深海海底山引起的混響雜波聯(lián)合預(yù)報方法

楊華, 秦繼興, 莫東鵬, 高博

(1.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所 聲場聲信息國家重點實驗室, 北京 100190; 2.中國科學(xué)院大學(xué) 物理學(xué)院, 北京 100190; 3.中國人民解放軍92578部隊, 北京 100161; 4.中國海洋大學(xué) 信息海洋技術(shù)學(xué)院, 山東 青島 266100)

混響和雜波是主動聲吶的主要干擾,二者形成過程相似且通常摻雜疊加在一起,但散射機理不同。混響是聲波與連續(xù)變化的隨機粗糙界面和非均勻介質(zhì)發(fā)生不規(guī)則散射的疊加,雜波則是非目標的強散射體形成的“亮點”干擾,其強度遠大于隨時間衰減的彌散性混響。在淺海環(huán)境中,海底地形變化一般不大,關(guān)于淺?；祉懩Ｐ投嚓P(guān)注混響的強度和空間分布規(guī)律[1-9]。在深海,特別是我國南海部分海域,由于地形水平變化形成的大起伏海底山增加了海底散射的復(fù)雜性,導(dǎo)致混響、海底雜波要素都摻雜在一起。摻雜在混響中的雜波是引起水聲主動探測虛警概率升高的主要原因,同時也大幅度改變了彌散性混響的統(tǒng)計特性,嚴重制約了主動探測聲吶的混響抑制、目標識別性能。

在目前的深海混響研究中,國內(nèi)外的研究人員基于射線理論提出了一系列的深?；祉戭A(yù)報模型[10-13],這些模型大多應(yīng)用于水平或傾斜地形的小起伏海底環(huán)境,難以對我國南海部分復(fù)雜地形條件下的混響雜波進行統(tǒng)一預(yù)報。如王龍昊等[11]基于南海大深度混響實驗,給出了不同頻率、不同收發(fā)位置的深?；祉憣嶒灲Y(jié)果,結(jié)合仿真算例分析了深海混響的強度起伏特征,發(fā)現(xiàn)仿真-實驗對比中未能預(yù)測的雜波信號是由海底山形成的強散射產(chǎn)生。

歐美的水聲研究人員也在發(fā)表的文獻中提出了與之類似的問題:Preston等[14]分析了NATO(north atlantic treaty organization)快速反應(yīng)演習(xí)和邊界表征實驗期間在拖曳陣列上接收的遠程混響數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)了大陸架、海底山等海底起伏性在混響極坐標圖上顯示的強散射雜波特征。并將海底混響模型與寬帶混響模型結(jié)合,在拖曳陣列混響數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立模型-數(shù)據(jù)差異的極坐標圖來估計海底損失和海底散射強度,分析了起伏海底邊界特征對聲散射的影響[15]。其中的海底混響是依據(jù)傳統(tǒng)的小起伏海底混響模型計算的,通過結(jié)合混響的實驗數(shù)據(jù)和水深測量圖比對,可以很好地識別地該片海域未知的海底散射特征,但模型預(yù)測的海底混響與大起伏海底山環(huán)境的混響數(shù)據(jù)并未吻合。

由此可見,對于帶有海底山的深海復(fù)雜環(huán)境,摻雜在一起的海底山雜波和小起伏海底混響的一體化預(yù)報是現(xiàn)有的深?；祉懩Ｐ碗y以處理的實際問題,亟需提出一種可以對海底山地形條件下的混響和雜波進行統(tǒng)一聯(lián)合預(yù)報的理論模型,這是對傳統(tǒng)小起伏海底深海界面混響模型研究的有益擴展。

深海海底山對聲波的三維水平折射效應(yīng)已被眾多國內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)和證實,并且這種三維聲傳播效應(yīng)與大尺度海底山目標在主動聲吶探測時所形成的強散射回波息息相關(guān),進而增加了海底山回波探測的難度。本文提出的深?；祉懞秃５咨诫s波統(tǒng)一預(yù)報方法為了計算的便捷性,忽略了混響傳播過程中的水平耦合效應(yīng),將海底山看作孤立的強海底體積散射源。即以接收點為中心,將隨空間分布的海底地形按不同方位、深度、距離等間隔劃分網(wǎng)格單元,根據(jù)海底山分布函數(shù)搜索最接近海底山表面的網(wǎng)格點作為本征聲線接收點來計算海底山界面的信道傳輸函數(shù)和散射函數(shù)。利用南海實測混響數(shù)據(jù)對方法進行了驗證,通過數(shù)值計算比較有、無海底山環(huán)境下的海底混響計算結(jié)果差異,發(fā)現(xiàn)本文所提出的預(yù)報方法可實現(xiàn)水平小起伏海底混響和孤立海底山雜波的統(tǒng)一聯(lián)合預(yù)報。

1 深海復(fù)雜地形下混響雜波聯(lián)合建模

從深?；祉懮渚€理論模型出發(fā),考慮單散射近似,深海混響與海底山雜波統(tǒng)一表達式為:

(1)

式中:I0為發(fā)射信號平均強度;第1項表述了小起伏海底產(chǎn)生的海底混響;S為相應(yīng)的混響散射過程;A為散射單元的作用面積;Hm、Hn為在不同傳播方式m、n下的入射、散射傳輸函數(shù);第2項表述了海底山的強體積散射過程形成的雜波;σmn(h)為海底山的體積散射強度;h為海深,隨著海底山的地形而有較大變化。在深海環(huán)境,求解小起伏粗糙海底和大起伏海底山目標表面的信道傳輸函數(shù)和散射函數(shù),同時疊加相同時刻下散射面積的貢獻,即可實現(xiàn)海底混響與海底山回波的聯(lián)合計算。

對于深海雙基地平臺,如果忽略了不同傳播方式下的傳播時間差異,即傳播時間只取決于水平傳播距離和深度垂直方向上的聲速梯度時,相同時間到達接收器的海底混響信號來自于圖1所示的橢圓環(huán)海底散射區(qū)域,將橢圓環(huán)上的散射聲場疊加即可得到這個時刻下的混響聲場。但是由于深海信道下各聲線傳播差異較大,導(dǎo)致以不同路徑到達橢圓環(huán)上的各個區(qū)域的傳播時間不同,這一點是不可忽略的。在橢圓環(huán)散射單元劃分前提下,按接收方位將橢圓環(huán)進一步等間隔劃分,再將每一塊被劃分的散射單元所對應(yīng)不同傳播路徑下的散射聲場進行單獨計算,最后將所有的散射聲場按照傳播時間的遞增順序疊加起來,建立深海海底混響的數(shù)值計算模型。

圖1 海底散射單元網(wǎng)格劃分示意Fig.1 Grid diagram of seabed scattering area

假定收發(fā)距離為2d,橢圓長軸與短軸之和為2l,按照接收方位角φ將橢圓環(huán)以等方位間隔劃分成多個微小平行四邊形的疊加,則每個平行四邊形的面積ΔA以及平行四邊形上的散射體到聲源和接收器的水平距離rinc和rscat分別為:

ΔAmn=rscatφ×Δrmn

(2)

(3)

式中:Δrmn為平行四邊形的高,即橢圓環(huán)寬度?？紤]到橢圓環(huán)在各個方向的寬度是不一樣的,在遠場條件下認為橢圓環(huán)的寬度是最大寬度(垂直方向)與最小寬度(水平方向)的算術(shù)平均:

Δrmn=

{cbτ0/(cosθm+cosθn)+

(4)

式中:cb為海底界面處海水聲速;τ0為發(fā)射信號脈沖寬度;θm、θn分別為聲波到達、離開海底的掠射角。

1.1 混響的小起伏界面散射函數(shù)模型

在深海雙基地混響計算中,單位面積散射元對聲波的散射貢獻可由結(jié)合Lambert散射定律和Kirchhoff近似的三維界面散射函數(shù)表示為:

S(θm,θn,φmn)=μsinθmsinθnexp(iξmn)+

ν(1+ΔΩ)2exp(-ΔΩ/2σ2+iξmn)

(5)

式中:μ為背向散射強度;v為側(cè)向散射強度;σ為側(cè)向散射偏差。與Ellis等[7]的工作相比,本文在三維散射函數(shù)中引入了隨機相位ξ,ξ為服從[0,2π]均勻分布的隨機相位。ΔΩ為鏡反射方向上散射聲線的偏轉(zhuǎn)度量:

(6)

在小起伏海底環(huán)境下,假定海底平均深度為zb,聲源角頻率為ω,聲源深度為zs,接收深度為zs,聲源、接收器至海底散射元水平距離分別為rinc、rscat,則入射傳輸函數(shù)和散射傳輸函數(shù)由射線模型展開為數(shù)值形式:

Pinc,m=Am(rinc,zs,zb)exp(iωτm(rinc,zs,zb))

(7)

Pscat,n=An(rscat,zr,zb)exp(iωτn(rsact,zr,zb))

(8)

綜合式(2)、(5)、(7)、(8),得到式(1)中第1部分小起伏深海海底環(huán)境下的混響數(shù)值計算式為:

(9)

式中:∑表示按入射傳播時間τm與散射傳播時間τn之和,將所有傳播路徑m、n,以及所有網(wǎng)格i、j對應(yīng)的散射場排序疊加(i、j分別表示在距離、方位上劃分的散射單元網(wǎng)格)。該海底散射數(shù)值計算模型將雙基地混響按照傳統(tǒng)橢圓環(huán)散射區(qū)域劃分的同時,也充分考慮了橢圓環(huán)內(nèi)每個區(qū)域的傳播時間差異,并獨立劃分不同傳播路徑下的橢圓環(huán)寬度。同時模型還能對海底混響按照不同接收方位角進行單獨劃分,對于模擬具有方位波束角度的水聽器接收的海底混響十分有效。

1.2 海底山散射函數(shù)的數(shù)值模型

與水平海底小起伏界面相比,在計算海底山的散射函數(shù)σmn(h)時引入了以下2點假設(shè):1)只考慮單次海底散射;2)不同深度海底山的散射強度依賴于入射聲線和散射聲線的幅度。針對于大起伏海底山目標,以接收點為中心,按不同方位、深度、距離等間隔劃分網(wǎng)格單元,并根據(jù)海底山分布函數(shù)搜索最接近海底山表面的網(wǎng)格點作為本征聲線接收點來計算海底山界面的信道傳輸函數(shù)和散射函數(shù)。如圖2所示,假定某個聲源或接收方位角上的海底深度隨距離變化的起伏函數(shù)為T(r),r為水平傳播距離。在需要計算的深度范圍hmax和距離范圍rmax內(nèi)分別按照Δh和Δr間隔設(shè)定若干個本征聲線計算點,則海底山表面所在網(wǎng)格點為:

圖2 海底山表面聲線接收點網(wǎng)格搜索示意Fig.2 Grid search of sound ray receiving points on seamount surface

(nh,nr)=(?(T(r)/Δh)」,r/Δr)

(10)

式中:?(T(r)/Δh)」為向下取整符,即向海面方向取最接近海底山所在的網(wǎng)格點作為海底山的本征聲線接收點,從而獲得海底山界面的本征聲線幅值、時延、掠射角等參數(shù),用于計算海底山表面的信道傳輸函數(shù)和散射函數(shù)。

在該網(wǎng)格下,海底山表面的入射傳輸函數(shù)和散射可以修正為:

(11)

(12)

將式(2)、(5)、(10)、(11)、(12)聯(lián)立后,可得到海底山不同深度位置產(chǎn)生的強散射雜波數(shù)值計算表達式為:

(13)

2 基于Munk剖面的混響雜波仿真

以錐形海底山為例,對不同寬度、高度海底山形成的混響雜波進行仿真分析。仿真環(huán)境選取圖3所示的典型Munk聲速剖面,海深5 000 m。假設(shè)底部為單層粗糙砂質(zhì)海底結(jié)構(gòu),其底質(zhì)參數(shù)分別取密度1.8 g/cm3,聲速1 650 m/s,衰減系數(shù)0.3 dB/λ。海水密度假設(shè)為均勻不變量,取1.0 g/cm3。聲源頻率為600 Hz,發(fā)射信號脈寬為0.1 s,聲源、接收的深度為200 m,收發(fā)水平距離為0 m,即收發(fā)合置。使用式(5)給出的散射函數(shù),其中的具體參數(shù)分別為10lgμ=-32 dB,10lgv=-10 dB,σ=10°。如圖4所示,以接收位置為坐標中心,在5 000 m平均海深下模擬了3個錐型海底山,分別分布于90°、180°、270°水平方位角,起始位置均為25 km,最大高度分別為2 000、2 500、2 000 m,寬度分別為30、30、45 km。其中,海底山1與海底山2寬度一致,后者高度大500 m;而海底山1與海底山3最大高度一致,后者寬度大15 km。

圖3 典型Munk聲速剖面Fig.3 Munk sound speed profile

圖4 不同高度、寬度的錐形海底山模擬Fig.4 Simulation of conical seamount with different height and width

為了充分考慮海底山的水平折射效應(yīng),射線聲場采用射線聲學(xué)專業(yè)軟件BELLHOP3D程序計算。李晟昊等[16]利用南海海底山環(huán)境聲傳播實驗證明了該三維聲場計算模型相比于傳統(tǒng)二維聲場計算模型可以以更高的精確度計算存在海底山水平折射效應(yīng)的聲場。結(jié)合深海復(fù)雜海底地形環(huán)境下的海底混響計算模型,將海底地形以等間隔網(wǎng)格劃分,進行海底混響與海底山回波統(tǒng)一仿真。其中橢圓環(huán)散射單元在水平距離上以0.1 km間隔劃分,每個橢圓環(huán)再以10°方位角間隔劃分,海底山表面本征聲線接收點以20 m深度間隔的網(wǎng)格進行搜索。

針對圖4所示的錐形海底山環(huán)境,圖5給出了不同方位的混響強度衰減結(jié)果。與無海底山的方位相比,在海底山1、2、3對應(yīng)的方位,混響強度極坐標圖在35 s之后均出現(xiàn)了強起伏雜波特征,且雜波特征存在一定的差異。為了分析不同高度、寬度錐形海底山的雜波特征,在不同的方位取一定的扇面角分析混響的強度衰減曲線規(guī)律。圖6分別給出了以0°、90°、180°、270°為扇面中心角度,扇面寬度為60°的混響強度對比,其中實線表示0°扇面(無海底山),虛線曲線表示90°扇面(海底山1),點劃線曲線表示180°扇面(海底山2),虛點線表示270°扇面(海底山3)。綜合圖5、6可知,隨著海底山的升高,對應(yīng)的海底山雜波增大,相比于海底山1高出了500 m的海底山2,其形成的混響雜波增大了約3 dB,雜波時間寬度基本一致。另外,隨著海底山的寬度的增大,對應(yīng)的海底山雜波時間尺度更大,海底山1形成的混響雜波分布在35～85 s,而海底山3形成的混響雜波分布在35～115 s?？紤]到海底山1與海底山3最大高度相同,水平寬度的增大必然導(dǎo)致海底山陡度的較小,進而影響信道傳輸函數(shù)和散射函數(shù),因此海底3形成的混響雜波略微降低。特別地,與無海底山的方位相比,3個錐形海底山形成的混響雜波到達之后均出現(xiàn)了混響場影區(qū),這是由海底山的掩蔽效應(yīng)造成的,且海底山的高度、陡度越大,掩蔽效應(yīng)越明顯。

圖5 混響強度隨方位、時間極坐標分布Fig.5 Azimuth and time distribution of reverberation intensity

圖6 不同錐形海底山混響強度對比Fig.6 Comparison of reverberation intensity of different conical seamounts

3 混響實驗驗證分析

2018 年 4 月,中國科學(xué)院聲學(xué)研究所聲場聲信息國家重點實驗室在南海進行了一次雙基地深?；祉憣嶒?。實驗采用單船結(jié)合深海聲學(xué)接收潛標的作業(yè)方式進行,如圖7 所示。接收潛標系統(tǒng)由 20 個自容式水聽器(underwater signal recorder, USR)組成,USR 以非等間距方式布放,水聽器接收靈敏度為-170 dB,信號采樣率為 16 kHz。圍繞接收潛標,“實驗 1 號”船在聲傳播測線上間隔約 6 min 投擲一枚標定深度為200 m 的 1 kg TNT 當量寬帶爆炸聲源。接收潛標位置海深測量值為3 472 m,圖8為實驗環(huán)境測量聲速值的擬合結(jié)果,屬于非完全深海聲道。

圖7 混響實驗布置Fig.7 Schematic diagram of reverberation experiment

圖8 實驗海區(qū)聲速剖面Fig.8 Sound speed profile in experimental area

取205 m接收深度水聽器、收發(fā)距離為0.76 km的實測混響信號進行強度特性分析。圖9為實測混響信號的時頻圖,頻率范圍為10 Hz～3 KHz,時間0～40 s(定義聲源于零時刻發(fā)射)。由圖9可知,在3 kHz頻率范圍內(nèi)實測混響數(shù)據(jù)表現(xiàn)出顯著的起伏到達現(xiàn)象,每個起伏峰的到達時間差約為4.5 s。隨著頻率的升高,聲波的衍射效應(yīng)減弱、傳播衰減增大,相應(yīng)的混響起伏峰越窄、能量越小。特別地,實驗信號在800～900 Hz內(nèi)存在噪聲干擾。對混響時域信號進行窄帶濾波處理,中心頻率為600 Hz,圖10為濾波后的混響級曲線。首次峰值出現(xiàn)時間約為0.4 s,對應(yīng)了直達聲波的到達時間,海面混響與體積混響信號隨后到達,然后強度迅速衰減,海底混響信號在第2個峰值對應(yīng)時間首次到達。經(jīng)海底、海面不同次數(shù)反射的海底混響信號被分成多個峰緊隨第2個峰之后到達,并且每個峰出現(xiàn)后混響強度急劇衰減。隨著時間的增加,混響峰的極值逐漸減弱。值得注意的是,不同頻率下的混響信號均在31 s附近出現(xiàn)一個強起伏雜波,且該雜波峰的強度大于前2個混響峰,時間到達特征與混響峰不匹配,這表明該時間段對應(yīng)的海底區(qū)域具有十分強的散射效應(yīng)?？紤]到實驗環(huán)境的地形起伏性,該混響雜波可能是由海底山強散射回波造成的。

圖9 實測混響時頻圖Fig.9 Time-frequency diagram of measured reverberation data

圖10 實測混響強度衰減曲線Fig.10 Intensity attenuation curve of the measured reverberation signal

以接收位置為坐標中心,圖11繪制了接收潛標周圍30 km的海底地形分布圖,聲源、接收器所在位置已在圖中標出。海底地形數(shù)據(jù)來源國家海洋科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://mds.nmdis.org.cn/),測量時間為2020年?？紤]到海底地形時變特性較小,該地形數(shù)據(jù)可以較好地描述實驗海域的地形分布。由圖11可知,實驗海域在以接收點為中心的190°～240°方位、280°～350°方位較為顯著的海底山,海底山的起伏高度在1 000～2 000 m,海底山以大片連續(xù)山嶺的形式分布。而在10°～180°方位,海底以小起伏分布,平均海深與接收潛標位置處的海深一致。

圖11 以接收點為中心的海底地形分布Fig.11 Distribution of seabed topography centered on receiving point

圖12給出了圖11所示海底地形對應(yīng)的海底混響仿真與實驗測量數(shù)據(jù)對比。圖12中虛線為經(jīng)平滑平均的實驗混響強度曲線,實線為模型考慮了海底山三維水平折射效應(yīng)下計算的海底混響強度曲線,點劃線為模型以3 472 m平均海深計算的小起伏粗糙海底混響強度曲線。對于模型計算中環(huán)境參數(shù)的選擇主要依據(jù)該海區(qū)的歷史調(diào)查資料和反演結(jié)果,底質(zhì)參數(shù)選取水平不變的單層海底模型,聲速為1 580 m/s,密度為2.2 g/cm3,衰減系數(shù)為0.3 dB/λ,海水密度為1.02 g/cm3。海底底質(zhì)參數(shù)與實驗過程中海底采樣獲取的樣品測量參數(shù)基本一致。爆炸聲源等效脈寬以0.1 s計算。式(5)的散射函數(shù)具體參數(shù)分別取10lgμ=-32 dB,10lgv=-10 dB,σ=8.2°。

圖12 混響仿真-實驗對比Fig.12 Simulation and experimental comparison of reverberation

由圖12可知,由于海底地形的起伏性,實驗混響信號與仿真混響信號均出現(xiàn)了一定的雜波特征,且仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)較為吻合。對比無海底山環(huán)境和實驗環(huán)境的混響仿真結(jié)果,混響起伏峰值吻合較好,但由于實驗環(huán)境的非平坦性,即并非以3 472 m海深分布,導(dǎo)致混響峰到達之后的衰減強度得到了降低,并且在25 s后混響強度出現(xiàn)明顯的增大。對比實驗環(huán)境的仿真結(jié)果與測量結(jié)果,模型成功地預(yù)測了小起伏粗糙海底混響起伏衰減特征和大起伏海底山雜波特征,但也存在部分差別。模型只計算由海底散射引起的海底混響信號,并未預(yù)報出實驗數(shù)據(jù)在近程所體現(xiàn)的直達波峰、海面混響、體積混響,但由對比結(jié)果可知,在非完全深海信道環(huán)境下,海底混響依然是深海混響的主要貢獻。仿真結(jié)果中較為顯著的海底山回波在31 s左右到達,相比于無海底山環(huán)境其強度高出約10 dB,海底山強度、時間特征與測量數(shù)據(jù)相比存在細微差別?？紤]到海底地形數(shù)據(jù)并非實驗過程中的真實測量值,實際環(huán)境中的海底山位置與仿真環(huán)境相比存在一定偏差,以及海水聲速的水平非均勻性,在海底山回波到達時間上仿真與實驗測量值存在0.5 s左右的誤差。海底山散射函數(shù)以三維粗糙海底界面散射函數(shù)近似計算,未考慮海底山地形凹凸不平引起的多次散射效應(yīng),這是模型預(yù)測的海底山回波強度略小于實際值的估計原因。

為了具體分析不同方位海底山對海底計算的影響,將混響仿真結(jié)果按不同接收方位 (如圖1所示)展開,圖13繪制了不同方位混響強度隨時間衰減的極坐標分布圖。

圖13 混響強度隨方位、時間極坐標分布Fig.13 Azimuth and time distribution of reverberation intensity

由圖13可知,不同方位的混響強度衰減特征與海底地形圖相互對應(yīng)。在10°～180°方位無明顯海底山,這個方位范圍內(nèi)的混響強度曲線沒有出現(xiàn)雜波特征,只存在由海底、海面對聲波的反射作用引起的混響起伏峰。而在190°～240°方位、280°～350°方位范圍內(nèi)出現(xiàn)了分布時間、強度不等的混響雜波。從本文的理論模型出發(fā),海底山對信道傳輸函數(shù)(式(11)、(12))與散射函數(shù)的共同影響,導(dǎo)致其回波在海底混響強度衰減曲線上以起伏雜波的特征分布。圖11中標號為1、2、3、4、5的海底山在混響極坐標圖中均出現(xiàn)了與其位置對應(yīng)的雜波。其中,標號為1、3、4的海底山形成的雜波強度較高,在總混響強度曲線上分布明顯,到達時間約為30.0、31.0、33.4 s。標號為2、5的海底山形成的雜波強度相對同時刻的混響強度不高,且受到各方位接收的混響強度干擾,經(jīng)疊加后的海底山回波在總混響強度曲線上分布不明顯,到達時間在21.2～26.3 s。為了具體分析不同海底山的混響雜波曲線特征,取不同的接收方位扇面進行混響強度對比,圖14分別給出了60°～90°、200°～230°、270°～300°、310°～340°扇面的混響強度衰減曲線對比結(jié)果。60°～90°扇面無顯著海底山,混響強度隨時間按一定的起伏規(guī)律衰減,無明顯雜波。200°～230°扇面存在起伏高度較小的海底山,形成的混響雜波較小,但時間寬度大。270°～300°扇面和310°～340°扇面相似,均存在起伏高度較大的海底山,形成的混響雜波較大。與模擬的錐形海底山環(huán)境下的混響仿真結(jié)果相似,具有顯著海底山分布的方位在海底山強散射回波到達之后均出現(xiàn)了混響場影區(qū),對應(yīng)的混響強度低于同時刻小起伏海底分布區(qū)域的混響強度,這是由于海底山對聲波的水平折射效應(yīng)產(chǎn)生的掩蔽效果。

圖14 不同扇面的混響強度對比Fig.14 Contrast of reverberation intensity of different sectors

4 結(jié)論

1)海底山是一類孤立的海底強散射體,海底山雜波強度的理論預(yù)報需要完成對海底山體積散射函數(shù)的數(shù)值積分。本文通過水平和垂直維度的網(wǎng)格劃分,將海底山地形變化所引起的體積散射強度變化進行了離散化數(shù)值表征。結(jié)合射線聲學(xué)理論和小起伏海底混響散射區(qū)域的網(wǎng)格搜索方法,可以實現(xiàn)海底山體積散射的快速計算。

2)仿真和實驗數(shù)據(jù)均表明海底山引起的雜波水平時間尺度主要受海底山地形的水平寬度影響,而海底山雜波的強度與垂直維度的海底山高度成正相關(guān)。

3)通過和實驗數(shù)據(jù)進行比對驗證,本文提出的預(yù)報方法成功的預(yù)測了小起伏粗糙海底混響起伏衰減規(guī)律和大起伏海底山雜波特征,理論仿真的海底山雜波出現(xiàn)的時刻和絕對強度與實測數(shù)據(jù)吻合度較好。但也有一部分偏差。造成偏差的主要原因是本文重點關(guān)注的是海底山體積散射函數(shù)的數(shù)值表征,未考慮混響前向傳播過程的三維折射效應(yīng)。另外,理論模型中只考慮了海底界面散射,未將海面混響以及海底山界面的多次散射納入到理論模型的修正中。這些都是未來的重點研究工作。另外,需要指出的是本文理論反正是以單線程運算,若優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)并進行多線程運算,可以大幅提高運算速度,在距離、深度以及各方位上以更高的精度進行遠距離海底山回波預(yù)測。