2005黄海实验混响信号垂直相关特性分析——分层海底模型和声速频散现象.pdfVIP

2005黄海实验混晌信号垂直相关特性分析 ——分层海底模型与声速频散现象 高伟王宁高大治 (中国海洋大学物理系青岛266071) onReverberationVerticalCoherencefromYellowSea 2005 Analysis Experiment Gao Da-zhi Wei，WangNing，Gao (Departmentofphysics，OceanUniversityofChina,Qingdao266071) 引言 浅海混响一般认为主要是由海底散射引起的，它一方面是影响浅海主动声纳性能的噪声，另一方面又 是包含有大量海底环境信息的信号。近年来对浅海混响垂直相关特性及其利用混响垂直相关反演海底参数 的研究“11成为海洋声学研究的热点之一。本文分析2005黄海实验混响信号的垂直相关特性并反演海底声 速等参数，数据处理发现：研究频段内声速反演值随频率增加而减小的频散现象。为了解释这一现象，我 们假设一种两层海底模型，结果证明：该模型可有效地减小理论值与实验值的误差，合理地解释上述现象。 1．理论基础 我们首先简要回顾浅海远程混响垂直相关的一些理论结果。文献[1]根据射线简正波理论，给出了满 足可分离海底散射模型(Lambertmodel)的混响垂直相关理论计算公式： ∑o。(o】)鬈(乞)①。(刁2)sin(％)P_2“7，k C (1) 其中：中。0)是简正波本征函数，，‘是水平波数，成是简正波衰减，口是掠射角，以是简正波在散射 元附近分解得到的上行波和下行波的幅度。文献[4】给出一种以的近似表达式： 稚，=扣2卅去(警 ㈤ 等)就可以计算得到不同深度混响信号之间的垂直相关系数。 2．混响垂直相关及参数反演 爆炸声源，声源深度25米，采样频率12KHz，实验海域海深约36米，声速剖面如图I所示。 我们采用中心频率为‘的i／3倍频程时域滤波的方法对混响实验数据进行处理，然后对滤波后的数据 采用下式计算t时刻两个不同深度水听器的垂直相关系数； Ft+At／2 -I rH．Af，2 t+At／2 1—1 (3) 吒=l∑pl(t)P2(t)IxI∑p㈨∑西(z)I 其中一对水听器数据处理结果如图2中实线所示，水听器深度分别为18．9m和21．9Ⅲ，混晌时间2-10s， 时间间隔At=200ms。中心频率分别为200Hz、500Hz和1KHz。 下面我们通过匹配混响垂直相关理论结果与实验数据反演海底参数。定义不同时刻垂直相关实验值与 理论值的均方误差为代价函数： F= (4) 魇I面五面2 o 1850]m／s，衰减系数口∈[0．01，0．60]×厂ldB／m变化区间内使代价函数F最小的一组C和口的值被接受 为反演最佳值。其中100一IKHz频段内的反演结果见表1。根据表I反演结果计算的垂直相关理论值如图2 点线所示。从表l可以看出：频段内衰减系数反演值近似为频率的线性关系，约为0．05×f“dB／m；而声 ’73 的增加，声速变低；高频简正波穿透深度小，结果等效的声速也变低；反之，低频等效声速高。为验证这 对应的混响垂直相关均方误差(点线)比较结果见图3。LM模型对应