水下复杂弹性体声散射场计算方法及其三维形状反演研究

This project will extended the Smoothed Finite Element Method (S-FEM) to calculate the acoustic scattering fields by oceanic elastic objects with complex shapes. The natural and artificial acoustic boundaries should be dealt with carefully in the Smoothed FEM model. Also high-precision elements will be applied to extend the application field for the Smoothed FEM. The structure of echoes by underwater objects will be studied by numerical simulation methods when the underwater objects are illuminated by different types of incident impulses. Based on the Resonant Scattering Theory and Sommerfeld-Waston Transformation, a separation technique for different kind of elastic waves will be developed, and an inversion algorithm for the ramp responses of objects will be built up. At the same time, the effects on the inversion accuracy for objects’ three-dimensional shapes will be studied, such as oceanic reverberation, the number and angles of incident waves. Based on the studies, an improved Ramp Response technique and a three-dimensional image synthesis technique with automatic iterative mechanism will be addressed for oceanic unknown objects in theory, numerical simulation and experiment. Consequently some theoretic and numerical methods will be proposed to explore oceanic unknown objects. The feature and innovation of this project are to introduce the Smoothed FEM into underwater acoustic detection in ocean engineering. Furthermore, this project will develop an improved Ramp Response technique to detect the oceanic elastic objects. The production and achievement of this study have very obviously academic and engineering values.

本项目针对海洋中具有复杂外形的弹性体结构，将光滑有限元技术引入到水下声散射场计算领域。在建立光滑有限元模型过程中，合理处理自然及人工声学边界条件，并引入高精度有限元单元以拓展光滑有限元的应用领域。通过数值仿真来得到并分析水下物体在不同类型入射脉冲照射情况下的回波结构特性。基于共振散射理论和蠕波分析法，提出各阶子波分离技术，建立物体斜坡响应的反演算法。同时研究海底混响、波束数量及夹角对物体三维形状反演精度的影响。通过理论分析、数值仿真和实验研究相结合的方法，提出适合于探测海洋中未知物体的经过改进后的斜坡响应技术和具有自动迭代机制的三维图像合成技术，为实现在海洋中探测未知物体提供理论和计算方法。项目的特色和创新在于将光滑有限元方法引入到海洋工程中水下声探测领域，并提出可用于海洋弹性结构体的斜坡响应技术。研究成果对学术和工程技术将产生较大的影响。

水下目标物体的声散射问题是水声学和水声探测技术领域的重要研究内容。它在海洋资源勘探，渔业生产，水下搜救与避碰甚至是国防军工等多个工程领域有着极为重要的应用背景，因此对该问题开展相关的研究工作有着极为重要的学术研究价值和工程实用价值。.本文基于G函数空间理论和广义梯度光滑技术，并结合狄利克雷-纽曼映射技术和经典的有限元理论，针对二维和三维水下的声散射问题建立了一套新型的混合光滑有限元计算模型。运用本文所建立的声学混合光滑有限元计算模型对二维和三维水下典型的声散射问题进行了较为详细的计算、比较和分析。数值计算结果不但验证了该声学混合光滑有限元计算模型对水下声散射问题的求解是有效和可靠的，还证实了相比于标准常规的声学有限元计算模型，该计算模型在相同的网格情况下不但拥有更高的求解精度和更快的收敛速度，而且还具备更高计算效率，同时还表现出更强的对单元网格质量的适应能力和对数值误差的控制能力。更重要的是，随着计算波数的增大，它的计算优势将表现得愈加明显。.Bessel波具有无衍射特性和自重建性，在传播过程中能够携带轨道角动量。Bessel波因其特殊的波形结构和物理性质，在学术研究和工程应用中均具有重要的研究价值。.本文通过建立任意Bessel波入射下球形和非球形目标的散射模型，通过理论方法和数值模型研究Bessel波的散射特性和物理机理。文中推导了正入射时基于柱面波函数球谐展开的波形系数和任意入射时基于多极展开法的波形系数，得到了球形目标的散射理论解。同时，基于半解析半数值的T矩阵法，结合推导的入射波形系数，得到了求解任意目标声散射的数值模型。.此外，本文结合Bessel波入射下的散射模型，独立推导了一般位置入射下的声散射场和声辐射力（矩）的理论表达式，为研究Bessel波入射下声散射和相关辐射力（矩）特性研究提供了有效的手段，并通过数值计算和理论推导进一步揭示了相应的物理现象和机理。相关研究成果对学术和工程技术都将产生较大的影响。