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海底散射模型与多波束混响信号统计特性研究

徐超  
【摘要】: 海底矿产资源、海洋地质、水下工程地质、海洋渔业、水下通信等领域的研究都需要采用有效的工具和方法对海底特征信息进行全面了解。多波束测深系统作为一种海底宽覆盖高精度水深测量设备,除水深测量之外,在海底地貌测量、底质分类等领域也被广泛应用。反向散射强度和信号包络概率分布这两个特征量在利用多波束测深系统探测海底声学特性中发挥重要作用,因此,本文对这两特征参量进行理论与试验研究,主要完成如下内容: (1)引入Jackson散射模型研究高频海底声散射问题,通过数值仿真分析掠射角、沉积物类型、频率、声速、海底环境声学参数等因素变化对海底反向散射强度的影响。 (2)对两种混响包络概率分布模型(瑞利分布模型和K分布模型)进行理论分析,并对文中所采用的K分布参数估计方法及其估计性能进行分析。重点完成多波束海底混响的仿真,使各基元接收的仿真信号包络服从K分布,并采用物理意义明确的Jackson散射模型计算反向散射强度的贡献。最后,从波形、包络概率密度分布、时间相关性及频谱特性四个方面对仿真信号进行检验。 (3)对仿真的多波束混响信号进行多波束形成处理,估计各波束方向信号包络的概率分布,并分析入射角、散射元个数对其分布参数的影响。从处理结果看出,信号包络分布特性近似于K分布,且分布参数随入射角、散射元个数的改变而变化。 (4)介绍了由多波束测深系统数据提取反向散射强度的方法,并由湖试数据得到随角度变化的反向散射强度值,且将其与理论模型进行比较分析;对湖试数据进行多波束形成处理,估计各波束方向数据的概率分布情况,并分析入射角对其分布参数的影响。从处理结果看出,试验数据近似于K分布,且分布参数随入射角度的不同而发生变化。


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