一种起伏海面和气泡层的耦合反射系数的计算方法及系统

摘要

本发明公开了一种起伏海面和气泡层的耦合反射系数的计算方法及系统，所述方法包括：将气泡混合层划分为垂直方向上的N‑2层结构，气泡混合层与水体、起伏海面以上的半空间共同组成N层结构，最底层为第1层介质，最顶层为第N层介质；将一维PM谱起伏海面的反射系数作为初始值，计算最上面3层介质的反射系数，根据相邻介质层的反射系数，利用递归方法计算第1层介质入射至第N层介质时的反射系数。本发明的方法考虑大风浪下起伏海面和气泡层的耦合作用，能够准确计算起伏海面和气泡层的耦合反射系数，为大风浪下的海洋声波导边界参数提供方法支撑。

说明书

技术领域

本发明涉及水声物理领域，具体涉及一种起伏海面和气泡层的耦合反射系数的计算方法及系统。

背景技术

边界反射系数是声波导的重要参数，海面作为海洋波导的上边界，其反射系数对声传播有着重要的影响。对于没有风浪影响的平整海面，通常认为是一个绝对软的理想边界，对入射声波的反射系数是-1，这种良好的反射作用下，几乎没有边界反射损失。但遗憾的是由于海面风浪的影响，海面经常是起伏不平整的，粗糙的海面边界对入射声波既有反射也有散射作用，会造成海面反射损失。

传统的海面反射系数的计算包括基尔霍夫散射近似散射理论、微扰近似散射理论、小斜率近似散射理论等，但是没有考虑近海面气泡层与起伏海面的耦合作用。

在实际情况中，大风浪在引起起伏海面的同时，大风浪的搅动也会形成近海面的气泡混合层，气泡混合层不但对声波具有散射和吸收的作用，还会改变原有的声速剖面结构，此时，起伏海面与气泡层的耦合反射系数直接决定了反射损失的大小；但是目前还未有近海面气泡层与起伏海面的耦合反射系数的计算方法的记载。

发明内容

本发明的目的在于考虑大风浪下起伏海面和气泡层的耦合作用，提出一种起伏海面和气泡层的耦合反射系数的计算方法，为大风浪下的海洋声波导边界参数提供方法支撑。

为实现上述目的，本发明提出了一种起伏海面和气泡层的耦合反射系数的计算方法，所述方法包括：

将气泡混合层划分为垂直方向上的N-2层结构，N-2层结构的气泡混合层与气泡混合层下的水体、起伏海面以上的半空间共同组成N层结构，最底层为第1层介质，最顶层为第N层介质；

将一维PM谱起伏海面的反射系数作为初始值，计算最上面3层介质的反射系数，根据相邻介质层的反射系数，利用递归方法计算第1层介质入射至第N层介质时的反射系数。

作为上述方法的一种改进，所述将一维PM谱起伏海面的反射系数作为初始值，计算最上面3层介质的反射系数，根据相邻介质层的反射系数，利用递归方法计算第1层介质入射至第N层介质时的反射系数，具体包括：

第1层介质入射至第N层介质时的反射系数R

其中，R

最上面3层介质的反射系数为：

R

φ

相邻介质层的反射系数R

其中，θ

利用(9)、(10)、(12)和R

作为上述方法的一种改进，所述起伏海面的反射系数R

其中，κ

W(K

其中，a＝8.1×10

作为上述方法的一种改进，所述第n层介质中的声速c

c

其中，z

修正后的水中声速函数c

其中，c

其中，a为气泡的半径，z为水深，v

a

a

本发明还提出了一种起伏海面和气泡层的耦合反射系数的计算系统，所述系统包括：

气泡混合层划分模块，用于将气泡混合层划分为垂直方向上的N-2层结构，N-2层结构的气泡混合层与气泡混合层下的水体、起伏海面以上的半空间共同组成N层结构，最底层为第1层介质，最顶层为第N层介质；

反射系数计算模块，用于将一维PM谱起伏海面的反射系数作为初始值，计算最上面3层介质的反射系数，根据相邻介质层的反射系数，利用递归方法计算第1层介质入射至第N层介质时的反射系数。

作为上述系统的一种改进，所述反射系数计算模块的实现过程为：

第1层介质入射至第N层介质时的反射系数R

其中，R

最上面3层介质的反射系数为：

R

φ

相邻介质层的反射系数R

其中，θ

利用(9)、(10)、(12)和R

作为上述系统的一种改进，所述起伏海面的反射系数R

其中，κ

W(K

其中，a＝8.1×10

作为上述系统的一种改进，所述第n层介质中的声速c

c

其中，z

修正后的水中声速函数c

其中，c

其中，a为气泡的半径，z为水深，v

a

a

本发明的优势在于：

本发明的方法考虑大风浪下起伏海面和气泡层的耦合作用，能够准确计算起伏海面和气泡层的耦合反射系数，为大风浪下的海洋声波导边界参数提供方法支撑。

附图说明

图1是一维起伏海面散射示意图；

图2是含气泡混合层的水中声速的修正图；

图3是三层结构反射示意图；

图4是气泡层多层结构与起伏海面耦合反射示意图；

图5是风速为10m/s时的声传播损失曲线；

图6是风速为13m/s时的声传播损失曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明的起伏海面和气泡层的耦合反射系数的计算方法包括：生成一维PM谱起伏海面的反射系数求解、气泡混合层引起的声波衰减系数计算、气泡混合层引起的声速剖面修正以及气泡层结构与起伏海面的耦合反射系数求解的递归方法。

步骤1)一维PM谱起伏海面的反射系数求解：

在起伏海面散射的理论方面，目前较为热点的是小斜率近似散射理论。

根据小斜率近似散射理论：在粗糙海面散射的理论方面，目前较为热点的是小斜率近似散射理论。如图1所示，考虑入射到粗糙海面z＝f(x)上的平面波为exp(ik

小斜率近似散射理论下的海面反射系数为：

其中，κ

W(K

其中a＝8.1×10

步骤2)气泡混合层的声速剖面修正；

气泡群模型采用Hall-Novarini(HN)气泡群模型中，假设气泡半径大小在10μm到1000μm之间，气泡群的分布函数为：

其中，a为气泡的半径，z为水深，v

在G(a,z)表达式中的两个变量a

a

含气泡层的水中声速的修正方法为：

其中c

步骤3)气泡混合层和起伏海面的耦合反射系数的递归求解；

如图2所示，为三层结构反射示意图，假设layer 1中的入射声波幅度为1，R

φ

其中，k

对于第二次反射波而言，经由界面(1,2)透射、再经由界面(2,3)反射、最后经由界面(2,1)透射的过程实际上是两次经过介质2，因此垂直相位延迟为2φ

利用等比数列的求和公式上式可以写为：

反射系数与透射系数的关系有：R

如图3所示，为气泡层多层结构与起伏海面的耦合反射示意图。在求解气泡层多层结构与起伏海面的耦合反射系数时，由于气泡层中的声速以及声波衰减系数随水深而变化，因此考虑将气泡层划分为在垂直方向上的多层结构，这里需要用到递归方法：

如图3所示，将气泡混合层划分为垂直方向上的N-2层结构，N-2层结构的气泡混合层与气泡混合层下的水体、起伏海面以上的半空间共同组成N层结构，它包括最底层的layer 1和最顶层的layer N，以及中间的N-2个隔层，根据(8)式可得到最上面3层的反射系数为：

计算出R

由此递归算法，最后可求得总的反射系数为：

其中φ

另外(9)式中的R

其中，θ

不含气泡的水中声速为1490m/s等声速剖面，当频率为2kHz时，经过(4)式修正的声速剖面如图4所示；图5是风速为10m/s时的起伏海面的反射系数的模(不考虑气泡层因素)；将0～10m处的水体垂直方向上分为100层进行计算，通过上述提供的递归方法，可最后求得起伏海面与气泡层的耦合反射系数。图6是风速为10m/s时的起伏海面与气泡层的耦合反射系数的模，可以看到，图5和图6有明显的差别。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。