粗糙海底界面声散射特性—Bragg波散射机制研究

The scattering function of seabed is important in the shallow water reverbration and target detecting. Since the rough sea bottom interface fluctuate randomly, the scattering function have been researched by measurement directly or statistic methods which could not describe the scattering mechanisms. By the researches about scattering of rough seabed interface that the applicants have carried out, it is found that the scattering waves from a rough interface are just superposition of the Bragg waves. This research will be focused on the mechanisms of Bragg waves. Dependences of the composition as well as amplitude and scattering angle of the Bragg waves versus frequency, incident angle and parameters of the rough interface will be researched experimently and theoretically. It should be a breakout work about the rough seabed interface scattering for underwater sound research and engineering application.

海底散射函数是浅海混响、目标探测等应用所需要的重要问题。粗糙海底界面是随机起伏界面，因而多采用统计方法或直接的实验测量研究其散射截面或散射函数。这样的研究方法很难给出界面散射的物理机理，从而得到对散射截面特性比较全面的认识和描述。申请者在已经完成的有关粗糙海底界面散射的研究中已经认识和理解到粗糙界面的散射实质上是粗糙界面的不同起伏频率分量下的Bragg散射波的迭加。本研究将开展对粗糙海底界面的Bragg散射机制及规律研究，通过理论和实验室实验研究不同粗糙界面下Bragg散射波的构成、各阶波的产生条件极其幅度和散射角度变化与声波频率、入射角度、界面起伏高度及水平波长等因素之间的关系。该课题的研究将为得到水声研究和应用所需要的粗糙海底界面散射函数做出具有实质性突出进展的工作。

本项目的研究目标是通过理论和实验研究，对Bragg波散射的物理机制进行探究，分析各阶Bragg波及其与海底类型、声波频率、界面起伏波长、声波入射角度、散射角度的关系及规律。.起伏海底界面声散射所使用的理论方法均需要所研究问题满足Rayleigh假设，对于起伏高度相对较高的界面散射，得不到高阶散射Bragg波的准确结果。本项目在界面散射积分方法中引入准周期格林函数，建立了不考虑Rayleigh假设的周期起伏海底界面散射理论模型，该模型可以准确地计算分析各阶Bragg波的幅值和角度。实验研究中地采用合成阵波束形成技术，在小尺度实验水池中成功实现了起伏海底界面Bragg散射波的测量，同时设计双阵列测量方法，剥离了直达声的影响。所测得各阶Bragg散射波在散射角度和幅值上与理论结果一致。理论和实验结果同时都证明了周期起伏海底界面声散射为Bragg散射波的叠加。.本研究给出高起伏、长周期起伏界面高阶Bragg波散射理论结果，包括：（1）当hsinθ/λ<0.1，即界面起伏高度远小于声波波长时，界面起伏对声波散射没有显著影响，界面可以近似为平整界面；（2）当Lcosθ/λ<1，即界面起伏周期长度小于声波波长水平分量时，界面起伏对声波散射的影响不显著；（3）Lcosθ/λ>1，在相同掠射角下，随着界面起伏高度由小到大的增加，首先出现占散射强度优势的0阶波或正数最高阶Bragg波，继而逐渐出现正数低阶次波，以及低阶次负数阶波及负数阶高阶次波。（4）在掠射角低于临界角的情况下，散射Bragg波幅度相对较强，而当掠射角高于临界角的情况下，由于声透射的缘故，各阶Bragg散射波都相对较弱。（5）存在单阶最低负数阶波和单阶最高正数阶波幅值极大而其余各阶波幅值均非常小的散射状态。.粗糙海底界面起伏通常研究起伏高度比波长小很多的情况，比如用微扰理论研究并解释实验结果，在这种情形下，散射波中除Snell反射波外，包含了正数第一阶Bragg波和负数第一阶Bragg波。对于起伏界面的起伏高度较高的情况，或者起伏界面起伏较缓的情况，高阶Bragg波的散射贡献不容忽略。这些理论及实验结果研究者之前尚未见到有关报道。本项目实验及理论结果都清楚地揭示了起伏海底界面的Bragg波散射机制和规律，其中正的最高阶波和负数最高阶波占散射绝对优势的结果，给出通常界面散射所不同散射场的异常空间指向性的可能性及机理解释。