[发明专利]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

说明书

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。

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_1N为：

其中，R_pq是从第p层介质入射至第q层介质时的反射系数；p＝1,2…,N-1，q＝2,3…,N；φ₂为入射声波经第2层介质后的垂直相位延迟；

最上面3层介质的反射系数为：

R_(N-1)N为起伏海面的反射系数；

φ_N-1,φ_N-2分别为入射声波经第N-1，N-2层介质后的垂直相位延迟；

相邻介质层的反射系数R_(n-1)n为：

其中，θ_n是第n层介质入射至第n+1层介质时的界面入射掠射角，c_n是第n个介质层中的声速；