粗糙海底波导中信号的时间反转时空聚焦.pdf

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1、第42卷第7-8期2012年7月中国海洋大学学报PERIODICALoFOCEANUNIVERslTYOFCHINA42(7—8)：178～182July，2012粗糙海底波导中信号的时间反转时空聚焦。于小涛，彭临慧，郭双乐(00国海洋大学信息科学与工程学院，山东青岛266100)摘要：对粗糙海底波导中信号的时间反转时空聚焦进行仿真研究。利用数值计算分析不同海底粗糙度融vIS(平均起伏高度)下的聚焦效果，并与平整海底时作比较。研究结果表明：在本研究计算参数范围内，粗糙海底的RMS越大散射强度越大，信号在

2、声源处的时间反转时空聚焦效果比平整海底时稍有减弱，但随着RMS增大无明显减弱。因此；时间反转技术适用于粗糙海底波导中的目标探测。关键词：粗糙海底；散射场；时间反转；时空聚焦中图法分类号：T135文献标志码：A文章编号：1672—5172(2012)7—8—178—05实际的浅海环境中，海底界面一般是粗糙的，信号除直达波与界面镜反射波外，还有粗糙海底引起的界面散射。+由于粗糙海底的散射，粗糙海底波导中的声场可以看作是平均场(相干场)与散射场(非相干场)的叠加[1‘2]。散射信号在时域上有一定的扩展，与相干

3、信号叠加。并且，在本文计算参数范围内，随着海底RMS增大，平均场减弱，散射场增强，降低了信号／混响比(信混比)，对目标回波的提取造成很大困难。平整海底时，时间反转技术可以很好的抵消波导对于信号的影响，实现信号在声源或目标位置的重新聚焦，这个特性被广泛应用。本文将时间反转技术用于粗糙海底波导中信号的时空聚焦，利用OASES模型[3]，通过数值计算，探究了不同粗糙海底RMS下信号的时反聚焦性能。Fink在超声学中首先提出了时间反转技术，并将理论发展成熟[4]。Kuperman等人将时间反转引入海洋声学中，作

4、了大量工作，先后做过4次实验[5。7]，将时间反转技术广泛应用。并通过这些实验，利用时间按反转技术实现了海底处混响的聚焦陪9]及混响抑制[10-11]。相关研究以时反的性质验证和应用为主，对不同的海底粗糙度时，时间反转技术能否实现信号聚焦没有做具体研究。本文在以上工作基础上，做了更深人的研究，建立了随机粗糙海底的仿真模型，将时间反转技术应用于粗糙海底波导中，实现了粗糙海底波导中信号的时间反转时空聚焦，并得到聚焦效果随着RMS增大无明显减弱。因此，适用于平整海底的时反应用得以推广到粗糙海底的情况。1粗糙海

5、底散射降低信混比为了与时反聚焦信号比较，首先分析粗糙海底散射对于波导中信号传播的影响，并分析海底散射信号随RMS的变化。●：×●’P，c【一．：多≮●VRA：·SRA●●●●-■L“⋯’l⋯歹-一)’·---’歹’，>y：’1j。，y图1波导仿真示意图Fig．1DiagramOfthesimulationofwave．guide以粗糙海底界面的Pekeris波导为例(见图1)，水体密度101=1g／crIl3，声速c。一1500m／s，海底密度胁=2．2g／cm3，纵波波速c2。=2500m／s，横波波

6、速C2，=800m／s，纵波衰减系数口。=o．1删A，横波衰减系数仉一0．2dB以。海底界面粗糙谱为一维Ooff-Jordan谱[12]，其相关函数G(X)=／-FG(r(X))／G(O)，其中r(X)一[X丁(Ⅸ]，Gu(r)一一K。(r)，o≤r

7、。平均起伏高度分别取RMS=0、0．5、1、1．5m，相关距离CL=i0m，u=O。水深为100m，探测源PS深度50m，在距离PS为lkm的水平距离上放置一个时间反转阵SRA，将垂直接收阵VRA放置在PS所在的距离上，两者都由9个收发合置的换能器组成。VRA与SRA中心深度都是50m，各个水听器间隔10m。图2为发射信号，中心频率100Hz，带宽100Hz，长度为0．8S。·基金项目：声纳技术国防科技重点实验室开放基金项目(KF201005)；国家自然科学基金项目(46976019)资助收稿日期：20

8、11-05—23；修订日期：2011—10一15作者简介：于小涛(1987一)，男，硕士生。E-mail：xtisgod@163．corn78期于小涛．等：粗糙海底波导中信号的B；ff．J反转时空聚焦图2探测源PS的发射信号Fig．2Launchedsignalofprobesourceps．本文引用的0ASES计算模型是由MIT海洋中心的声学组和SACLANTCEN建立。基于Makris的波数积分方法[1418]，融合了分层介质中不平整界