浅海波导中目标声散射特性研究
随着“安静型”潜艇的出现，主动声纳日益受到重视并发挥着越来越重要的作用。水下目标声散射特性研究是主动声纳赖以工作的基础，也是主动探测产生新思想、新原理、新方法的基础。对于主动声纳远程探测、鱼雷精确制导、要害部位攻击、海底掩埋雷探测、海洋工程中输油管线的检测等也都需要精确的目标声散射模型，所以浅海波导中目标声散射特性的研究具有重要的军事意义和实用价值，这个问题也是当前国际、国内水声研究的热点之一。
复杂的海洋环境中影响目标声散射的因素很多，尤其是浅海环境，海面、海底以及水体声速分布，都会对目标声散射产生影响，致使在浅海波导中的目标声散射与自由场中有着显著的差别。在理论分析方法上，波导中的目标散射与自由场中相比也变得更为复杂。80年代末国际上开始对海洋环境中的目标散射问题进行理论研究，其中包括界面附近的目标散射问题和波导中的目标散射问题。近年来，国内也有人开始研究海洋环境中的目标声散射问题。但是这些研究只涉及了界面附近的情况，如沉底水雷的探测等，对于浅海波导中的目标声散射问题目前国内尚未见到有关的研究报道。本文就浅海波导中目标声散射特性进行理论研究，通过数值计算给出浅海环境中诸因素对刚性球声散射场的空间分布及信号结构产生影响的理论结果。
本文对浅海波导中刚性球散射研究的理论基础是Ingenito的简正波方法。但是在理论推导中本文直接利用计算局地简正波的程序KRAKENC解算出的深度方向的本征函数值，这样就避免Ingenito的远场假设，使之具有更广泛的应用范围。在研究散射场分布方法的基础上，本文用时频分析的方法对波导中刚性球的散射信号的时间结构做了研究。对时间结构的研究是分析各个时刻到达的回波信号的成分以及其产生的物理机理。这里我们采用时频分析的方法来追踪回波信号里的各个简正波成分。文中具体计算、分析了浅海波导中波导深度、水体中的声速剖面、海底声速及衰减系数对散射场空间分布的影响；计算、分析了浅海波导中刚性球的回波信号结构、波导多途效应对回波信号的影响及目标散射引起的散射场中的简正波耦合，分析波导对散射回波信号的影响。
研究结果表明，波导的存在对目标散射场具有非常强烈的影响。与自由场中的情况不同，波导中的散射场的方向分布是距离相关的。从简正波理论的角度来看，其根本原因是波导中存在若干阶声源激发的传播简正波，散射场是由各阶筒正波加权叠加后的结果。每一阶简正波可以理解成由上行波和下行波组成，不同的简正波的上行波和下行波入射方向是不同的，所以每一阶的简正波的散射场的方向分布是不同的。而且在不同的距离处每阶简正波对整个声场的贡献也是不同的，所以在某一距离处散射声场的方向分布总表现为某阶简正波或某几阶简正波叠加的形式。所以，波导中的散射场的方向分布与自由场中的情况存在重大差别。这样凡是可以引起波导中简正波变化的参数，如波导参数、海底参数及声速剖面的变化都会对目标散射场产生影响。刚性球的回波信号中包含两部分，一部分是镜反射波，另一部分是圆周波。当声源与接收点在目标的同一侧时，回波信号中镜反射波和圆周波可以分开，当声源与接收点在目标异侧时，回波信号中镜反射波和圆周波重叠在一起。波导的多途效应和目标散射对简正波的耦合效应使得回波信号中各个简正波成分相互叠加，回波波形变得与自由场中的回波信号完全不同。目标散射对简正波的耦合作用主要与波导中的简正波的分布以及目标所处的深度有关。通过对目标回波中单个简正波成份的分析，将有利于用回波进行浅海波导中的目标识别。
目标特性;回波结构;水下目标;散射特性;浅海波导;目标识别;目标散射
中国海洋大学
硕士
声学
彭临慧
2005
中文
P733.212;TB56
59
2006-07-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）