亂流性海洋中多重路徑對線性陣列偵測點聲源的影響

Abstract

在本篇報告中，吾人將利用理論上的方法－路徑積分技術(path integral techni- que)，及數值模擬的方法－分割步進法(split-step method) 來探討海洋環境對於 聲納陣列波束圖(array pattern) 的影響。吾人將分別考慮亂流(turbulence)以及 聲速分佈(sound-speed distribution)的作用。由於海水中的鹽度、溫度及壓力等 因素的變化造聲速隨深度改變，使得聲波可經由多條不同路徑傳至接收器，這些不 同路徑的訊號因相位的不一致，造成了彼此間相互增強及減弱的作用，使波束圖產 生干擾現象(interference)。至於聲速擾動除了會使波束圖變寬以外，亦會使此種 干擾情形減弱。吾人將分別以溫度微小結構(temperature fine structure)及空間 頻譜上為高斯分佈(Gaussian distribution) 者做為聲速擾動的模型。 數值結果指出：當擾動強度(fluctuation strength)相同時，前者使干擾減弱的情 形甚於後者。吾人亦發現，由於擾動強度增加，使得二接收器所接收到訊號之相關 性降低，從而改善了干擾現象。而當亂流的特徵長度(scale length)減小時，使得 沿不同路徑到達接收器的訊號至擾動的一致性(coherence) 降低，造成了波束寬度 增加且干擾現象亦減弱。由於問題本身的柱面對稱性質(cylindrical symmetry)， 使得在做數值模擬時可以簡化為二維問題，減少了模擬所需時間。但即使如此，要 在HP 9000/700 的工作站上模擬平均波束圖上之任一點（400 次），皆需消耗約３ 小時的中央處理器時間(CPU time)。利用數值模擬所得的平均波束圖和用路徑積分 技術的結果是相當吻合的。經由這種方法，吾人還可觀察到正規波束寬度(normal- ized beamwidth) 及其標準偏差(standard deviation)是隨著聲速擾動強度的增加 或特徵長度的減少而增加。