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1、第9章 聲傳播起伏,前面章節(jié)確定的海洋模型只是實際海洋的近似。實際海洋是隨機(jī)介質(zhì)。（1）隨機(jī)不平整海面對入射聲波產(chǎn)生鏡反射的同時，還會把入射聲散射到其它方向；（2）海水聲速不僅是深度的函數(shù)，而且是隨機(jī)變化的，聲波發(fā)生折射同時，將不斷散射，聲能在空間上再分配。（3）海洋許多其它因素引起的信號散射和起伏，例如內(nèi)波、湍流等。,聲信號散射、起伏振幅、相位畸變水聲設(shè)備信號監(jiān)測、識別測向、測距誤差增大。 引起聲傳播起伏的因素：（1）海水介質(zhì)隨機(jī)不均勻性；（2）海面隨機(jī)不平整性；（3）內(nèi)波。,9.1 聲傳播起伏簡介,1、海水介質(zhì)隨機(jī)不均勻介質(zhì)引起聲傳播起伏 海水的隨機(jī)不均勻性所引起的聲散射和傳播起伏是遠(yuǎn)距離

2、傳播引起聲信號起伏的原因。 隨機(jī)海面的聲散射經(jīng)常是近距離聲傳播起伏的原因。 隨機(jī)界面的聲散射是表面聲道傳播起伏的主要原因。,9.1 聲傳播起伏簡介,1、海水介質(zhì)隨機(jī)不均勻介質(zhì)引起聲傳播起伏 一般認(rèn)為折射率起伏主要由于海中湍流或水團(tuán)的溫度起伏引起。折射率均方偏差： 早在1948年，Urick和Searfoss利用潛艇在兩個不同深度上測量了海中溫度微結(jié)構(gòu)。測量結(jié)果：在約5米深度上， ，不均勻性的平均尺寸 ；在約50米深度上， ，不均勻性的平均尺寸 。,聲速均方偏差,聲速平均值,9.1 聲傳播起伏簡介,1、海水介質(zhì)隨機(jī)不均勻介質(zhì)引起聲傳播起伏,2002年南海實驗測量水溫,2001年東海實驗測量水溫,

3、9.1 聲傳播起伏簡介,1、海水介質(zhì)隨機(jī)不均勻介質(zhì)引起聲傳播起伏不均勻性的平均尺寸（不均勻相關(guān)半徑）a：定義：空間兩點間溫度起伏的相關(guān)函數(shù)下降到起始值1/e空間距離為不均勻性平均尺寸。指數(shù)型空間相關(guān)函數(shù)：高斯型空間相關(guān)函數(shù)： 高斯型克服了指數(shù)型相關(guān)函數(shù)在零點處的溫度跳躍的不合理現(xiàn)象，但當(dāng)空間距離較大時與實驗測量結(jié)果不太吻合。,9.1 聲傳播起伏簡介,1、海水介質(zhì)隨機(jī)不均勻介質(zhì)引起聲傳播起伏,在海水介質(zhì)中，除了聲速是隨機(jī)變量外，海水介質(zhì)密度也是位置的隨機(jī)函數(shù)。根據(jù)Beranek提供數(shù)據(jù)，在水中聲速起伏比密度起伏大許多，因此，通常可忽略密度起伏引起聲散射。 一般求解不均勻介質(zhì)的波動方程較困難，如果

4、海水是弱不均勻介質(zhì)，則可用Born微擾法求解，總聲場由原波和散射波迭加而成，而Rytov微擾法討論介質(zhì)起伏與聲傳播起伏的關(guān)系。,1、海水介質(zhì)隨機(jī)不均勻介質(zhì)引起聲傳播起伏 Born微擾法 當(dāng)聲壓p和聲速c都是隨機(jī)函數(shù)時，波動方程求解較困難。倘若海水是弱不均勻性介質(zhì)，則可用微擾法求解。 當(dāng)聲速的隨機(jī)變化部分遠(yuǎn)小于平均聲速時，可令則波動方程可化為： 當(dāng)聲壓的隨機(jī)變化部分遠(yuǎn)小于確定性部分時，亦有,9.1 聲傳播起伏簡介,1、海水介質(zhì)隨機(jī)不均勻介質(zhì)引起聲傳播起伏波動方程可化為：確定性部分聲壓滿足： 隨機(jī)變化部分聲壓滿足：,9.1 聲傳播起伏簡介,1、海水介質(zhì)隨機(jī)不均勻介質(zhì)引起聲傳播起伏上式為有源波動方程

5、。把 看作原波，在其作用下，不均勻介質(zhì)的每個體源均為散射波 的源頭，源強(qiáng)度Q為： 在均勻介質(zhì)中， ，不產(chǎn)生散射波。,9.1 聲傳播起伏簡介,1、海水介質(zhì)隨機(jī)不均勻介質(zhì)引起聲傳播起伏 令入射波沿x軸傳播，若原波用入射平面波代替，即代入散射波滿足的波動方程得：注意：由于介質(zhì)不均勻性的散射，上述方法只有在微擾條件下才近似正確。,9.1 聲傳播起伏簡介,9.1 聲傳播起伏簡介,2、隨機(jī)界面上的聲散射和聲傳播起伏 實際海洋是有界的，認(rèn)為海面和海底為隨機(jī)界面的有界空間。隨機(jī)海面的聲散射通常是近距離聲傳播起伏的原因，因此它是表面聲道傳播起伏的主要原因。,（1）瑞利參數(shù) 根據(jù)不平整界面的散射理論，通常用瑞利參

6、數(shù)來描述界面的垂直不平整性程度。如右圖所示， 為海面波浪偏離其平均面的垂直位移。,9.1 聲傳播起伏簡介,2、隨機(jī)界面上的聲散射和聲傳播起伏 設(shè)平面聲波以入射角 或掠射角 入射到不平整海面上時，經(jīng)海面平均平面反射的路程與經(jīng)垂直位移 的海面反射路程的程差為： 。則瑞利參數(shù)為：,判斷海面不平整程度的依據(jù),反射信號間相位差,不平整表面偏離高度均方根位移,規(guī)律：瑞利參數(shù)K隨比值 增加而增加，也隨掠射角 增加而增加。,9.1 聲傳播起伏簡介,2、隨機(jī)界面上的聲散射和聲傳播起伏,（2）海面聲散射海面散射波聲場： 鏡反射波：是散射波場中的相干分量，其振幅與入射波振幅之比定義為平均反射系數(shù)。平坦絕對軟海面的平

7、均反射系數(shù)-1；不平整海面的平均反射系數(shù)絕對值是小于1的，且隨瑞利參數(shù)K的增加而減小。 彌散散射波：其中反向散射信號組成表面混響，它是主動聲納的一種干擾信號。,（2）海面聲散射 相干參數(shù)與瑞利參數(shù)的關(guān)系：不同均方根波高下聲強(qiáng)的相干分量與總聲強(qiáng)之比隨瑞利參數(shù)的變化關(guān)系。總聲強(qiáng)=相干分量聲強(qiáng)+非相干分量聲強(qiáng)圖中虛線為函數(shù) ，與實驗值吻合較好。圖中結(jié)果表明：海面不平整性寬角聲散射減弱鏡反射信號。,9.1 聲傳播起伏簡介,2、隨機(jī)界面上的聲散射和聲傳播起伏,9.1 聲傳播起伏簡介,2、隨機(jī)界面上的聲散射和聲傳播起伏,（2）海面聲散射隨機(jī)不平整界面的聲波散射求解的近似處理方法： 小波高、小斜率界面條件下

8、的微擾近似方法； 大不平整界面、界面變化平緩條件下的克希荷夫近似方法。,9.1 聲傳播起伏簡介,3、內(nèi)波引起的聲傳播起伏,（1）內(nèi)波傳播速度海洋內(nèi)波是在海洋介質(zhì)內(nèi)部傳播的重力波。兩層液體介質(zhì)在受外界壓力驅(qū)動時，液體元運動偏離原來分界面，但受到重力的恢復(fù)力作用，發(fā)生上下振動引起的波動沿兩層液體界面?zhèn)鞑?，即是海洋?nèi)波。內(nèi)波相速是表面波相速的百分之幾，內(nèi)波是沿海洋內(nèi)部截面緩慢運動重力波。內(nèi)波一般發(fā)生在密度變化大海水層中。,9.1 聲傳播起伏簡介,3、內(nèi)波引起的聲傳播起伏,（1）內(nèi)波傳播速度 按照兩層液體模型（Lamb模型）求得內(nèi)波相速度等于其中 ，g為重力加速度。 當(dāng) 時，類似于空氣與水組成的兩層介

9、質(zhì)，得小波高表面波浪的相速度。,9.1 聲傳播起伏簡介,3、內(nèi)波引起的聲傳播起伏,（2）內(nèi)波頻率內(nèi)波頻率介于慣性頻率和Brunt-Vaisala頻率之間。運動物體的慣性頻率：其中 為地球自轉(zhuǎn)角速度， 為緯度。Brunt-Vaisala頻率：是指海洋中液體微元的自由振動頻率，它表示海洋介質(zhì)的分層性質(zhì)。,9.1 聲傳播起伏簡介,3、內(nèi)波引起的聲傳播起伏,（3）聲傳播起伏簡介 高頻、近程聲傳播：振幅和相位起伏具有相同的時間尺度，起伏原因主要是溫度結(jié)構(gòu)（湍流）和界面的隨機(jī)不均勻性； 低頻/遠(yuǎn)程聲傳播：振幅和相位起伏具有不同的時間尺度（相位穩(wěn)定，振幅起伏很快），起伏原因主要是內(nèi)波。,9.1 聲傳播起伏簡

10、介,3、內(nèi)波引起的聲傳播起伏,（3）聲傳播起伏簡介國外學(xué)者根據(jù)射線近似方法，計算相位起伏譜結(jié)果與實驗結(jié)果符合好，振幅強(qiáng)度起伏計算結(jié)果與實測結(jié)果不符。國內(nèi)開展了黃海海區(qū)尖銳負(fù)躍層的淺海內(nèi)波和聲起伏實驗測量，說明內(nèi)波與聲振幅起伏明顯有關(guān)。上面計算的是單一路徑的起伏，對于遠(yuǎn)距離，需考慮多路徑信號迭加（統(tǒng)計）。 內(nèi)波聲場海洋內(nèi)波動力過程,9.2 聲傳播起伏對聲納測量精度的影響,1、信號起伏引起測向誤差,雙基元相位測向法原理：,9.2 聲傳播起伏對聲納測量精度的影響,1、信號起伏引起測向誤差,信號相位起伏引起基元接收信號的相位差：,當(dāng)距離d遠(yuǎn)小于聲傳播距離R，則可得：,相位相關(guān)函數(shù),9.2 聲傳播起伏對

11、聲納測量精度的影響,1、信號起伏引起測向誤差,由相位差 引入的方向角 的偏差 是隨機(jī)變量，有：,測向的偏差：,9.2 聲傳播起伏對聲納測量精度的影響,1、信號起伏引起測向誤差,由上式可知：（1）當(dāng)信號 入射時，由信號相位起伏引入的測向誤差最??；（2）當(dāng)信號 入射時，由信號相位起伏引入的測向誤差很大；（3）增大基元間距d，可以使測向誤差減小，但相關(guān)系數(shù) 隨d增大而下降，應(yīng)選擇合適d值；（4）測向誤差與介質(zhì)不均勻性引起的相位起伏成正比，即測向誤差與傳播距離的平方根成正比。,9.2 聲傳播起伏對聲納測量精度的影響,2、信號起伏引起測距誤差,由余弦定理可得：,當(dāng)測量距離 時，近似可得：,9.2 聲傳播

12、起伏對聲納測量精度的影響,2、信號起伏引起測距誤差,2號基元和1號基元接收信號時間差,3號基元和2號基元接收信號時間差,上述兩式相減得到：,令 ，則得三基元被動測距公式：,9.2 聲傳播起伏對聲納測量精度的影響,2、信號起伏引起測距誤差,由測距公式可得：,則可得：,測距誤差為：,9.2 聲傳播起伏對聲納測量精度的影響,2、信號起伏引起測距誤差,測距的相對誤差等于：,由此可見， 與距離R成正比，與基元間距的平方成正比； 與角 有關(guān)，在基元連線的垂直方向上相對誤差最小，還與時間差的測量偏差 有關(guān)。 下面討論海面隨機(jī)起伏引入的時差偏差及其測距相對誤差。,9.2 聲傳播起伏對聲納測量精度的影響,2、信

13、號起伏引起測距誤差,考慮單頻信號，時間偏差是由信號相位差的起伏偏差所引起的，即：,第i號基元接收信號相位起伏量,9.2 聲傳播起伏對聲納測量精度的影響,2、信號起伏引起測距誤差,根據(jù)海面散射場的相關(guān)特性，可求得接收信號的相位起伏的空間相關(guān)系數(shù)。若陣元間距大于海面起伏的空間相關(guān)半徑，可求得平面三基元直線陣的測距相對誤差：,接收信號的相位起伏方差,當(dāng) 時，誤差的最小值：,9.2 聲傳播起伏對聲納測量精度的影響,2、信號起伏引起測距誤差,根據(jù)隨機(jī)界面聲散射理論可知， 與隨機(jī)界面的瑞利參數(shù)有關(guān)，即：,討論：減小陣元間距或降低頻率，將會增大測距誤差； 與d平方成反比，在信號場空間相關(guān)半徑的范圍內(nèi)，可以用加寬基元之間的距離d來提高測距精度。,作業(yè),請簡述引起海水中聲傳播起伏的主要因素有哪些？通常我們采用什么參數(shù)來描述海水界面的垂直不平整度？并寫出該參數(shù)的表達(dá)式？聲傳播起伏對聲納測量精度的影響主要表現(xiàn)哪些方面？,