起伏海底掩埋目标声散射特性数值仿真

于福建, 王 斌, 张培珍



起伏海底掩埋目标声散射特性数值仿真

于福建1, 王 斌2, 张培珍3

(1.中国船舶工业系统工程研究院 水声对抗技术重点实验室, 北京, 100094; 2.上海交通大学 海洋工程国家重点实验室, 上海, 200240; 3.广东海洋大学 电子与信息工程学院, 广东 湛江, 524088)

基于COMSOL多物理场平台下的有限元数值计算方法, 完成收发分置条件下掩埋弹性目标声散射数值计算。运用高斯谱法建立起伏海底模型, 给出粗糙海底起伏高度、相关长度、掠射角等参数对掩埋目标声场特性的影响。结果表明, 在单一方向入射多点线阵上接收, 计算得到收发分置的信混比呈现起伏特性: 平坦或小起伏海底前向波形振荡剧烈且呈现准周期性, 随着海底粗糙程度增加, 起伏的规律性逐渐消失。当声波垂直照射海底时, 海底起伏的相关长度变化对散射能量瑞利方差影响较大, 而几乎不改变瑞利均值。斜入射时, 相关长度和起伏高度均是影响瑞利方差和均值的主要因素。研究成果为海底掩埋目标声探测提供了参考依据。

起伏海底; 掩埋目标; 声散射; 收发分置

0 引言

沉底水雷、海底管路、海底沉物等的探测和识别是水声技术中的一大难题, 其原因是静止目标往往和海底界面浑然一体, 目标回波与海底界面的强混响难以区分。非均匀海底的散射和海底透射是影响目标声波散射特性的主要因素, 特别是当目标和界面粗糙度的均方高度以及波长可比拟时, 粗糙海底混响以及沉积层的衰减特性严重影响了目标的探测和识别。针对目标体散射和随机粗糙面散射这2类目标, 已有的研究成果将2类散射问题分别单独考虑, 或者将海底视为平坦界面条件下, 分析界面附近目标特性[1-3]。然而, 真实的海底不是绝对光滑的, 可以看成符合特定概率密度分布的随机粗糙表面, 采用统计参数来描述, 如均方根高度、相关长度和分维数等。用于解决粗糙海底散射问题的经典方法有基于Rayleigh假设的微扰法[4]、Kirchhoff近似法[5]、小斜率近似理论[6-7], 在流-固界面条件下将微扰理论和Kirhchoff近似结合的双尺度方法[8]、消光定理[9], 以及双基地海底散射模型仿真[10]等方法。至今为止, 针对平坦界面下目标散射问题取得了一定的进展, 用于解决非平滑海底界面附近目标高效目标散射的求解尚有待研究。文中基于COMSOL多物理场平台, 构建海底和目标联合的二维声场模型, 解释海底起伏对掩埋目标声散射特性的影响。得到随入射角、起伏参数变化的收发分置目标散射能量的统计变化规律。

1 掩埋目标声散射数值模型

假定无限长柱体目标掩埋于海底, 柱体半径为1 m, 入射声波频率为1 kHz, 计算声场区域面积为60 m×30 m, 掩埋深度距离海底平面2 m。接收信号换能器位于距离海底4 m的线阵。二维掩埋弹性目标声场模型如图1所示。其中图1(a)为几何视图, 图1(b)为COMSOL平台构建的声固耦合模型。物理场中背景场、沙层及目标区域采用三角网格剖分, 最大网格为波长的1/6, 周围完美匹配层有上下2种材质构成, 海底边界上方为水, 下方为沙。采用6层的矩形扫掠网格。

考虑到指向性声源可以大幅度提高信混比, 入射声波采用锥形波[11], 其表达式为

其中

假定海底为非弹性且密度均匀介质, 目标及周围介质声学参数见表1。

表1 目标及周围介质声学参数

为了模拟更为真实的海底场景, 利用高斯谱法产生一维高斯型粗糙海底, 设置界面的起伏高度()和相关长度()。建立起伏海底下掩埋目标二维声场模型。图2给出了根据式(1)绘制的入射波背景场, 其中=11.25 m, 海底起伏参数:=0.158 m;=0.5 m。

2 收发分置散射特性仿真分析

图3~图5依次给出垂直入射和入射掠射角为60°时的平坦海底, 弱起伏海底(起伏参数:=0.158 m;=0.5 m)、强起伏海底(起伏参数:=1.58 m;=5 m)条件下海底散射声压分布。

针对不同海底状况, 依次改变入射掠射角为40°, 50°, 60°, 70°, 80°, 90°, 计算与海底垂直距离4 m的线阵(图1)不同位置上的信混比, 如图6所示。可以看出, 当海底平坦或起伏较小时, 线阵不同位置上的信混比在前向方位的幅度起伏范围相比后向更大, 且随距离变化呈现准周期性波动, 掠射角越小, 信混比起伏周期越小振荡越快。这一特性随着海底粗糙程度的增加逐渐消失。

3 声散射特性统计特性分析

固定掠射角, 随机生成粗糙界面100次, 求解图1所示线阵上目标散射强度。为了得到受起伏界面影响的目标声散射特性的统计特性, 将分析线阵上各点能量之和的概率分布。即相关长度、起伏高度、掠射角固定, 可得到根据100次计算结果得到1条关于散射能量的概率分布密度函数, 如图7所示。可以看出, 斜入射和垂直发射声波, 得到的散射能量服从瑞利分布。当垂直照射海底时, 海底起伏的相关长度变化对瑞利方差影响较大, 而几乎不改变瑞利均值。斜入射时, 相关长度和起伏高度均是影响瑞利方差和均值的主要因素。

4 结束语

文中以二维声场中弹性目标为例, 针对起伏海底下方目标声散射特性的数值计算, 分析不同方向掠射角照射条件下的声场分布特性, 并得出收发分置掩埋目标回波受粗糙界面影响产生的起伏规律。相应的成果可以拓展应用于复杂背景下掩埋目标的探测与识别。由于声场计算区域较大, 特别是海底起伏加大了边界处的网格剖分自由度的数量, 导致基于有限元的网格剖分技术计算量巨大, 难以在高频、宽带、三维目标散射特性预报的实际工程中实现。特别是随着起伏的增强, 仅通过单一的散射数据不足以描述声场特性, 此时需要整合目标散射、海底散射及面体耦合散射模型, 进一步对海底掩埋目标散射特征的统计分析。

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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.

国家重点研发计划项目资助(2016YFC1400206); 水声对抗技术重点实验室项目资助(SSDKKFJJ-20160206).

于福建(1990-), 男, 硕士, 工程师, 主要研究方向为水声工程.

于福建, 王斌, 张培珍, 等.起伏海底掩埋目标声散射特性数值仿真[J].水下无人系统学报, 2018, 26(6): 533-536.

(责任编辑: 陈 曦)