海水活性介质变参效应的水下弱信号放大研究
摘要
水下目标探测作为海军对抗中的重要一环，具有重要军事战略地位。但由于潜艇隐
身技术的不断发展，水下探测面临着信噪比低等问题。常用于提高信噪比的基阵，也因
平台安装空间限制无法满足需求。研究发现在外加激励激发介质声学参数变化的活性介
质中声波传播会有放大现象，这为水下弱信号放大及信噪比提高提供了新思路。基于活
性介质中声传播放大的特性，本文重点从活性介质理论仿真分析方法、强声激发海水活
性介质、交变磁场激发活性介质及活性介质中声传播特性开展研究，解决了海水活性介
质声信号放大机制不清晰、海水活性介质激发手段不明确及声信号放大效果未知等问题。
针对海水活性介质变参效应的水下弱信号放大，本文首先考虑了声速变化活性介质，
建立了声速时变介质的声传播模型。根据分析选择多尺度法直接求解声传播理论解，并
通过时域有限差分方法开展声传播仿真，仿真与理论结果相符，得到当介质声速调制频
率为声波频率二倍时会有声波放大现象，并且放大效果随活性介质大小、声速调制强弱
的增大而更加明显。随后，基于温度对介质声速的影响提出了强声激发调制介质等效声
速的方法。建立了强声激励下介质的声热耦合模型，采用逐级近似法得到介质声速与激
励强声质点振速的控制关系。对声传播理论、仿真分析得到强声激发下海水活性介质能
够放大声波，但由于温升变化缓慢导致放大效果不佳，利用强声激励放大声信号的方法
并不适用。最后，本文考虑磁场激励下声传播过程中的洛伦兹力作用，提出了交变磁场
激励海水活性介质的手段，通过电-力-声类比分析得到磁场激励下介质的等效粘滞会发
生变化，并且推导得到了介质等效粘滞与磁场强度间的控制关系，分析得粘滞调制效果
随磁场强度、介质电导率的增大而增强的结论。通过开展交变磁场激励下活性介质声传
播放大仿真，发现声波传播过程会因粘滞激发而衰减，当满足介质等效粘滞系数调制频
率为声信号频率二倍时，声波在入射活性介质处有较好的幅值放大现象，验证了利用交
变磁场激励活性介质放大弱信号的可行性。
综上所述，本文提出了利用海水活性介质的变参效应放大水下弱信号，提高信号信
噪比。提出了强声激发、交变磁场激发海水活性介质的两种激发手段，建立了海水活性
介质的声传播模型并开展声传播仿真，仿真结果与理论结果基本相符。为提高水下弱信
号信噪比及水下探测能力提供了全新的技术途径。
关键词：参数时变介质；时域有限差分方法；声信号放大；活性介质激发
海水活性介质变参效应的水下弱信号放大研究
ABSTRACT
Asanimportantpartofnavalconfrontation,underwatertargetdetectionhasanimportant
militarystrategicposition.However,duetothecontinuousdevelopmentofsubmarinestealth
technology,underwaterdetectionfacestheproblemoflowsignal-to-noiseratio.Themostly
usedarraytoimprovethesignal-to-noiseratioisalsounabletomeetthedemandduetothe
limitationofplatforminstallationspace.Somestudieshavefoundthattherewillbeamplitude
amplificationinacousticpropagationinactivemediausingexternalexcitationtoexcitethe
changeofacousticparameters,whichprovidesanewideaforunderwaterweaksignal
amplificationandsignal-to-noiseratioimprovement.Basedonthecharacteristicsofacous