起伏海底掩埋目標(biāo)聲散射特性數(shù)值仿真

于福建, 王 斌, 張培珍

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起伏海底掩埋目標(biāo)聲散射特性數(shù)值仿真

于福建1, 王 斌2, 張培珍3

(1.中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院 水聲對(duì)抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京, 100094; 2.上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海, 200240; 3.廣東海洋大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 廣東 湛江, 524088)

基于COMSOL多物理場(chǎng)平臺(tái)下的有限元數(shù)值計(jì)算方法, 完成收發(fā)分置條件下掩埋彈性目標(biāo)聲散射數(shù)值計(jì)算。運(yùn)用高斯譜法建立起伏海底模型, 給出粗糙海底起伏高度、相關(guān)長(zhǎng)度、掠射角等參數(shù)對(duì)掩埋目標(biāo)聲場(chǎng)特性的影響。結(jié)果表明, 在單一方向入射多點(diǎn)線陣上接收, 計(jì)算得到收發(fā)分置的信混比呈現(xiàn)起伏特性: 平坦或小起伏海底前向波形振蕩劇烈且呈現(xiàn)準(zhǔn)周期性, 隨著海底粗糙程度增加, 起伏的規(guī)律性逐漸消失。當(dāng)聲波垂直照射海底時(shí), 海底起伏的相關(guān)長(zhǎng)度變化對(duì)散射能量瑞利方差影響較大, 而幾乎不改變?nèi)鹄?。斜入射時(shí), 相關(guān)長(zhǎng)度和起伏高度均是影響瑞利方差和均值的主要因素。研究成果為海底掩埋目標(biāo)聲探測(cè)提供了參考依據(jù)。

起伏海底; 掩埋目標(biāo); 聲散射; 收發(fā)分置

0 引言

沉底水雷、海底管路、海底沉物等的探測(cè)和識(shí)別是水聲技術(shù)中的一大難題, 其原因是靜止目標(biāo)往往和海底界面渾然一體, 目標(biāo)回波與海底界面的強(qiáng)混響難以區(qū)分。非均勻海底的散射和海底透射是影響目標(biāo)聲波散射特性的主要因素, 特別是當(dāng)目標(biāo)和界面粗糙度的均方高度以及波長(zhǎng)可比擬時(shí), 粗糙海底混響以及沉積層的衰減特性嚴(yán)重影響了目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別。針對(duì)目標(biāo)體散射和隨機(jī)粗糙面散射這2類目標(biāo), 已有的研究成果將2類散射問題分別單獨(dú)考慮, 或者將海底視為平坦界面條件下, 分析界面附近目標(biāo)特性[1-3]。然而, 真實(shí)的海底不是絕對(duì)光滑的, 可以看成符合特定概率密度分布的隨機(jī)粗糙表面, 采用統(tǒng)計(jì)參數(shù)來描述, 如均方根高度、相關(guān)長(zhǎng)度和分維數(shù)等。用于解決粗糙海底散射問題的經(jīng)典方法有基于Rayleigh假設(shè)的微擾法[4]、Kirchhoff近似法[5]、小斜率近似理論[6-7], 在流-固界面條件下將微擾理論和Kirhchoff近似結(jié)合的雙尺度方法[8]、消光定理[9], 以及雙基地海底散射模型仿真[10]等方法。至今為止, 針對(duì)平坦界面下目標(biāo)散射問題取得了一定的進(jìn)展, 用于解決非平滑海底界面附近目標(biāo)高效目標(biāo)散射的求解尚有待研究。文中基于COMSOL多物理場(chǎng)平臺(tái), 構(gòu)建海底和目標(biāo)聯(lián)合的二維聲場(chǎng)模型, 解釋海底起伏對(duì)掩埋目標(biāo)聲散射特性的影響。得到隨入射角、起伏參數(shù)變化的收發(fā)分置目標(biāo)散射能量的統(tǒng)計(jì)變化規(guī)律。

1 掩埋目標(biāo)聲散射數(shù)值模型

假定無限長(zhǎng)柱體目標(biāo)掩埋于海底, 柱體半徑為1 m, 入射聲波頻率為1 kHz, 計(jì)算聲場(chǎng)區(qū)域面積為60 m×30 m, 掩埋深度距離海底平面2 m。接收信號(hào)換能器位于距離海底4 m的線陣。二維掩埋彈性目標(biāo)聲場(chǎng)模型如圖1所示。其中圖1(a)為幾何視圖, 圖1(b)為COMSOL平臺(tái)構(gòu)建的聲固耦合模型。物理場(chǎng)中背景場(chǎng)、沙層及目標(biāo)區(qū)域采用三角網(wǎng)格剖分, 最大網(wǎng)格為波長(zhǎng)的1/6, 周圍完美匹配層有上下2種材質(zhì)構(gòu)成, 海底邊界上方為水, 下方為沙。采用6層的矩形掃掠網(wǎng)格。

考慮到指向性聲源可以大幅度提高信混比, 入射聲波采用錐形波[11], 其表達(dá)式為

其中

假定海底為非彈性且密度均勻介質(zhì), 目標(biāo)及周圍介質(zhì)聲學(xué)參數(shù)見表1。

表1 目標(biāo)及周圍介質(zhì)聲學(xué)參數(shù)

為了模擬更為真實(shí)的海底場(chǎng)景, 利用高斯譜法產(chǎn)生一維高斯型粗糙海底, 設(shè)置界面的起伏高度()和相關(guān)長(zhǎng)度()。建立起伏海底下掩埋目標(biāo)二維聲場(chǎng)模型。圖2給出了根據(jù)式(1)繪制的入射波背景場(chǎng), 其中=11.25 m, 海底起伏參數(shù):=0.158 m;=0.5 m。

2 收發(fā)分置散射特性仿真分析

圖3~圖5依次給出垂直入射和入射掠射角為60°時(shí)的平坦海底, 弱起伏海底(起伏參數(shù):=0.158 m;=0.5 m)、強(qiáng)起伏海底(起伏參數(shù):=1.58 m;=5 m)條件下海底散射聲壓分布。

針對(duì)不同海底狀況, 依次改變?nèi)肷渎由浣菫?0°, 50°, 60°, 70°, 80°, 90°, 計(jì)算與海底垂直距離4 m的線陣(圖1)不同位置上的信混比, 如圖6所示?？梢钥闯? 當(dāng)海底平坦或起伏較小時(shí), 線陣不同位置上的信混比在前向方位的幅度起伏范圍相比后向更大, 且隨距離變化呈現(xiàn)準(zhǔn)周期性波動(dòng), 掠射角越小, 信混比起伏周期越小振蕩越快。這一特性隨著海底粗糙程度的增加逐漸消失。

3 聲散射特性統(tǒng)計(jì)特性分析

固定掠射角, 隨機(jī)生成粗糙界面100次, 求解圖1所示線陣上目標(biāo)散射強(qiáng)度。為了得到受起伏界面影響的目標(biāo)聲散射特性的統(tǒng)計(jì)特性, 將分析線陣上各點(diǎn)能量之和的概率分布。即相關(guān)長(zhǎng)度、起伏高度、掠射角固定, 可得到根據(jù)100次計(jì)算結(jié)果得到1條關(guān)于散射能量的概率分布密度函數(shù), 如圖7所示?？梢钥闯? 斜入射和垂直發(fā)射聲波, 得到的散射能量服從瑞利分布。當(dāng)垂直照射海底時(shí), 海底起伏的相關(guān)長(zhǎng)度變化對(duì)瑞利方差影響較大, 而幾乎不改變?nèi)鹄怠Ｐ比肷鋾r(shí), 相關(guān)長(zhǎng)度和起伏高度均是影響瑞利方差和均值的主要因素。

4 結(jié)束語

文中以二維聲場(chǎng)中彈性目標(biāo)為例, 針對(duì)起伏海底下方目標(biāo)聲散射特性的數(shù)值計(jì)算, 分析不同方向掠射角照射條件下的聲場(chǎng)分布特性, 并得出收發(fā)分置掩埋目標(biāo)回波受粗糙界面影響產(chǎn)生的起伏規(guī)律。相應(yīng)的成果可以拓展應(yīng)用于復(fù)雜背景下掩埋目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別。由于聲場(chǎng)計(jì)算區(qū)域較大, 特別是海底起伏加大了邊界處的網(wǎng)格剖分自由度的數(shù)量, 導(dǎo)致基于有限元的網(wǎng)格剖分技術(shù)計(jì)算量巨大, 難以在高頻、寬帶、三維目標(biāo)散射特性預(yù)報(bào)的實(shí)際工程中實(shí)現(xiàn)。特別是隨著起伏的增強(qiáng), 僅通過單一的散射數(shù)據(jù)不足以描述聲場(chǎng)特性, 此時(shí)需要整合目標(biāo)散射、海底散射及面體耦合散射模型, 進(jìn)一步對(duì)海底掩埋目標(biāo)散射特征的統(tǒng)計(jì)分析。

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Numerical Simulation on Acoustic Scattering Characteristics of Targets Buried in Fluctuating Seabed

YU Fu-jian1, WANG Bin2, ZHANG Pei-zhen3

(1.Science and Technology on Underwater Acoustic Antagonizing Laboratory, Systems Engineering Research Institute of China State Shipbuilding Corporation, Beijing 100094, China; 2.State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 3.College of Electronic and Information Engineering, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China)

The acoustic scattering of buried elastic target under the bistatic condition is numerically calculated with the finite element method(FEM) on the COMSOL multi-physical field platform.A fluctuating seabed model is established by Gaussian spectrum method, and then the effects of fluctuation height, correlation length, grazing angle and other parameters on the acoustic characteristic of buried targets are obtained.The results show that the echo-to-reverberation ratio of the bistatic is fluctuant when sound enters in single direction while is received on a multi-point linear array.That is, for flat or gently fluctuating seabed, the forward waveform oscillates violently and presents quasi-periodicity, but the regularity of the echo-to-reverberation ratio fluctuation gradually disappears with the increase of seabed roughness.When a sound wave irradiates the seabed vertically, the variation of the correlation length of seabed fluctuation has a significant influence on the Rayleigh variance of the scattering energy, but has little effect on Rayleigh mean.If a sound wave enters obliquely, the correlation length and fluctuation height are the main factors affecting the Rayleigh variance and mean value.These results may provide a reference for acoustic detection of buried targets in seabed.

fluctuating seabed; ried target; acoustic scattering; bistatic

TJ617; O427.2

A

2096-3920(2018)06-0533-04

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.06.004

2018-07-19;

2018-08-01.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目資助(2016YFC1400206); 水聲對(duì)抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目資助(SSDKKFJJ-20160206).

于福建(1990-), 男, 碩士, 工程師, 主要研究方向?yàn)樗暪こ?

于福建, 王斌, 張培珍, 等.起伏海底掩埋目標(biāo)聲散射特性數(shù)值仿真[J].水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2018, 26(6): 533-536.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)