粗糙海底單基地散射和混響建模與仿真

王 松, 梁 紅, 楊長生

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粗糙海底單基地散射和混響建模與仿真

王 松, 梁 紅, 楊長生

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

長期以來, 混響強(qiáng)度計(jì)算主要采用基于簡單的半經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)的散射模型, 未能考慮環(huán)境參數(shù)。而實(shí)際上, 混響產(chǎn)生的過程中, 海底環(huán)境對(duì)混響至關(guān)重要。本文采用地聲學(xué)海底交互模型(GABIM)將海底分為兩層, 逐層計(jì)算界面散射和體積散射的散射截面, 得到海底散射強(qiáng)度的計(jì)算公式。在此基礎(chǔ)上建立了一個(gè)海底混響強(qiáng)度隨海底環(huán)境變化的單基地混響模型, 其采用單頻信號(hào)仿真海底混響信號(hào), 結(jié)果表明, 混響信號(hào)特性符合理論, 且改變環(huán)境參數(shù)混響也隨之產(chǎn)生變化, 驗(yàn)證了該海底模型的可用性和環(huán)境適應(yīng)性。

粗糙海底; 海底散射; 海底混響; 單基地混響

0 引言

我國領(lǐng)海大部分是淺海, 因此淺海作為水下活動(dòng)中具有重要戰(zhàn)略地位的區(qū)域, 日益受到人們的關(guān)注。淺海環(huán)境下由界面不平整性引起的界面混響更加顯著, 導(dǎo)致混響強(qiáng)度提高, 從而加劇了混響干擾的嚴(yán)重性。實(shí)測(cè)結(jié)果表明, 淺海環(huán)境下, 海底散射強(qiáng)度遠(yuǎn)大于體積散射強(qiáng)度和海面散射強(qiáng)度, 同時(shí)由于淺海的負(fù)聲速梯度的分布, 使得淺海海底混響成為影響混響強(qiáng)度的主要因素。

我國領(lǐng)海各區(qū)域的海底沉積層有很大的不同, 構(gòu)成極為復(fù)雜[1], 有各種不同的分層情況及不同的地聲學(xué)特性。長期以來, 混響研究主要采用基于簡單的半經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)的散射模型, 如Lambert模型計(jì)算海底混響[2]。這些散射模型一般計(jì)算簡單, 但由于計(jì)算過程沒有環(huán)境參數(shù), 得到的混響信號(hào)缺乏相應(yīng)的物理意義。而實(shí)際上, 混響產(chǎn)生的過程中, 海底環(huán)境對(duì)混響存在很大的影響。

國內(nèi)外對(duì)復(fù)雜海底的散射模型做了很多研究, 模型主要包括兩大類: Kirchhoff近似和小微擾理論、小斜率近似法(small slope approximation, SSA)[3-5]。利用SSA求解粗糙界面散射問題具有不受表面高度均方根條件限制等優(yōu)點(diǎn)。雖然SSA結(jié)果在鏡面方向是優(yōu)秀的, 但在反向散射方向, 結(jié)果不是十分理想[6], 所以本文在單基地混響建模中使用第1類散射模型, 其研究以Jackson為代表。

Jackson等人對(duì)單基地與雙基地海底散射做了大量研究。文獻(xiàn)[7]等已有了利用Jackson雙基地散射模型求解散射強(qiáng)度從而建立隨環(huán)境變化的雙基地混響模型的方法。然而對(duì)于單基地混響, 這種散射模型應(yīng)用較少。為建立隨環(huán)境變化的單基地混響模型, 本文引入Jackson單基地散射理論。

Jackson的單基地散射模型經(jīng)過了一個(gè)較長時(shí)間的發(fā)展。1986年及之后幾年提出的單基地海底散射模型[8-9], 應(yīng)用Kirchhoff近似和小微擾理論, 將海底散射視為粗糙海底界面散射與沉積層體積散射之和。該模型為高頻聲波海底散射的物理過程提供了一個(gè)比較合理的描述, 然而該模型忽略了海底分層等因素的影響。2010年Jackson等人提出了一個(gè)地聲學(xué)海底交互模型(geoacoustic bottom interaction model, GABIM)[10], 將海底散射推廣到任意分層海底散射的情況, 深入考慮了來自沉積層界面的粗糙度散射以及介質(zhì)的彈性效應(yīng), 優(yōu)化了散射強(qiáng)度計(jì)算方法。因此本文使用GABIM散射模型研究單基地混響。

由于海底沉積物通常氣體含量微少, 一般簡化為海水飽和固液兩相介質(zhì), 因此本文將海底分為兩層。鑒于雙基地混響建模方法中, 散射模型的散射強(qiáng)度可以直接使用, 本文同樣直接使用GABIM計(jì)算散射強(qiáng)度, 建立基于射線理論的單基地海底混響模型, 對(duì)產(chǎn)生的混響信號(hào)的各種特性進(jìn)行驗(yàn)證, 從而證實(shí)混響模型仿真方法的可用性。由于散射模型較全面地考慮了海底環(huán)境因素對(duì)散射強(qiáng)度及混響強(qiáng)度的影響, 實(shí)現(xiàn)了單基地混響模型對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性, 其預(yù)報(bào)結(jié)果比較準(zhǔn)確。

1 海底散射模型

1.1 模型的定義和假設(shè)

對(duì)海底散射模型, 有如下假設(shè)條件:

1) 第1層和最后1層界面粗糙, 其他假定平坦。

2) 海底界面起伏為各向同性2D高斯隨機(jī)過程。

3) 所有層是非均勻的, 存在體積散射, 且體積散射是各向同性的。

4) 海底沉積物為無損的流體, 不考慮其彈性和滯性的影響。

圖1 分層海底聲散射示意圖

1.2 模型參數(shù)

海底底質(zhì)參數(shù)主要包括: 海底界面粗糙度、沉積物類型、沉積物密度、壓縮波波速衰減、切變波波速與衰減等。

GABIM沉積層體積散射為通過無量綱參數(shù)假定全方位的體積散射特征

1.3 散射強(qiáng)度計(jì)算

GABIM模型的散射強(qiáng)度計(jì)算公式為

1) 沉積層-水粗糙界面散射

下面給出Kirchhoff、小粗糙度擾動(dòng)和經(jīng)驗(yàn)截面的插值算法

經(jīng)驗(yàn)散射截面表達(dá)式為

對(duì)于水-沉積層粗糙度散射, Kirchhoff和小擾動(dòng)截面使用下面的插值算法

下面分別介紹Kirchhoff, 小粗糙度擾動(dòng)方法的計(jì)算過程。

a. Kirchhoff近似法

b. 小粗糙度擾動(dòng)近似法

根據(jù)理論研究和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到擾動(dòng)近似法的表達(dá)式

2) 基層粗糙度散射

對(duì)于基層粗糙度散射, 同樣使用式(4)計(jì)算散射強(qiáng)度, 但需要改變其中的地聲學(xué)參數(shù), 使其適合于計(jì)算基層粗糙度散射。需要改變的參數(shù)包括聲速, 密度和損失參數(shù)。

對(duì)Kirchhoff近似法, 反射系數(shù)在垂直入射方向估計(jì), 下面為傳輸損失因數(shù)的計(jì)算。

3) 體積散射

體積散射對(duì)截面的貢獻(xiàn)是每層貢獻(xiàn)之和。

對(duì)第層

1.4 海底散射模型的仿真與分析

1) 取聲波頻率=1 kHz, 比較分層和不分層海底的散射。不分層海底忽略了基層粗糙度散射。

從圖2可見, 在掠射角小于海水–沉積層臨界角時(shí)2個(gè)模型的散射強(qiáng)度相同。在掠射角大于臨界角時(shí), 分層海底加入了來自基層的海底散射, 散射強(qiáng)度明顯大于不分層海底。

圖2 分層海底與不分層海底散射強(qiáng)度的比較

2) 取聲波頻率分別為5 kHz, 10 kHz, 20 kHz, 40 kHz, 散射強(qiáng)度采用GABIM模型計(jì)算。圖3給出了散射強(qiáng)度隨掠射角和頻率的變化。從圖3可見, 海底散射強(qiáng)度隨掠射角的增大而增大, 且在小掠射角隨著聲波頻率的增大, 散射強(qiáng)度也增大。

圖3 海底散射強(qiáng)度隨入射角的變化曲線

2 海底混響模型

2.1 模型框架

近年來，一些研究表明，索氏的“語言”實(shí)際上是科學(xué)主義的產(chǎn)物[20-21]。所謂科學(xué)主義，是指主張把自然科學(xué)的方法應(yīng)用于人文社會(huì)科學(xué)在內(nèi)的一切研究領(lǐng)域的觀點(diǎn)?？茖W(xué)研究往往需要去除各種“雜質(zhì)”的影響，索緒爾的語言學(xué)理論中含有科學(xué)主義的因素，他提出的變革方法就是要開展一場“同質(zhì)化”運(yùn)動(dòng)”[22]364。這里我們有必要深究兩個(gè)問題：(1)社會(huì)科學(xué)為什么要去除雜質(zhì)，開展同質(zhì)化運(yùn)動(dòng)？(2)社會(huì)科學(xué)是如何去除雜質(zhì)，達(dá)到同質(zhì)化這一目的的？

圖4 海底混響模型示意圖

從而根據(jù)泊松分布確定散射體個(gè)數(shù)。

本文采用射線理論建立傳播模型[11], 但并不影響散射模型仿真框架向其他混響建模方法推廣。另外, 對(duì)混響過程做出如下假設(shè): 1) 發(fā)射信號(hào)為窄帶信號(hào); 2) 聲波在水中沿直線傳播; 3) 忽略從海底反射到海面再被接收到的散射。

在上述條件限定下, 采用點(diǎn)散射結(jié)構(gòu), 單基地混響信號(hào)為

當(dāng)聲納以速度勻速運(yùn)動(dòng), 深度為, 基陣軸向與運(yùn)動(dòng)方向夾角為。則產(chǎn)生了多普勒頻移, 混響信號(hào)的計(jì)算公式為

其中, 對(duì)于海底混響, 多普勒頻移

2.2 海底混響仿真結(jié)果與分析

從圖5中可看出, 海底模型的混響衰減基本符合混響級(jí)衰減曲線。

圖5 GABIM混響信號(hào)時(shí)域圖

圖6中兩圖的對(duì)比可以看出, GABIM散射混響信號(hào)與原信號(hào)的頻譜大致相同。符合混響信號(hào)頻譜與發(fā)射信號(hào)頻譜相似的理論。

圖6 發(fā)射信號(hào)頻域圖與混響波形頻域圖

從圖7可以看出, CW脈沖混響信號(hào)與發(fā)射信號(hào)自相關(guān)曲線包絡(luò)具有一致的相關(guān)半徑。結(jié)果符合自相關(guān)時(shí)間半徑等于正弦信號(hào)脈寬的理論。理論分析表明, 泊松混響瞬時(shí)值服從高斯分布, 包絡(luò)服從瑞利分布。從圖8和圖9可以看出, 仿真數(shù)據(jù)同理論較為吻合。

圖7 發(fā)射信號(hào)和混響信號(hào)的自相關(guān)

圖8 混響信號(hào)的瞬時(shí)值分布

圖9 混響信號(hào)的包絡(luò)值

對(duì)于建立的混響模型, 可以通過改變環(huán)境參數(shù), 得到不同環(huán)境下的混響。理論上所有的環(huán)境參數(shù)都對(duì)混響有一定影響, 這些影響是存在于各方面的。本文選擇比較容易觀察到混響變化的參數(shù)來驗(yàn)證混響隨環(huán)境的變化情況。由于混響時(shí)域比較有隨機(jī)性, 故而選擇頻譜圖來比較混響強(qiáng)度大小。

從圖10可以看出, 改變聲速比后頻譜最大值為1時(shí), 原來環(huán)境下的頻譜最大值約為0.91。證明當(dāng)?shù)?層聲速比變小后, 混響強(qiáng)度比原來增大。

圖10 聲速比改變前后的混響頻譜圖

從圖11可以看出, 原環(huán)境參數(shù)的混響頻譜強(qiáng)度最大值為0.24, 改變譜強(qiáng)度后混響頻譜最大值是1。證明當(dāng)?shù)?層譜強(qiáng)度增大后, 混響強(qiáng)度增大, 海底表面起伏程度越大, 混響越強(qiáng)。

圖11 譜強(qiáng)度改變前后的混響頻譜圖

通過上面對(duì)環(huán)境參數(shù)改變前后混響強(qiáng)度大小的比較, 驗(yàn)證了混響隨環(huán)境參數(shù)變化的情況。

3) 若聲納沿信號(hào)發(fā)射方向運(yùn)動(dòng), 速度為 20 m/s, 則接收的混響信號(hào)產(chǎn)生了多普勒擴(kuò)展。對(duì)頻率為20 kHz的信號(hào), 其多普勒頻移最大值為533 Hz, 信號(hào)在頻域向更高頻率展寬。使用2)的環(huán)境參數(shù)觀察多普勒的影響, 結(jié)果如圖12所示。

從圖12可以看出, 在聲納勻速運(yùn)動(dòng)時(shí), 接收的混響產(chǎn)生了一個(gè)寬度約為500 Hz的展寬。同時(shí)與無多普勒效應(yīng)時(shí)類似, 海底界面起伏譜強(qiáng)度增大后, 每個(gè)頻點(diǎn)的混響強(qiáng)度增大。

圖12 運(yùn)動(dòng)聲納譜強(qiáng)度改變前后的混響頻譜圖

3 結(jié)束語

本文利用地聲學(xué)海底交互模型求解粗糙海底散射截面, 建立了一個(gè)基于射線理論的混響模型, 對(duì)混響特性進(jìn)行驗(yàn)證, 可以得出, 通過GABIM模型計(jì)算粗糙界面散射強(qiáng)度求得的混響, 其衰減、頻譜及分布特性等與理論相符, 仍然滿足統(tǒng)計(jì)規(guī)律。改變海底地聲學(xué)環(huán)境參數(shù), 其混響強(qiáng)度隨之改變。從而這種更能適應(yīng)海底環(huán)境改變的混響模型是可以建立的。此外, 分層散射模型還可以進(jìn)一步擴(kuò)展到沉積層體積散射各向異性的情況。

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(責(zé)任編輯: 許 妍)

Modeling and Simulation of Monostatic Scattering and Reverberation for Rough Seafloor

WANG SongLIANG HongYANG Changsheng

(College of Marine Engineering, Northwestern Ploytechnical University, Xi′an 710072, China)

Reverberation strength calculation has long been based on the simple scattering model, which is semi-empirical in nature, without considering environmental parameters. In fact, environmental parameters impose important effects on reverberation generation. In this paper, the geoacoustic bottom interaction model (GABIM) is utilized to divide seafloor into two layers, and the cross-sections for interfacial scattering and volumetric scattering in each layer are calculated to obtain the formula of seafloor scattering strength. Based on GABIM, a monostatic reverberation model is set up, in which bottom monostatic reverberation strength depends on seafloor environment. Single frequency signal is adopted in this model to simulate the seafloor reverberation signal. The results indicate that the reverberation signal is consistent with the reverberation theory, and its strength changes with the environmental parameter.

rough seafloor; bottom scattering; bottom reverberation; monostatic reverberation

TJ631.2

A

1673-1948(2014)01-0060-07

2013-11-14;

2013-12-16.

國家自然科學(xué)基金(61273333)、(61379007).

王 松(1989-), 女, 碩士在讀, 研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理.