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声速分布对浅海低频声场空间相关的影响研究
声速分布对浅海低频声场空间相关的影响研究
摘要：本文探讨了声速分布对浅海低频声场空间相关的影响。首先介绍了浅海低频声场的概念和特点，然后根据传播路径的不同，分类分析了声速分布对水平传播和垂直传播的影响。针对声速不均匀性所引起的波束扩散和多径效应，提出了相应的补偿方法，包括声束形状优化、时延修正、极化处理等。最后，本文总结了声速分布对浅海低频声场空间相关性的影响，并从理论上和实例中验证了该影响以及对应的补偿方法的有效性。
关键词：声速分布；浅海；低频声场；空间相关；波束扩散；多径效应；补偿方法
一、引言
浅海低频声场是指声频带宽在20Hz~1000Hz范围内的声波在深度不超过几百米的、有海洋地形阻碍的海域中传播的声场。由于该声场含有的信息丰富，具有良好的穿透深度和远距离传播能力，因此在通讯、遥感、探测等领域有着广泛的应用。然而，由于海洋环境的复杂性和动态性，声速分布难以完全预测，而声速的不均匀性又会使声波传播路程中遭遇波束扩散和多径效应，影响到声场的空间相关性。因此，对声速分布的研究和补偿是浅海低频声场研究的一个重要方向。
二、声速分布对水平传播的影响
声波在海洋中的水平传播受到声速和海洋地形的影响。当海洋底部呈现弧形、凹凸不平的地形时，声波的传播路径将呈现弯曲和反射，引起多径效应。而在声速不均匀的情况下，声束的传播路线也会发生偏移、分散和压缩，这些因素都将影响声波的波前和相位，进而影响声波的传播速度和方向。因此，声速分布对水平传播的影响主要通过其对声波向水下传播方向的偏移和波束扩散的影响来体现。
在水平传播中，声束扩散是因为声波沿着弯曲路径传播，导致声波前窄，形成波束扩散。而波束扩散会使声波的传播有效距离缩短，同时也会降低声波的能量和信噪比。因此，为了减小波束扩散，可以通过控制发射音频的时间、发射声源的方位角、声源口径等方式调整声束的传播形状和宽度。
此外，在水平传播中，声速不均匀性还会导致时延变化，从而使声波的相位和波前产生扭曲，引起相位不连续和相位失真。因此，进行时延修正是一种有效的方法。时延修正是指在接收端对接收到的声波进行延时处理，使其与预期信号维持相同的相位。通过时延修正，可以有效地减小相位失真和相位不连续所带来的影响。
三、声速分布对垂直传播的影响
声波在通过垂直且不均匀的海洋环境时，容易出现波束偏移、波束分散和声束压缩等现象，从而影响声场信标特征和空间相关性。这些现象主要是由声波在不同海层之间传播速度不同和声速反射不同所引起的。具体而言，当声波在密度不同的海洋层之间传播时，它们的velocidaddepropagacióndesonido也相应地发生变化。这种变化使得声波在传播过程中经历的传播时间也会因层的变化而发生变化，从而导致声波的相位失真和传播方向的偏移，增加了声波的传播衰减和多径效应。此外，当声波遇到底部或者边界层时，会发生反射，使得声束的分散和扩散受到很大的影响，降低了其聚焦性能。
针对以上问题，可以采取极化处理、调制和解调技术、波束形状优化等方法来补偿垂直传播中的影响。其中，极化处理是指将输入信号拆分为通过垂直层和通过水平层的信号，然后根据需要调整幅度和相位，使得声波在不同层次中传播时达到最佳效果。调制和解调技术是指在发送和接收信号时对其进行调制和解调处理，以便在传输过程中对其进行修正。波束形状优化是指根据声学模型和海洋环境参数，结合最小二乘或者幅度对齐等技术，定位和优化声束的形状和方向。
四、总结
声速分布对浅海低频声场空间相关性具有重要影响。在水平传播中，声速的不均匀性主要通过波束扩散、相位失真和时延变化等方式影响声场的空间相关性。而在垂直传播中，声速分布的不同将导致波束偏移和波束分散等影响，从而影响声波的聚焦性能和传播距离。为了补偿这些影响，需要采用一系列技术手段，例如波束形状优化、时延修正、极化处理等。研究表明，这些补偿方法在实际应用中可以有效地提高浅海低频声场的重构精度和信噪比，促进了浅海低频声场的应用。