浅海周期起伏海底环境下的声传播

海底粗糙对水下声传播及水声探测等应用具有重要影响.利用黄海夏季典型海洋环境,分析了同时存在海底周期起伏和强温跃层条件下的声传播特性,结果表明:由于海底周期起伏的存在,对于低频(<1 kHz)、近程(10 km)的声信号,传播损失可增大5—30 dB.总结了声传播损失及脉冲到达结构随声源深度、海底起伏周期及起伏高度等因素变化的规律.当海底起伏周期不变时,起伏高度越大引起的异常声传播的影响随之变大;当起伏高度不变时,随着起伏周期变大,其对声传播的影响逐渐变小.用射线理论分析了其影响机理,由于海底周期起伏改变了声波与海底的入射和反射角度,使得原本小掠射角入射到海底的声线变为大掠射角,导致海底的反射损失增大;另一方面,声线反射角度的改变会使得原本可以到达接收点的声能量,由于与海底作用次数增加或变为反向传播而大幅度衰减.在浅海负跃层环境下,声源位于跃层上比位于跃层下对声传播影响更大.周期起伏海底对脉冲声传播的影响表现在引起不同角度的声线(或简正波号数)之间的能量发生转化,一些大角度声线能量衰减加大,多途结构变少.多途结构到达时间及相对幅度的变化进而影响声场的频谱,会使得基于匹配场定位的方法性能受到影响.所以,声呐在实际浅海环境中应用时,应对起伏海底的影响予以重视.此外,研究结果对海底地形测绘空间精度的提高也具有重要参考意义.     

稳健声线扰动特征用于浅海小目标定位*

针对海洋环境中的信道起伏变化对基于扰动声线声压敏感核的水下小目标定位算法影响较大的问题,提出了基于稳健声线扰动特征的目标定位方法,该方法首先对海洋环境中接收声场的到达结构进行分析,提取稳态的到达成分;然后通过观测稳健声线对应的接收信号在目标穿越过程中的扰动特征提取扰动声线;最后应用扰动声线类定位方法得到水下目标的定位模糊图实现定位。在浅海港口环境中开展了蛙人穿越实验,发射信号为中心频率为22.5kHz,带宽为15kHz的线性调频信号,实验数据的处理结果表明,直达路径和一次水底反射路径受信道起伏的影响较小,通过筛选稳健声线可以将扰动声线的定位方法用于自然的海洋环境。     

西太平洋远距离声传播特性

声信号在海水中能够传播上千千米,远距离声传播与近距离声传播的特性不同.本文利用西太平洋声源与接收最远距离近2000 km的水声实验数据,对实验海区的海洋环境信息、实验使用的接收垂直阵信息进行处理,分析大洋完全声道环境下,远距离声传播能量衰减规律和多途到达结构特性.在远距离传播能量衰减规律方面,随着传播距离增大,海水吸收对声能衰减的作用凸显,海水吸收系数的选取对声场能量预报的准确性至关重要.较低频信号海水吸收较小,中心频率100 Hz的声信号,传播距离从1000—2000 km,传播损失仅增大6 dB左右.深海声道远距离声传播多途到达结构特性方面,实验海区温跃层声速较高,使得到达接收点的本征声线数目更多,多途到达结构更复杂,海面反射声线形成的到达结构处在整体到达结构的靠前位置,且能量相对较强;受西北太平洋副热带模态水的影响,声速剖面存在双跃层结构,导致部分声线到达接收点的时间较早,多途到达结构在时间轴上的长度延长.     

深海大深度声场垂直相关特性

深海声场垂直相关特性对提高垂直阵阵列增益和水下目标探测性能具有重要意义.基于2014年南中国海实验大跨度垂直阵接收的声信号,分析了深海直达区、影区和会聚区等不同距离下的大深度声场垂直相关特性,并使用射线理论解释了深海垂直相关随空间变化机理.在直达声区内,声场垂直相关半径几乎可以覆盖整个水深,且随着深度增加,直达声和海面反射声到达时间差增加,相关略有下降.在声影区内,声场能量主要来源为经一次海底反射和一到两次海面反射的声线,垂直相关整体偏低.第一会聚区内垂直相关系数随着接收深度的增加而周期性振荡,并且与声能量在深度上的分布具有相似结构,这是高声强区域两组反转声线在垂直方向上周期性干涉的结果.     

水下稳态涡流场声传播特性

基于射线声学理论研究了水下稳态涡流场的声传播特性。首先,根据移动介质中的程函方程,推导了二维稳态涡流场的射线微分方程组,实现了声波通过涡流场的声线轨迹模拟,获取了通过不同涡流场的声信号;然后,基于稳态涡流场的声传播特性,构建了接收声信号相位与涡流场特征参数之间的映射关系,通过数值仿真反演稳态涡流场特征参数,仿真结果与理论值的相对误差在15%以内。仿真结果表明:基于射线理论可以有效模拟声信号通过涡流场的声线轨迹及信号变化,具有直观、计算效率高的优势;随着涡环量增大,涡流对声传播的影响更为明显;利用声信号相位可实现对速度分布、涡核位置、涡环量等涡流场特征参数的估计。     

浅海中孤立子内波引起的声能量起伏

当孤立子内波的波阵面与声传播路径所成角度较大时,简正波耦合是导致声信号起伏的主要因素。研究了浅海中孤立子内波引起的声能量起伏规律,给出声场起伏的耦合简正波表达式,并使用抛物方程模型进行仿真。数值分析表明,接收点声强随时间变化呈准周期性。在频谱图中能够得到声强起伏的主导频率,主导频率与孤立子内波沿声传播路径的移动速度成正比,与无扰动波导中简正波在距离上的干涉周期(对应于射线理论中临界声线的跨度)成反比,与孤立子内波的形状无关。此外,对声强频谱的垂直结构进行了分析,该结构与对声场起伏起主要作用简正波的本征函数相关。      

水下声传播的发展及其应用

文章介绍了水声学中的基础研究领域水下声传播影响因素和研究进展,分析了海洋环境因素对水下声传播的影响机理,给出了不同类型海域以及不同季节的水下声传播特征。文章还列举了目前水下声传播研究的热点问题:水下三维声传播和复杂海洋环境下的水下声传播不确定性研究,并阐述了它在目标探测研究中的应用。最后文章着重讨论了水下声传播的重要应用之一——自适应匹配场处理技术。     

水平分层低马赫数运动介质中的声传播

针对海流对水声传播的影响,基于高斯波束追踪方法,利用高频近似的低马赫数亥姆霍兹方程,建立了三维低马赫数运动介质下的声传播模型,并将该模型应用于浅海与深海水平分层介质下的声传播问题。仿真结果表明,海流能定性定量地改变声传播模式。浅海环境下,声速梯度大于流速梯度,导致顺逆流声线反转点的差别随着距离增加而增大;此外声线到达结构也会发生较大改变。深海环境下,流速梯度大于声速梯度,顺流方向表面声道消失,使得表层顺逆流传播损失相差10 dB以上,同时水平分层环境中也会产生三维声传播效应。因此在流速梯度与声速梯度相当甚至更大时,海流对声传播的影响不能被忽略。     

深海海底山环境下声传播水平折射效应研究

声波在深海海底山环境中传播时,海底山会对声传播产生重要影响.2016年在南海深海进行了一次海底山环境下的声传播实验,观测到了由海底山引起的三维声传播效应,本文利用BELLHOP射线理论解释了海底山环境下的三维声传播机理.结果表明：声波在传播过程中与海底山作用后破坏了深海会聚区结构,导致传播损失增大,在海底山后形成具有明显边界的声水平折射区,利用二维声传播模型无法解释实验现象,海底山后声水平折射区实验测量的声场结构与N×2D模型计算结果存在明显差异,实验的传播损失比N×2D模型计算结果大10 dB.通过三维射线模型分析N×2D模型计算结果与实验结果存在明显差异产生的原因,发现由于声波水平折射作用,部分声线无法到达接收器,使得三维声传播效应对海底山后一定角度范围内声场影响较为明显.因此,深海海底山会引起明显的三维水平折射效应,应在水下目标探测和定位等应用中给予重视.     

浅海环境中的匹配模态空间检测器

将水下声传播规律融入到算法设计中可以有效提高被动声呐目标检测性能。当声源位置未知时,广义似然比检测器和贝叶斯检测器分别通过搜索和积分的方式来消除声源位置不确定性的影响。但是,基于有限个信号波前实现的广义似然比检测器和贝叶斯检测器在某些声源位置上存在性能大幅下降的问题。为此,利用水下声传播的物理特性,提出了一种稳健的子空间检测器——匹配模态空间检测器,稳健的意义在于:当阵列获取到的辐射声信号能量给定时,检测器可以在不同声源位置情况下提供相同的检测性能。该检测器通过模态空间一定程度上利用了海洋环境知识,获得了比具有相同稳健性的能量检测器更好的检测性能。典型浅海环境中的仿真实验对比结果表明:匹配模态空间检测器相比广义似然比检测器和贝叶斯检测器的峰值性能下降较小、所需的计算量更少、对环境失配的宽容性更好。      

Experimental studies of applications of time-reversal acoustics to noncoherent underwater communications

The most difficult problem in shallow underwater acoustic communications is considered to be the time-varying multipath propagation because it impacts negatively on data rates. At high data rates the intersymbol interference requires adaptive algorithms on the receiver side that lead to computationally intensive and complex signal processing. A novel technique called time-reversal acoustics (TRA) can environmentally adapt the acoustic propagation effects of a complex medium in order to focus energy at a particular target range and depth. Using TRA, the multipath structure is reduced because all the propagation paths add coherently at the intended target location. This property of time-reversal acoustics suggests a potential application in the field of noncoherent acoustic communications. This work presents results of a tank scale experiment using an algorithm for rapid transmission of binary data in a complex underwater environment with the TRA approach. A simple 15-symbol code provides an example of the simplicity and feasibility of the approach. Covert coding due to the inherent scrambling induced by the environment at points other than the intended receiver is also investigated. The experiments described suggest a high potential in data rate for the time-reversal approach in underwater acoustic communications while keeping the computational complexity low.     

水中分层弹性球壳高频时域回波的声学编码研究

针对水下集群目标及敌我目标识别的难题,该文提出了一种基于水中分层弹性球壳高频时域回波的声学编码原理及方法。推导了水中4层弹性球壳目标散射声压的简正级数解,并与有限元结果进行了对比验证。通过构造高频主动声呐的探测脉冲信号,与4层弹性球壳声传递函数的简正级数解做卷积运算,获得了目标的时域回波脉冲序列。研究了分层弹性球壳的厚度、各层材料属性、排布顺序等对时域回波特征的影响规律,提出了基于时域回波特征的声学编码方法。研究表明：利用水中分层弹性球壳目标高频时域回波特征能够实现声学编码,回波结构稳定,且不受限于探测方向。通过携带或安装这种分层弹性球壳结构,有望识别水下航行体/悬浮体等目标。该文的研究对水下目标的主动探测身份识别及导航等具有一定的参考价值。     

基于水声信道传播时延排序的分层空时信号检测

基于分层空时编码的多输入多输出技术是一种极具潜力的高速水声通信技术, 但要实现这种潜力需要复杂的空时信号处理方法, 以抵消来自水声信道的多径干扰和异步到达干扰, 以及叠加在接收端的各层信号之间的干扰. 对低复杂度的空时信号处理方案进行了研究, 提出了一种基于子信道传播时延排序的有序连续干扰抵消信号检测算法, 利用子信道间的传播时延差, 实现可使差错概率最小的最佳检测排序; 给出了利用信道估计, 以极低的计算量确定排序的方法, 从而可以大幅降低信号检测的计算复杂度. 采用低复杂度的单载波频域均衡来抵消水声信道中的码间干扰和异步到达干扰. 仿真结果表明, 基于时延排序的信号处理算法可以获得检测性能的改善, 而且性能增益在高数据率时更加显著. 研究结果表明, 采用有效的信号处理方法可使水声信道中造成信号检测干扰的传播时延成为改善系统性能的有利因素.     

利用等离子体声源测量浅海低频段水声信道特性

浅海水声信道的结构特征及其变化特性是浅海环境水下远程探测和通讯应用的基础.为了有效测量低频水声信道特性,我们在实验中采用了拖曳等离子体声源和垂直阵接收系统。通过实验测量与信道模型仿真输出的比较,对等离子体声源特性,特别是脉冲波形、空间指向性和电声转换效率,以及在信道中的传播特性等进行测量分析。结果表明:实验测量与信道模型仿真符合良好,实验中采用的等离子体声源的发射源级和拖曳姿态稳定,波形一致性好,可以满足走航式连续水下信道测量要求。      

基于超椭圆拟合的水下小目标分类*

水下小目标分类技术在海底探测、水下考古等方面应用广泛,在实际的水下声图像中,小目标投影产生的阴影区域通常在形状和尺寸方面显著于目标本身产生的亮区,故阴影分析算法对于目标的检测、识别和分类均有重要的研究意义。本文采用超椭圆曲线拟合算法拟合目标阴影区域,通过控制超椭圆函数的几个参数变化,实现不同的超椭圆曲线拟合不同的目标阴影形状,并将控制超椭圆曲线尺寸、形状和位置的参数作为特征向量输入到分类器,通过对比多个分类器得出分类结果,证明了以拟合参数为特征的分类方法有效。     

水下目标多模态深度学习分类识别研究

水下目标的分类识别对于水声探测具有重要意义。提出一种水下目标多模态深度学习分类识别方法。针对水声信号的一维时域模态和二维频域模态特征建立一种多模态特征融合的深度学习结构,结合长短时记忆网络和卷积神经网络的优点,对一维时域信号和二维频谱信号分别进行并行处理,对输出进行典型相关分析,形成特征融合表示,并利用相邻帧的相关性进行参数优化。利用实测水声信号对算法进行了验证。结果表明：提出的算法对于水下目标识别的精度有显著的提高。     

海洋波导中目标声辐射场的计算方法

针对海洋波导中目标声辐射场的计算问题,提出了一种基于波叠加法并在近、远场采用不同水声传播模型的建模方法,可以将近、远场作为一个统一的系统进行高效地分析。该方法通过给定的已知表面振动速度的结构计算出目标内部虚拟点声源的源强,再配合在相应的水声环境中点声源传播模型的Green函数计算出结构外的声辐射场。以Green函数为纽带,在求源强和计算近场声辐射场时采用镜像虚源法,而在计算远场声辐射场时采用简正波法。通过该方法得到的有限水深波导中声速剖面为正梯度、负梯度、负跃层的3种情况下的脉动球、刚体摆动球的声辐射场计算结果与COMSOL的有限元计算结果进行对比,结果表明了该方法在提高计算效率的同时保证了计算精度。      

印度洋中北部声速剖面结构的时空变化及其物理机理研究

海洋的声速结构对水下声传播有重要影响,在印度洋中北部复杂多变的海洋物理和水文环境中, 获取声速剖面的时空统计分布规律对水下目标探测和水下声通信有重要意义. 由于垂直梯度法在声速结构分析中的局限性及其在印度洋中北部海域的适用性问题, 采用多元统计分析中的最优分割法对声速跃层进行分析,并应用最近10年的地转海洋学实时观测阵 数据对印度洋中北部海域声速剖面的特征量进行了计算,获得了声速跃层的垂直结构特征和时空变化规律; 还利用经验正交函数(EOF)表示方法,分析了印度洋中北部声速剖面拟合精度随EOF阶次的分布特点. 根据印度洋的海洋物理特征,揭示了声速剖面特征量时空演变的内在物理机理.研究结果表明: 最优分割法是适合印度洋声速结构的跃层判断方法,并提出了相应的判断准则参数; 声速剖面拟合精度随EOF阶次变化的区域性分布特征较明显,其季节性变化较小; 印度洋中北部的深海声道轴只在5°S以南明显存在,在15°S---25°S 附近海域存在三个跃层;印度洋中北部声速剖面结构可分为单跃层、双跃层Ⅰ型、 双跃层Ⅱ型和三跃层四种类型以及春夏秋冬四个季节模态. 声速剖面的分析结果对于水声传播和声纳系统的使用具有一定参考意义.     

水下声学滑翔机用于东印度洋声传播特性分析及声源估计

常规实验方法无法同步获取深海大尺度声学和水文数据,水下滑翔机可作为同步观测平台解决该问题.首先利用在东印度洋北部海域水下滑翔机同步获取的声传播和水文实验数据,分析了水下滑翔机的自噪声谱级和实验海区声传播特性,然后推算并修正了滑翔机水下运动轨迹,利用第一影区水下滑翔机接收声传播信号的脉冲多途到达时间差对声源进行测距与定深。潜标接收噪声与滑翔机自噪声谱级对比表明,水下滑翔机在海洋中无动力运动时的系统自噪声接近于潜标观测的海洋环境噪声。滑翔机实测的声传播损失与模型计算结果吻合较好,第一影区水下声源测距定深结果与实际位置较为一致,测距与定深的相对误差均小于5%。利用加载水听器的水下滑翔机可以实现水文环境数据与声学信号的同步观测,对深海声传播特性测量及定位算法研究具有重要意义。      

Comment on paper entitled, "An inversion of Freedman's 'image pulse' model in air". Acoust. Soc. Am. 119(2), 965-975 (2006)

Echolocation (i.e., perceiving objects using acoustic echoes) is well-known in underwater detection and to a lesser extent in robot guidance and machine perception. The paper by Tsakiris and McKerrow is concerned with machine perception in air using Freedman's asymptotic model, which was originally developed to predict the backscattering multiple-echo effect observed in sonar detection. This effect was subsequently shown to be due to the elastic response of underwater targets. Freedman's model can be used in air because the acoustic target is assumed to be rigid. Also, the model's prediction of multiple echoes can be used to obtain information about the shape of the target. This is the so-called inversion of the Freedman model by Tsakiris and McKerrow. In their paper, various simple bodies are tested in air using ultrasound and it is shown that the model provides relatively poor information about body shape. Several explanations are given. However, one explanation is not considered, namely that the model itself is not satisfactory. First, there is poor agreement with exact backscattering theory. Second, deriving information about target shape from the multiple echoes predicted by the model is a highly questionable procedure. Both these aspects are examined here.