仿真分析报告1

第1题 基于声线声学理论的均匀分布浅海环境中的

声场预报

1. 传播损失和传播时间

如图1.1所示，声速均匀分布的浅海模型，海深为H ，声源位于点01O ，深度为0z ，接收点位于),(z r 。

02

O 01

O 03

O 04

O z

图1.1 浅海虚源图像及其反射声线

假设海面0=z 为绝对软界面，海底H z =为绝对硬界面，即满足：

)0(0

==z p

)(0H z z p H

z ==⎪

⎭⎫

⎝⎛∂∂=

由于声速分布均匀，根据射线声学理论，声线不会发生弯曲，所以可以根据虚源法进行计算。根据虚源法可得，声场中的声压为：

⎥⎦

⎤

⎢⎣⎡--+-=∑∞

=443322110)exp()exp()exp()exp()1(n n n n n n n n n n R jkR R jkR R jkR R jkR P

其中，2

21ni

n z r R +=n=0，1，2…，∞，i=1，2，3，4

z z Hn z n -+=012

z z n H z n --+=02)1(2 z z Hn z n ++=032 z z n H z n +-+=04)1(2

则传播损失可以表示为：

1

lg

20P P TL r

= 传播时间可以表示为：

/c R t ni ni =n=0，1，2…，∞，i=1，2，3，4

其中，0c 为声速值，传播损失仿真结果如图1.2所示。

仿真条件为：海深m H 100=，声源深度m z 300=，接收点深度m z 20=，发射频率Hz f 1000=和Hz f 4000=，声速s m c /15000=，n=0，1，2…30。

(a) Hz f 1000= (b) Hz f 4000=

图1.2 声速均匀分布的浅海声传播损失图

传播时间仿真结果如图1.3所示，仿真条件为：海深m H 100=，声源深度m z 300=，接收点深度m z 20=，接收点与声源距离m r 30=，声速s m c /15000=， n=0，1，2 (5)

图1.3 声速均匀分布的浅海声传播时间图

从仿真结果可以看出，为了得到稳定的结果，虚源的个数要取得足够多，当计入声线或简正波之间的相干贡献时，得到的传播损失图是围绕着某一条平均曲线上下波动的，并且这种相干具有一定的周期结构，而这条平均曲线就是只计入声线或简正波的非相干迭加的结果，但传播损失随距离的增加总体上是增大的。传播损失曲线随发射频率的增大，震荡得越剧烈，这是因为频率高时，波导中存在的简正波个数增多，存在更多阶的简正波之间的干涉，干涉尺度大为减小造成的。

2. 信道的冲激响应和传输函数

对接收点有贡献的是本征声线，所谓本征声线是指声源发出的通过接收点的一簇声线，它们的声线参数决定了信道滤波器的系统函数。假设对接收点声场有贡献的共有N 个途径，并且每个途径是无色散的，所以每个途径的冲激响应函数均为Dirac 函数，第i 途径的冲激响应函数为)(i i A ττδ-。i A ，i τ为本征声线的参数，分别为声线的幅度和传播时延。则信道的冲激响应函数可以表示为：

)()(1i N

i i t A t h τδ-=∑=

对上式进行傅里叶变换，可得到信道的频率响应为：

∑=-=N

i j i i e A H 1

)(ωτω

信道的冲激响应函数和传输函数仿真结果如图1.4所示，仿真条件为：海深

m H 50=，声源深度m z 100=，接收点深度m z 30=，接收点与声源距离m r 30=，

声速s m c /1500

图1.4 声速均匀分布的浅海声信道的冲激响应函数和传输函数 从冲激响应函数中可以明显的看出，接收信号是每四个为一组的。在这里应该注意的是，采样频率要取得足够大，提高时间分辨率，区分出每一个多途对声场的贡献。信道的频率响应相间地出现子通带和子阻带，称为“梳状滤波器”，该滤波器的幅频响应像“梳子”一样。多途干扰使接收信号波形异于源辐射信号，相应地接收信号的频谱也会不同于源信号。信道对波形和频谱的变换，造成波形和频谱的畸变，这对水声信号处理有重大影响。

3.浅海水声信道中的拷贝相关器和互相关器性能

拷贝相关器的原理框图如图1.5所示。由上面的分析可知，信道的冲激响应函数为：

)()(1

i N

i i t A t h τδ-=∑=

)

(*τ+t z

z )

(t n 图1.5 拷贝相关器原理图

设发射信号为)(t z ，则接收点接收到的信号应为：

)

()()

()(*)()()(*)()()(1

1

t n t z A t n t A t z t n t h t z t n t s N

i i i i N

i i +-=+-=+=+∑∑==ττδ

如果认为信号和噪声是不相关的，则拷贝相关器输出的信号可以表示为：

∑∑==+=+-=+⋅=+⋅+=N

i i i N

i i i A t z t z A t z t s t z t n t s R 1

1

**

*

)

0,()

()()()()()]()([)(ττχτττττ

其中，⋅表示取系综平均，当信号取得足够长时，用时间平均代替系综平均，)(⋅χ表示信号的模糊度函数。

拷贝相关器的输出结果如图1.6所示，仿真条件：采用CW 脉冲和LFM 脉冲两种发射信号进行仿真，海深m H 100=，声源深度m z 100=，接收点深度

m z 30=，接收点与声源距离m r 100=，发射CW 脉冲频率 Hz f 4000=，LFM

脉冲频率Hz 400~0，采样频率Hz f s 10000=，脉冲周期0.1s ，占空比0.3，观察信号时间长度1s ，声速s m c /15000=， n=0，1，2 (5)