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水下角反射体声学标记物反向声散射特性研究

陈文剑  
【摘要】:水下角反射体是一种散射波中存在多次散射波的水下凹面目标,其散射声场的计算方法和散射声场特性是水下目标声散射领域的重要研究内容之一。本文主要对组成角反射体的水负载弹性板的弹性散射波、水下凹面目标散射声场计算方法、水下角反射体反向声散射特性、以及利用角反射体作为海底声学标记物时遇到的相继脉冲海底混响抑制方法等方面进行了研究。 推导了水负载弹性板中Lamb波频散方程,通过数值求解得到了Lamb波相速度和群速度的频散曲线。在计算得到的频散曲线中发现存在相速度大于或小于群速度的现象,由于群速度是波能量传播的速度,由此分析得到水中弹性板的弹性散射波到达接收点的时间由板中Lamb波群速度和水中声速决定的结论。通过对水中弹性钢板的回波测量实验,发现回波中存在超前或落后于钢板棱角波的弹性散射波,证明了理论分析结果的正确性。 为了解决含有多次散射时水下目标散射声场的计算问题,提出了一种声束弹跳方法。把入射声波划分为若干声束,根据几何声学方法计算每条声束在目标表面的反射方向和能量损失,利用物理声学方法计算最后一次反射的声束所对应的面元的散射场,通过计算所有声束产生的散射场的叠加得到整个目标的散射场。计算了直角凹面圆锥体的散射声场,并对具体模型进行了水池测量实验,理论计算和实验测量结果一致。表明该方法作为一种高频近似的数值计算方法,可以计算存在多次散射时水下目标的散射声场。 研究了水下角反射体的反向声散射特性。利用声束弹跳法计算了角反射体的目标强度,发现角反射体在较大目标方位角范围内都具有较大的目标强度;通过对含有角度误差的角反射体目标强度的计算,发现角反射体目标强度随方位角的变化对角度加工误差要求较高,随着角度加工误差的增大目标强度随方位角的变化会随之迅速发生改变;通过分析入射到角反射体上声束的声程,发现角反射体的多次散射回波也可用亮点模型进行描述,二面角反射体的亮点位置为二面角的顶点位置,三面角反射体的亮点位置为三平面相交的顶点位置;通过对三种不同形状三面角反射体目标强度的计算,圆形三面角反射体强回波占据空间一个卦限的角度范围最大;通过对不同频率入射声波的计算结果比较,发现当ka60时,即当角反射体的边长比声波波长大大约10倍以上时,强回波随方位角变化占据的角度范围随ka的变化基本保持不变。 以海底混响为研究对象,提出了一种降低混响仿真计算量的时-空离散化模型。以混响的点散射模型为基础,海底混响被认为是海底散射体对发射信号的响应,用线性网络对其进行描述,得到冲击响应函数。通过对冲击响应函数时间域离散射化处理,相应的对海底进行空间区域划分,进而把散射体散射信号叠加时的叠加总数转化为时间域离散化之后的时间段总数,降低了混响仿真时的计算量。通过计算机仿真结果,表明所提方法可以有效降低计算量,并且仿真混响的相关特性与文献研究结果相符。 进行沉底目标探测实验时,相继脉冲混响之间存在非相关成分。结合混响时-频谱图分析,给出了引起相继脉冲混响之间非相关成分的影响因素。根据概率论中的大数定律,采用了一种相继脉冲混响积累抵消的方法对非相关成分进行抑制。通过对实验数据的分析结果表明,所用方法可以抑制混响之间的非相关成分,使时-频谱图中混响背景变的更加均匀,有利于目标信号的检测。


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