双基地声呐海面散射模型研究及仿真学术报告

作者及发表信息

本研究由赵宝庆（西北工业大学/海军潜艇学院）、王英民（西北工业大学）和王华荣（西北工业大学）共同完成，论文《双基地声呐海面散射模型及仿真》（Model and simulation of ocean surface scattering for bistatic sonar）发表于2005年12月的《情报指挥控制系统与仿真技术》第27卷第6期。

学术背景

本研究属于水声工程领域，聚焦双基地声呐（bistatic sonar）技术中的海面散射问题。随着潜艇隐身技术的进步，传统单基地声呐（monostatic sonar）的探测效能下降，双基地声呐因其发射机与接收机分离的特性（隐蔽性好、抗干扰能力强、探测范围大）成为新型探潜手段。然而，海面混响（reverberation）——由海气界面不平整性和海面附近气泡散射引起——是影响双基地声呐性能的关键因素之一。当时国内对此研究较少，而国外已有部分理论与实验成果（如Dashen等1990年研究）。本研究旨在建立双基地海面散射模型，明确散射强度与频率、风速、声速及几何角度等参数的定量关系，为后续混响研究提供理论基础。

研究方法与流程

1. 模型建立

研究采用两级建模方法： - 海气界面散射模型：假设海面为二维各向同性高斯随机过程，基于一级扰动理论（first-order perturbation theory）推导散射截面。关键公式包括不平整性谱密度（式3：W_h(q_h)=w^2/(q_h^(γ) h_0^(2-γ)）和散射截面近似表达式（式5：σ_s≈(β^2 w^2)/(q_h^γ)），其中γ为谱指数（取3.9），w^2=α_s u为风速相关的不平整性谱强度。 - 气泡层散射模型：基于经验公式（式7）描述气泡散射截面σ_b，其中折合深度d与风速u的关系通过分段函数（式8）建模，反映不同风速下气泡层的物理特性差异。

2. 参数体系构建

模型涉及多物理参数： - 几何参数：入射角θ_i、散射角θ_s、双基地角φ_s（发射机-海面点-接收机的平面夹角），通过波矢量k和q的数学关系（式1-2）定义。 - 环境参数：声频率f（1.5-20kHz）、声速c_0（1500m/s）、风速u（2.5-20m/s）、谱指数γ及经验系数α_s（3000m^3/s）。 - 复合参数：如双基地散射强度S=10lg(σ_s+σ_b)（式9），综合界面与气泡散射效应。

3. 仿真分析流程

通过计算机仿真（MATLAB或类似工具）系统研究参数影响： 1. 频率响应分析：固定θ_i=10°、θ_s=10°、φ_s=180°，变化f（100-5000Hz）和u（2.5-20m/s），绘制散射强度-频率曲线（图2）。 2. 风速影响分析：固定f=1500Hz，变化u（0-15m/s），观察散射强度变化（图3）。 3. 角度依赖性研究： - 入射角影响：θ_s取10°-150°，φ_s=180°（图4）； - 散射角影响：θ_i取10°-80°（图5）； - 双基地角影响：分θ_i=10°和θ_s=60°两组，φ_s取30°-150°（图6a-6b）。 4. 声速敏感性验证：c_0在1400-1600m/s范围内变化，检测散射强度波动（<1dB）。

主要结果

1. 频率与风速的耦合效应

• 低频段（f<1kHz）：散射强度随f单调递增，但增幅随风速增大而减缓（u=2.5m/s时+3dB/octave，u=20m/s时+1dB/octave）。
• 中高频段：高风速（u≥10m/s）下出现峰值频率（如u=20m/s时峰值位于2kHz），源于气泡共振散射与界面散射的干涉效应。峰值频率随风速增加向低频移动（图2）。

2. 风速的非线性影响

散射强度随风速增加呈分段增长： - 低风速（u<3m/s）：快速上升（斜率~2dB/(m/s)），主要受界面粗糙度增强驱动； - 高风速（u>5m/s）：增速放缓（斜率~0.5dB/(m/s)），因气泡层饱和效应。式8中d(u)的间断点导致曲线跃变（图3）。

3. 角度依赖性规律

• 入射/散射角：强度随角度增大而升高，镜面反射方向（θ_s=180°-θ_i）出现10-15dB的峰值（图4-5），符合物理光学预期。
• 双基地角：
  • 小入射角（θ_i=10°）时，强度在φ_s=90°处最低，两侧对称上升（图6a）；
  • 固定θ_s=60°时，强度随φ_s增大持续下降，且高θ_i值对应更高强度（图6b）。

4. 次要参数敏感性

声速变化影响可忽略（<1dB），而谱指数γ和环境参数α_s需进一步实验校准。

结论与价值

本研究通过理论建模与系统仿真，揭示了双基地海面散射的多参数耦合规律： 1. 科学价值：首次完整量化了双基地配置下海面散射的频率-风速-角度特性，弥补了国内该领域研究空白，为混响抑制算法设计提供物理依据。 2. 应用价值：指导声呐系统优化——低频工作可降低风速影响，镜面反射方向需规避，动态风速补偿策略建议基于分段模型。 3. 方法论贡献：融合扰动理论与经验公式的混合建模方法，兼顾计算效率与物理真实性。

研究亮点

1. 创新性发现：揭示高风速下散射强度的频率峰值现象及其移动规律，修正了传统单调增长认知。
2. 模型特色：联合处理界面散射与气泡散射，通过式9实现统一强度表征，优于单一机制模型。
3. 军事意义：结论直接服务于反潜战声呐部署策略，如发射-接收基阵的最佳空间配置。

其他价值

研究建立的仿真框架可扩展至其他海洋环境（如分层介质、非高斯海况），文中引用的实验数据（如Voronovich 1985年小斜率近似理论）为后续研究提供重要参考。需注意，实际海况的异质性（如涌浪、降雨）可能引入模型误差，需现场实验验证。