探测和定位的设备,在军事应用和海洋探测工程方面有重要的作用,其检测阈和探测距离被认为是最重要的性能指标。对于大陆边缘及近岸水域来说,由于海底和海面的反射、潮汐、湍流、环境噪声、气泡、悬浮小颗粒的影响,浅海声传播变得非常复杂的,进而影响声纳的探测性能。所以研究悬浮体小颗粒对浅海声纳探测性能的作用是非常必要的。海洋中声传播损失包括由于几何扩展损失、介质声吸收,海底海面反射衰减,非均匀体散射。我国地势西高东低,东部近岸水域有大量泥沙流入,沉积物含量较高。除此之外风浪、潮汐等动力因素的作用也是该区域悬浮颗粒物浓度增大的主要原因。当主动声纳系统在高浓度混浊海水中对目标进行探测、定位、识别时,大量颗粒物的粘滞吸收作用和体积散射改变了海水中的声衰减,引起声纳检测阈和探测距离的相应变化。本文以Urick的粘滞吸收理论为基础,应用Pekris浅海波导模型,通过与无悬浮颗粒物海水中的声传播进行比较分析,得到近岸混浊海水中声纳检测阈和探测距离的变化关系;通过对中国近岸混浊海水数据搜集分析,整理出黄河口和东海杭州湾附近海域与声传播相关的悬浮颗粒物信息,包括悬浮颗粒物的浓度、密度、粒径和颗粒物组份信息;最后,论文了研究悬浮颗粒物引起的体积混响增量,为确定混浊海水中主动声纳工作背景干扰提供依据。论文对悬浮体小颗粒影响的声纳探测性能变化进行了数值计算,具有一定的应用价值。在对中国近岸混浊海水数据整理分析的基础上进行了数值计算,得到结论如下:(1)声纳的检测阈和探测距离都随着频率的增大而增大,且检测阈的变化ΔDT与颗粒物的粘滞吸收系数αs成正比。(2)对于某一特定频率,当悬浮颗粒物的半径和浓度不变时,粘滞吸收系数和检测阈、探测距离的变化随着密度的增大而增大。当半径和密度不变时,粘滞吸收系数、声纳检测阈和探测距离的变化与浓度成正比。相同条件下,浓度对检测阈和探测距离的影响比密度大。(3)当声纳频率在10 3Hz量级时,半径为10?5 m量级的颗粒物对粘滞吸收系数和声纳探测性能影响最大,半径为10?6 m量级的颗粒物对其影响次之;当声纳频率在10 4Hz量级时,半径为10?6 m量级的颗粒物对其影响最大,半径为10?5 m量级的颗粒物对其影响次之。(4)在上述频率范围内,对数坐标系下的体积散射强度是频率的线性增函数,斜率为40dB/十倍频程,与小颗粒物的瑞利散射规律一致。体积散射强度随着浓度、密度、粒径的增大而增大。在本文的研究范围内,体积散射强度从? 20dB变化到? 250dB。本文从理论上分析了悬浮颗粒物对声纳探测性能的作用,更进一步的工作还需要实验数据的有力支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 研究目的及意义
• 1.1.1 研究目的
• 1.1.2 中国近岸海水悬浮颗粒物数据特征
• 1.1.3 研究意义
• 1.2 国内外对于混浊海水中的声传播理论研究现状与发展
• 1.2.1 粘滞吸收理论的研究现状和发展
• 1.2.2 颗粒物体积散射理论的研究现状和发展
• 2 理论推导
• 2.1 混浊海水的声吸收理论
• 2.1.1 Urick 粘滞吸收理论
• 2.1.2 海水的声吸收经验公式
• 2.1.3 混浊海水中的传播损失
• 2.2 近岸混浊海水中声纳检测阈和探测距离
• 2.2.1 主动声纳方程
• 2.2.2 Pekris 波导中的平均场强结构
• 2.2.3 近岸混浊海水中声纳检测阈的改变量
• 2.2.4 近岸混浊海水中声纳探测距离的改变量
• 2.3 体积散射强度和混响理论
• 2.3.1 Urick 体积混响理论
• 2.3.2 颗粒物反向体积散射强度
• 2.3.3 体积混响级
• 3 数值计算
• 3.1 粘滞吸收系数
• 3.2 声纳检测阈和探测距离
• 3.3 中国近岸的数值计算
• 3.3.1 南黄海海域
• 3.3.2 东海海域
• 3.4 混浊海水中的体积混响
• 3.4.1 体积散射强度方向性
• 3.4.2 反向体积散射强度
• 3.5 本章小结
• 4 结论与展望
• 4.1 结论
• 4.2 工作中存在的不足及对今后工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文