利用声辐射模态重构任意目标的散射声场

利用声辐射模态重构任意目标的散射声场

鱼海涛;王英民;王奇

【摘要】水下目标散射声场的重构可以作为水下目标散射特性的研究基础.本文主要利用声辐射模态对水下目标进行散射声场重构研究.首先,在借助声传递矩阵给出的任意结构声辐射模态的流体域求解方法基础上,通过理论证明了目标的散射声压与声辐射模态具有函数关系.其次,借助声场分布模态的概念,同时考虑到声场分布模态病态及声压测量易受噪声污染,提出基于声辐射模态的正则化散射声场重构算法.仿真结果表明,波数越低,重构所需声辐射模态阶数越少,在较高波数时仅需总模态数的大约20％即可对声场进行重构.与基于边界元的声场重构算法相比,计算量减小了至少80％,且克服了赫姆霍兹积分方程最小二乘法仅对球壳结构的重构效果较好而不适用于长条形结构重构的缺陷.%The acoustic scattering field reconstruction of underwater targets can be taken as the basis of the underwater targets scattering characteristic research.Applying acoustic radiation modes (ARM) to the acoustic scattering reconstruction of underwater targets is the main focus of the paper.Firstly,based on the ARM solving method of arbitrary structures in fluid domain,which is with the aid of acoustic transfer matrix (ATM),it was theoretically demonstrated that there was functional relationship between scattering pressure of targets and ARM.Secondly,by means of the concept of the acoustic field distribution modes and due to the ill-conditioned property of acoustic field distribution modes and the noisy contamination of acoustic pressure measurements,the regularization reconstruction algorithm of acoustic scattering field based on ARM was proposed.Simulation results show that the order number of ARM needed

for reconstruction is smaller for the lower wavenumber and that only about 20％ of the total modes number can complete the reconstruction for the higher wavenumber.Hence,compared with the BEM based reconstruction algorithm,the computational amount of the ARM based one is reduced to at least four-fifths.And the drawback of Helmholtz equationleast squares (HELS) which has a better construction results for spherical structures but not for strip shaped structures has been overcome.【期刊名称】《应用声学》

【年(卷),期】2017(036)003

【总页数】12页(P264-275)

【关键词】声辐射模态;声散射;声重构

【作者】鱼海涛;王英民;王奇

【作者单位】西安科技大学理学院西安 710054;西北工业大学航海学院西安710072;西北工业大学航海学院西安 710072

【正文语种】中文

【中图分类】TB566;O427.2

随着水下目标消降噪技术的使用，在一些情况下仅使用被动声纳难以探测到水下目标，因此需要借助主动声纳获得目标的散射声场，进而确定其材质、形状、尺度等特性。被动声纳探测基于目标的辐射噪声，对于目标的辐射可以利用声辐射模态(Acoustic radiation modes,ARM)对其进行表述。而主动声纳探测则利用目标的散射声场，对于规则结构，如球壳、无限长圆柱壳体等可获得其解析解，但对于任

意形状目标，则可通过实验或者数值解法获得。若通过实验获得目标在不同场点处的散射声场则易受到实验条件及经费的限制，而对大型结构若通过数值解法获得，则计算耗时是阻碍其广泛应用的主要因素。因此，对于任意形状大尺度目标需要寻求一种能够根据近场散射声压获得远场散射声场的方法，或者此方法能够根据远场声压获得近场散射声场，以进一步确定目标的尺度等特性。

近场声全息(Near- fi eld acoustic holography,NAH)自提出[1]以来，得到了长足的发展[2]，被认为是一种可以方便地进行近远场外推的方法。目前ARM仅应用于结构声辐射的研究，而NAH则主要应用在噪声振动领域，在目标声散射方面应用较少。本文利用ARM各阶模态的正交性及目标声辐射主要由前n阶ARM确定的特性，将不同形状物体的声辐射模态作为基函数，对赫姆霍兹积分方程最小二乘法(Helmholtz equation-least squares,HELS)进行修正，拟对任意形状目标散射声场进行声场重构，以研究任意形状目标的声散射，最终实现利用任意形状目标近场的少量测点获得外部全空间的散射声场。

在NAH方面，Wu[3]对近场声全息发展的现状及所遇到的问题进行了综述，Antoni[4]指出现存的所有声场重构方法均可归结为不同空间基函数的线性组合，而对特定的声源拓扑结构和全息测量阵列几何形状，存在一个可以使重构误差最小的最佳基底。显然将不同形状物体的声辐射模态作为基函数可以使算法适用于不同形状声源，且重构误差较小。

在声散射重构方面，Kleiner等人[5]利用平面近场声全息，从理论和实验角度对平面状散射面的散射系数进行了研究，说明近场声全息应用于散射问题的可行性。Saijyou等人则直接将广义近场声全息方法应用于水下目标的散射场重建问题，并通过实验对有限长[6]、无限长[7]、简支[7]柱体的散射场重建结果进行了验证，表明二者之间具有良好的一致性，并进一步从能流角度[8]对近场声全息散射场进行了分析。暴雪梅和何祚镛[9-10]在水下目标散射问题中结合使用BEM，利用NAH