小掠射角下海底界面附近目标散射特性研究

论文摘要

对于海军提出的大范围高效率探测浅海水雷的要求,传统水雷探测技术受到极大的挑战。根据这一要求水雷探测方式要向小角度入射时提高界面附近水雷的识别率的方向发展。基于模型的声纳系统需要把海洋环境融入声纳的整体设计中,以便使声纳系统的性能对模型失配更宽容一些。对于分层介质这种复杂的海洋环境,尤其是当目标在海底界面附近,声纳设计中更需要考虑环境对其性能的影响。所以,研究小掠射角下界面附近目标的声散射特性具有非常重要的意义。本文首先通过实验室实验测量了小角度入射不同形态砂底下沉底和掩埋目标的前向散射场空间分布,实验中我们发现在砂底界面反射波的分布区间内掩埋深度较浅的目标散射信号受砂底界面反射信号影响很严重。经过与数值模拟结果的对比,使用将接收到的信号进行匹配滤波后以伪彩图的形式来描述目标散射场的空间分布。实验结果表明,目标散射场中除了与海底界面反射波束方向一致的散射波束外,在其他方向上也存在多条散射波束。在掩埋雷探测实验中,采用收发合置方式以不同入射角度对不同形态界面砂底下掩埋目标进行探测。实验中结果中可以看到平整底掠射角在90-50度范围内都可以探测到目标,其中以70度掠射角探测时目标信号最明显,当掠射角减小到40度就分辨不出目标信号。正弦起伏底掠射角40度可以探测到掩埋目标,随机起伏底掠射角30度和70度可以探测到目标。文中引入了基于微扰理论和虚拟声源方法的OASES模型和SCATT模型对不平整界面的声透射和界面附近目标散射场进行了数值计算,解释了实验中的现象。除了实验中的现象外我们还发现,声波入射到不平整海底界面,在海底界面下存在一个临界深度。在临界深度以上,以渐消波为主,在临界深度以下声场以散射场为主。不平整界面带来的散射场在海底界面附近的强度与界面平均起伏高度有关,散射场随深度的衰减与界面的相关长度有关。不同状态下目标散射场中后向散射强度最弱。在沉底和半掩埋状态下目标的散射场中的前向主散射波束与海底界面的夹角与入射波束一致。在掩埋状态下,入射波束以小于临界角入射,散射场中前向主波束与海底界面之间的夹角要大于入射波束与海底界面之间的夹角,两者满足snell定律。散射场中的散射波束几乎都集中在目标上方与入射波束角度相对应的前向和后向散射波束夹角范围内。目标与海底界面之间的多次散射增加了散射场中的散射波束,增加海底的层数可以增强多次散射强度。横向掩埋的椭圆目标,入射波束照射在其头部时后向散射场非常弱。最后我们得出结论,以小掠射角探测海底界面附近的目标,尤其是掩埋目标要采用收发分置的方式,接收目标散射信号的水听器要安放在可移动平台上在多个位置上采集目标散射信号。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状及发展趋势
• 1.2.2 国内研究发展情况
• 1.2.3 国内外比对分析
• 1.3 论文的主要内容
• 2 分层介质中声散射理论
• 2.1 不平整界面散射的微扰方法
• 2.2 分层弹性介质不平整界面散射
• 2.3 分层介质中目标散射
• 2.4 虚拟声源法
• 3 掩埋及沉底目标散射场测量实验和掩埋目标探测实验
• 3.1 试验参数
• 3.2 掩埋及沉底目标散射场测量实验
• 3.2.1 目标散射信号识别
• 3.2.2 平整砂底界面反射和目标散射的空间分布
• 3.2.3 正弦起伏界面的影响
• 3.2.4 不平整界面砂底目标散射场的空间分布
• 3.3 掩埋雷探测试验
• 3.3.1 平整界面砂底下掩埋雷的探测
• 3.3.2 正弦起伏界面砂底下掩埋雷的探测
• 3.3.3 随机起伏界面砂底下掩埋雷的探测
• 4 声能透射数值计算
• 4.1 平整界面下声透射
• 4.2 不平整界面对声透射影响
• 4.3 不平整界面参数对散射场的影响
• 4.4 小结
• 5 分层介质中的目标散射场数值计算
• 5.1 点声源入射球壳目标散射场数值计算
• 5.1.1 沉底球壳声散射
• 5.1.2 掩埋和半掩埋球壳声散射
• 5.2 有限波束入射目标散射场数值计算
• 5.2.1 不同状态下球壳的散射场
• 5.2.2 目标与界面之间多次散射对散射场的影响
• 5.2.3 椭圆目标散射场
• 5.3 小结
• 6 研究结果及展望
• 参考文献
• 致谢
• 发表的学术论文