一种基于多路径反射理论的海底密度和声速测量方法

摘要

本发明提出了一种基于多路径反射理论的海底密度和声速测量方法，它根据平面波反射理论和snell定律，利用多条路径的海底反射系数建立方程组，通过一条垂直阵和一个声源等设备测量每条路径到达时间、海底附近处反射角度和能量来求解海底反射系数方程组，最终得到海底密度和声速，其测量的海底密度和声速可用于解决浅海海底环境未知条件下的被动目标定位问题。本发明有益的效果是：该方法利用声源斜入射声波，反射波能量较大，其发射声源没有大功率、窄指向性的限制，并且能独立测量海底密度和声速；虽然不能测量多层海底介质每层的地声参数，但是可以测量海底半无限空间模型下的等效密度和声速，并且该方法具有实验平台简单易行、费用低廉以及计算量小等优点。

主权项

1.一种基于多路径反射理论的海底密度和声速测量方法，其特征是：包括步骤如下：（1）利用垂直阵接收的声源数据估计出前4条路径到达垂直阵等效声中心处的时间t_n、入射掠射角θ_vn和能量E_n，利用到达时间t_n和水中声速计算出4条声线的传播距离r_n，利用入射掠射角θ_vn根据snell定律计算出声线到达海底附近处的入射掠射角θ_n；所述的前4条路径是指直达波、海面反射波、海底反射波和海面-海底反射波4条声线的路径；（2）根据平面波反射理论和snell定律，利用测得的4条路径的传播距离r_n、到达海底附近处的入射掠射角θ_n和能量E_n，建立海底反射系数方程组；（3）求解方程组获得海底密度和声速值；对于海面反射来说，假设各个方向入射到海面的反射系数都近似为-1，根据平面波反射理论、snell定律，得到以下一个方程组；$\left\{\begin{array}{c}{R}_3=\frac{{\rho }_2{c}_2\sin {\theta }_3-{\rho }_1{c}_1\sin {\theta }_{t3}}{{\rho }_2{c}_2\sin {\theta }_3+{\rho }_1{c}_1\sin {\theta }_{t3}}=\sqrt{\frac{E_3{r}_3^2}{E_1{r}_1^2}}\\ R_4=\frac{{\rho }_2{c}_2\sin {\theta }_4-{\rho }_1{c}_1\sin {\theta }_{t4}}{{\rho }_2{c}_2\sin {\theta }_4+{\rho }_1{c}_1\sin {\mathrm{\theta t}}_{t4}}=\sqrt{\frac{E_4{r}_4^2}{E_2{r}_2^2}}\\ \sin {\theta }_{t3}=\sqrt{1-{\left(\frac{c_2}{c_1}\right)}^2{\cos }^2{\theta }_3}\\ \sin {\theta }_{t4}=\sqrt{1-{\left(\frac{c_2}{c_1}\right)}^2{\cos }^2{\theta }_4}\end{array}\right.---\left(2\right)$其中ρ₁和c₁海底附近水的密度和水中声速，ρ₂和c₂是半无限空间海底的密度和声速，θ₃和θ_t3是第3条反射声线的入射和折射掠射角，θ₄和θ_t4是第4条声线入射和折射的掠射角，R₃是指第3条反射声线的反射系数，R₄是指第4条反射声线的反射系数；E_n是第n条路径射线的能量，r_n是第n条路径射线走过的路程，从方程组（2）可以得到ρ₂和c₂的解；$\left\{\begin{array}{c}{\rho }_2=\frac{{\rho }_1(1+R_3)\sqrt{n^2-{\cos }^2{\theta }_3}}{(1-R_3)\sin {\theta }_3}\\ c_2=\frac{c_1}{\sqrt{(A^2{\cos }^2{\theta }_3-{\cos }^2{\theta }_4)/(A^2-1)}}\end{array}\right.---\left(3\right)$其中根据方程组（2）和方程组（3）就分别反演出海底底质密度和声速，但是要使方程组（2）和方程组（3）需要满足一个条件，即θ₃>θ_c    （4）其中是临界掠射角，当θ₃<θ_c时，第3条路径声线的反射属于全反射现象，此时透射到海底的声波非均匀平面波，方程组（4）不成立；假设声源和接收点的间距为D，接收点处海深为H，声源和接收器的深度分别为H_s和H_r,方程组（2）和方程组（3）的使用条件可近似表示为${\theta }_3\approx a\tan \left(\frac{2H-H_s-H_r}{\sqrt{D^2-{(H_s-H_r)}^2}}\right)>{\theta }_c=a\cos \left(\frac{c_1}{c_2}\right)---\left(5\right)$因此，在满足式（5）的条件下，只要利用一条垂直阵和一个较小强度声源，通过采集声源斜入射时的多路径信号，分辨出各条路径到达时间、按snell定律折合到海底附近的反射角度及能量，即完成海底半无限空间模型假设下密度和声速的测量。