随机起伏界面附近目标高频声散射特性研究

The target scattering field will be affected by multiple scattering between the interface and the target when detect and identify bottom target using sound wave. Multiple scattering between the irregular interface and the target is more complex than flat interface and the target. This project intends to use the fast shooting and bouncing beams method which is proposed in the preparatory work to calculate the acoustic scattering field of targets near an irregular interface. First, the fast shooting and bouncing beams method will be improved, including improve the computing speed when calculate the acoustic scattering field of targets near an irregular interface using “space quartation” method. Second, the acoustic scattering model of targets near an irregular interface will be established, and discussing how to select the interface area which influence the target scattering sound field. Finally, the acoustic scattering field of targets (ball, cylinder, spherical cap-shaped head cylinder, etc.) near a Gauss irregular interface will be calculated and measured in water tank. The acoustic scattering characteristics will be studied combined with Monte-Carlo method.

利用声波探测和识别沉底目标时，界面和目标之间的多次散射将会影响目标的散射声场，当界面为随机起伏界面时，界面与目标之间的多次散射将会变得更加复杂。本项目提出一种可以计算多次散射声场的快速声束弹跳方法，并将其应用到计算随机起伏界面附近目标的散射声场问题中。首先对声束弹跳方法进行理论研究，为了提高计算效率，重点研究“空间区域四分法”的面元搜索算法；然后建立随机起伏界面附近目标声散射模型，讨论利用快速声束弹跳方法计算目标散射声场时，如何选取影响目标散射声场的起伏界面面积问题；以Gauss起伏界面为例，计算界面附近目标（球、圆柱、球冠形头部圆柱体等）的散射声场，结合Monte-Carlo方法研究其散射声场特性，并进行随机起伏界面附近目标散射声场测量实验，讨论由于随机起伏界面引起目标散射声场的变化。

项目的背景与意义：.在利用声波探测和识别水下目标时，目标的散射声场(或回波)是主要的依据之一，可称之为目标的“声指纹”。当有界面存在时，目标的散射声场会受到界面的影响而发生变化，例如：① 受到海底界面的干扰，沉底水雷的散射声场比自由场中更加复杂，对其进行探测和识别也更加困难；② 潜艇坐底是其在作战时的战术之一，潜艇坐底时因其发动机停止工作，完全静默，此时被动声呐无法探测，又因起伏海底的影响，潜艇与海底融为一体，主动声呐探测时潜艇回声会受到海底回声的严重干扰而掩盖在其中，影响主动声呐对潜艇的探测和识别。因此研究界面附近目标的散射声场对探测和识别水下目标具有非常重要的理论和工程意义。.主要研究内容：.项目主要研究了计算包含多次散射时目标散射声场的快速声束弹跳方法，在此基础上计算随机起伏界面附近目标散射声场，浅海信道中目标回波特性问题，以及算法实现时的面元遮挡问题的相关算法等。利用计算机实现具体声束弹跳算法时解决了反射声束照射面元后涉及到的比较复杂的两平面多边形求交问题、遮挡面元和反射声束照射面元的快速搜索问题、声束弹跳法的并行计算问题等。讨论了在计算散射声场时如何选取随机起伏界面的区域问题，并结合Monte-Carlo方法，以Gauss起伏界面为例，计算界面附近球体目标散射声场，将计算结果与平面界面附近的目标、自由场中的目标散射声场进行对比分析。.重要结果：.1. 建立了随机起伏界面和各向异性的风吹海面界面几何模型，并利用Delaunay三角化和空间映射方法对随机起伏界面进行了三角面元划分，得到了面元的拓扑结构信息；.2. 根据声波入射方向和随机起伏界面特点，通过减小面元搜索区域的方法，提高遮挡面元的搜索效率，并将此方法申请了发明专利；.3. 通过对随机起伏界面建模和面元划分，采用Gordon面元积分法计算每个面元的散射声场，进而得到一种随机起伏海底界面混响信号的仿真方法，并申请发明专利。