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浅海远程海底混响的建模与特性研究

作　者: 高博
导　师: 杨士莪
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 水声工程
关键词: 海底混响浅海低频多基地远距离耦合简正波
分类号: TB561
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

浅海低频远程海底混响的研究由来已久，然而随着水声技术的不断拓展，尤其是未来的低频强声主动拖曳探测系统，或者近岸多基地主动探测系统欲实现对目标的远程探测，就迫切需要对浅海域中的低频混响特性以及复杂波导界面的小掠射角散射过程有更加清晰、深入的机理性认识和分析。鉴于此，本文以浅海低频远程海底混响的理论建模与特性研究为核心，建立了一套完整的以物理散射机制为基础的耦合简正波混响模型，并将其扩展到与水平距离有关的倾斜波导环境中。探讨了浅海低频远程海底混响的强度衰减规律、空间分布特性及其相应的物理机理。与此同时，本文还开展了大量的浅海海底混响的测量工作，对理论建模和特性分析给予了有力支撑。在理论建模方面：1、根据耦合简正波算法的物理意义，将接收点处的混响场视为海底粗糙界面或者不均匀底质对声场各模态信号的耦合作用所致。利用耦合简正波的观点解释了复杂的海底界面与海底不均匀介质的散射过程。2、根据海底界面起伏规律或者不均匀底质的分布情况，直接求得海底混响场的表达式，借助傅里叶积分可以对任意信号形式的海底混响场进行求解。给出了随距离变化的水平波导中本地混响、异地混响强度的解析表达式。3、对于缓坡倾斜海底的过渡海区，利用绝热近似，通过水平射线-垂向简正波理论求解了过渡海区海底混响的水平因子，进而建立了与水平距离有关的波导环境中的混响理论。该模型理论严谨，适用性广，并可扩展至三维问题。在针对工程应用的混响特性研究方面：1、从最基础的混响强度特性入手，尤其针对过去研究较少的多基地混响进行了系统深入的机理性探究，对比了本地混响和异地混响的强度及其衰减规律的异同，并首次探讨了过渡海域中多基地海底混响的强度衰减规律，结果表明斜坡环境中的传播效应对远程混响衰减影响显著。2、文中将混响过程视作一种无源网络，从声传播的视角，充分考虑浅海信道的环境效应和传播特点，细致讨论了海底界面起伏以及海底底质参数对异地远程海底混响强度衰减规律的影响机制。3、应用耦合简正波混响模型，探讨了浅海远程海底混响的空间分布规律，分析了垂向、水平纵向、水平横向相关的时/空/频特性，并在合理近似的基础上，定量描述了其变化规律。研究结果表明，浅海远程海底混响水平横向相关要优于水平纵向相关，而垂向相关最差。4、细致揭示了浅海波导边界对远程混响空间分布特性的影响。在不同海况条件下，从粗糙海面散射引起的模态耦合角度，探讨了起伏海面对浅海远距离混响的影响机制。结果表明，浅海中虽然海底混响占据支配性影响，但是，起伏海面增强了浅海波导远程传播过程中的“滤模性能”，使得高阶模态更快的消逝掉，从而增强了远程海底混响的空间相关。在外场试验测量方面：选取我国黄海、南海等典型浅海海域，分别在09年、10年和11年开展了三次浅海海底混响专项测量实验，获取了大量宝贵的高质量浅海海底混响数据，对数据的处理结果验证了本文理论模型和特性分析结果的有效性和准确性。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章绪论  12-29
  1.1 引言  12-13
  1.2 国内外研究现状  13-25
    1.2.1 基于经验散射函数的海底混响理论  13-16
    1.2.2 基于物理散射机理的海底混响理论  16-19
    1.2.3 海底混响的实验测量  19-25
  1.3 存在的问题及发展趋势  25-26
  1.4 本论文的主体思路及内容安排  26-29
    1.4.1 主体思路  26-27
    1.4.2 各章节内容安排  27-29
第2章耦合简正波海底混响模型  29-48
  2.1 基本理论  29-30
  2.2 粗糙界面的海底混响模型  30-35
    2.2.1 单频点源的海底混响  30-31
    2.2.2 脉冲声海底混响  31-35
  2.3 不均匀海底介质的海底混响模型  35-40
    2.3.1 单频点源的海底混响  35-37
    2.3.2 脉冲声海底混响  37-39
    2.3.3 两种混响机制的补充说明  39-40
  2.4 仿真比对及数据验证  40-47
    2.4.1 与经典模型的对比分析  40-43
    2.4.2 针对典型问题的仿真计算  43-45
    2.4.3 数据验证  45-47
  2.5 本章小结  47-48
第3章多基地远程海底混响强度特性研究  48-68
  3.1 基本理论  48-52
    3.1.1 双/多基地声纳系统简介  48-49
    3.1.2 收发合置与分置混响强度对比  49-52
  3.2 海底参数对混响强度的影响规律研究  52-60
    3.2.1 理论概述  52
    3.2.2 海底界面参数的影响  52-56
    3.2.3 海底底质参数的影响  56-60
  3.3 海底地形对混响强度的影响规律研究  60-67
    3.3.1 过渡海区中的海底混响理论  60-63
    3.3.2 斜坡海底对双基地混响强度的影响  63-65
    3.3.3 海底倾角对双基地混响强度影响  65-67
  3.4 本章小结  67-68
第4章远程海底混响空间相关特性研究  68-85
  4.1 基本理论  68-70
    4.1.1 垂向相关理论  69
    4.1.2 水平相关理论  69-70
  4.2 空间相关的时/空/频特性分析  70-75
    4.2.1 垂向相关特性分析  70-73
    4.2.2 水平相关特性分析  73-75
  4.3 波导边界对浅海混响空间相关特性的影响分析  75-84
    4.3.1 粗糙海面对空间相关的影响  75-79
    4.3.2 海底地形对空间相关的影响  79-84
  4.4 本章小结  84-85
第5章浅海低频海底混响的实验测量  85-100
  5.1 黄海 2009 年浅海远程海底混响测量实验  85-92
    5.1.1 实验概况  85-87
    5.1.2 数据处理  87-91
    5.1.3 实验小结  91-92
  5.2 南海 2010 浅海混响测量实验  92-94
    5.2.1 实验概况  92-93
    5.2.2 数据处理  93-94
    5.2.3 实验小结  94
  5.3 南海 2011 浅海异地混响测量实验  94-98
    5.3.1 实验概况  94-96
    5.3.2 数据处理  96-98
    5.3.3 实验小结  98
  5.4 本章小结  98-100
结论  100-103
参考文献  103-112
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  112-114
致谢  114

浅海远程海底混响的建模与特性研究

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