水声射线传播的黎曼几何建模·基础理论

水声建模一般采用外嵌描述,即以欧氏空间固定坐标系等要素刻画水声信道.黎曼几何是弯曲空间上的内蕴几何学,更能反映流形的本质性质.水声学高斯波束模型借鉴自地震学,可有效避免传统射线追踪的弊端,在以Bellhop为代表的水声模型中得到广泛应用,是水声射线建模与应用的主流方法之一.传统水声射线建模的欧氏空间底流形假设,难以有效刻画高斯波束的弯曲特性.本文通过建立水声射线传播的黎曼几何基本理论,得到程函方程、动态射线方程及高斯波束模型的黎曼几何内蕴形式,分析了水声射线几何拓扑性质,指出水声射线模型中的焦散点等价于黎曼几何中的共轭点,高斯波束几何扩展是测地线沿雅可比场的偏离,波束声线会聚体现为声场正截面曲率作用下偏离的测地线在共轭点的交汇.为验证理论正确性与适用性,本文以水平分层距离相关环境为例,给出特定环境和坐标系下应用前序理论建模的具体方法.3个典型水声传播算例的仿真对比分析,表明水声传播黎曼几何理论模型是准确有效的,相比Bellhop模型所采用的计算方法,具有更为清晰的数学物理含义.本文基础理论可方便推广至曲面、三维各向异性等情形,为后续在三维弯曲球体流形、四维时变伪黎曼流形等声传播环境下的...     

地球曲率对远距离声传播的影响

对于远程声传播问题,地球曲率的影响不可忽略.为分析地球曲率对远距离声传播的影响,本文提出了一种地球曲率影响下环境参数的修正方法,该修正方法无需改动现有声场计算模型,具有可移植性好、计算简便的特点.典型环境下的仿真结果表明,由于地球曲率的影响,在会聚区传播中,会聚区的位置向声源方向偏移,会聚区移动随着距离变换近似为线性关系, 1000 km距离上偏移可达10 km;而深海声道传播中,到达结构在时间轴上整体前移,并伴随着在深度和时间轴上的扩展,影响均随着传播距离的增加而逐步增大,1000 km距离上整体前移的幅度可达136 ms.     

深海海底反射会聚区声传播特性

在深海声道条件下,海水折射效应会使得声场出现会聚效应;在不完全声道条件下,深海海底对声场具有重要影响.利用在中国南海海域收集到的一次深海声传播实验数据,研究了深海不完全声道环境下的海底反射对声传播的影响.实验观测到不同于深海会聚区的海底反射会聚现象,在直达声区范围内的海底地形隆起可导致海底反射会聚区提前形成,并使得部分影区的声强明显提高.由于不平坦海底和海面的反射破坏了完全声道环境下的会聚区结构,在60 km范围内存在两个海底反射会聚区,会聚区增益可达10 dB以上,同时在11 km附近的影区和51 km附近形成高声强区域.当接收深度与声源深度相同时,第二会聚区的增益高于第一会聚区.在第一会聚区内,随着接收深度的增加,声线到达结构趋于复杂,多途效应更加明显.使用抛物方程数值分析结合射线理论对深海海底反射会聚区现象产生的物理原因进行了分析解释.研究结果对于声纳在深海复杂环境下的性能分析具有重要的指导意义.     

深海会聚区声场多途时延差分析及声源距离估计*

深海会聚区声道由于具有传播距离远、传播损失低等优势,对实现声呐远程探测具有十分重要的意义。本文基于虚源理论推导了深海会聚区的多途到达时延结构,给出了会聚区内不同声线路径的时延差曲线随接收深度变化的近似表达式,通过分析时延差曲线与声源水平距离之间的关系,提出了一种利用多途时延差估计深海会聚区近海面声源距离的方法,仿真实验验证了该方法原理的正确性。南海实验结果表明,当收发距离在42km~52 km时,会聚区爆炸声源距离估计结果同实际爆炸距离吻合较好,估计误差为0.6%~6.1％,验证了该方法的有效性。     

深海上层声速剖面水平非均匀分布对声场会聚区特性预报的影响

针对深海上层声速剖面水平方向弱变化对声场会聚区特征的影响,通过对0°出射声线传播轨迹的分析,提出了只考虑声源及会聚区位置附近声速剖面水平变化实现深海声场会聚区特征准确预报的方法,该方法有助于降低深海声传播调查时声速剖面水平非均匀分布的测量工作量。通过模拟小振幅内波引起深海上层声速剖面水平非均匀变化,对该方法进行了仿真验证。南海声传播试验数据分析表明,当不考虑上层声速剖面的水平非均匀分布时,模型预报的声场会聚区位置及会聚区能量分布与实测结果有一定差异,该差异具有距离累积效应,到第二会聚区时位置累计误差可达3 km,当考虑会聚区宽度内声速剖面水平变化时,模型预报的声场会聚区位置与实测结果非常吻合,第二会聚区位置预报误差小于1 km。     

东印度洋热带偶极子对声会聚区影响分析

大洋中的物理海洋现象影响着水体的变化,从而对其中的声波传播产生重要的影响.首次在东印度洋海域进行的声学调查实验,发现了印度洋热带偶极子物理海洋现象对声传播的影响,利用穿越热带偶极子的声传播实验数据,分析了声源深度和水体起伏对深海会聚区的影响,并对实验中的声传播现象形成机理进行了理论解释.结果表明:东印度洋深海非完全声道环境下,受热带偶极子形成暖水团和声源深度起伏的影响,第2会聚区没有形成,声源深度变深时,更容易形成深海会聚区;印度洋热带偶极子影响下第2会聚区位置处的水体跃层起伏会对下一个会聚区的形成及位置产生重要影响,使得第3会聚区提前形成,会聚区位置向声源方向偏移2—3 km.研究结果对探测及通信声纳在深海复杂环境下应用具有重要指导意义.     

深海大深度声传播特性及直达声区水下声源距离估计

深海大深度声传播特性对在深海近海底进行水声目标探测和定位具有重要意义。利用一次南海中南部深海不完全声道中的脉冲声传播实验数据,分析了海底附近大深度声传播损失及脉冲多途传播特性,并根据直达波和海底-海面反射波的时延差与收发距离的关系,提出一种利用深海直达声区脉冲多途到达时间进行水下声源距离估计的方法。结果表明:当接收器深度位于南海深海海底附近而声源深度较浅时,直达声区水平宽度可达30 km,传播损失相对影区来说较小,有利于水下声源探测;直达声区的直达波与海底-海面反射波的到达时延差随着收发距离的增大单调减小,可被用于水下声源距离估计。得到水下声源的距离估计结果与实验GPS测量结果较为一致,距离估计均方误差为0.28 km。      

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.     

深海海底斜坡环境下的声传播

海底地形变化对声传播具有很大影响,在南海深海区域海底斜坡环境下进行了一次声传播实验,实验显示倾斜海底环境下声传播损失出现了一些不同于平坦海底环境下的现象,分析并解释了海底地形变化对产生声传播差异的原因.结果表明,海底斜坡对声波的反射增强作用可使斜坡上方的声传播损失减少约5 d B.当声波第一次入射到达的海底位置有较小幅度的山丘(凸起高度小于1/10海深)时,海底小山丘即可对声波有反射遮挡作用,导致在其反射区特定传播距离和深度上出现倒三角声影区,比平坦海底环境下相同影区位置处的传播损失增大约8 d B,影响深度可达海面以下1500 m.而海底斜坡对声波的反射阻挡作用使得从海面反射及水体向下折射的会聚区结构消失,只剩下从水体向上折射的会聚结构.因此,海底地形对深海声传播影响较大,在水下目标探测和性能评估等应用中应予以重视.     

深海不完整声道下反转点会聚区研究

近期南海远程声传播实验数据的处理分析表明在深海不完整声道中声道轴以下存在一种会聚区,该会聚区相比于海面附近的上反转点会聚区在远距离处具有更高的会聚增益.本文利用射线简正波理论确定了水中反转型焦散线和海面反射型焦散线位置,对比发现实验中观测到的深海大深度会聚区位置与水中反转型焦散线位置一致,证明该会聚区是由大量简正波同相叠加形成的下反转点会聚区,其在深海声道轴以下的一定深度范围内都具有会聚效应,研究了该会聚区的形成条件以及声源深度变化对会聚区焦散结构的影响,对比了远距离处上下反转点会聚区的传播损失以及会聚区宽度,分析表明第七个下反转点会聚区的会聚增益仍不小于10 dB,研究了声速垂直结构变化对下反转点会聚区的影响,理论分析结果与实验数据吻合较好.     

南海深海声道中反转点会聚区的实验研究

本文介绍了1983年10月在南海深海声道中进行的一次综合性爆炸声传播实验的结果,目的在于研究水下声道中反转点会聚区的特性。用反转点会聚区的渐近理论以及P-E法对声场进行了计算,实验得到的会聚区位置及会聚增益与计算结果很好符合。     

深远海线性内波条件下声场时间相关性的空间分布

深海声场特定的干涉结构导致其时间相关性的空间起伏,研究这种空间特性可以为水声信号的探测与处理提供重要参考。利用抛物方程声场仿真模型,联合Monte-Carlo数值方法计算分析了深远海线性内波条件下声场时间相关性的空间分布特性。与现有的研究相比,给出了时间相关性的距离和深度起伏特征。结果表明,当接收达到一定距离,声场时间相关性的空间分布具有与声场干涉条纹类似的结构,声场干涉越强,时间相关性越好。此外,声源频率和声速标准差的变化会引起时间相关性空间分布规律的改变,且会聚区传播模式下的改变强于深海声道传播模式。      

基于波数积分的水声传播建模实现方法研究

研究了基于波数积分的水声传播建模数值实现方法,利用局部系数矩阵的映射,建立了全局系数矩阵,分析了保持数值稳定性的方法。用FFP方法实现了数值积分,并讨论了实现过程中的一些细节。结合仿真实例与基于简正波的模型KrakenC和Kraken的计算结果进行了比较分析。结果表明,波数积分方法在近场计算时更为准确,同时还具有容易扩展到复数域计算衰减的问题、容易求解粘弹性介质中声场的特点。     

基于矢量水听器的深海直达波区域声传播特性及其应用

对于深海近水面声源产生的声场, 处于较大深度处的接收器在一定水平距离范围内能接收到直达波. 2014年在某深海海域进行的水声考察实验中, 应用深度为140 m的拖曳声源发射实验信号, 布放在水下3146 m深处的矢量水听器成功地接收到了直达波信号. 本文应用射线理论, 分析了深海直达波区域声场的传播特性, 得出了水平振速与垂直振速的传播损失与声线到达接收点处的掠射角以及收发水平距离之间的关系. 在以上分析的基础上, 提出了一种利用水平振速与垂直振速的能量差估计声源距离的方法, 并结合2014年实验数据对实验中两条航线上8 km范围内的目标声源进行了测距, 测距结果与目标的GPS数据符合得较好.     

西北太平洋副热带模态水区域声传播特性*

西北太平洋副热带模态水(STMW)是在西北太平洋夏季出现的温跃层中温度、盐度和密度具有垂向均一性的水团。由于西北太平洋副热带模态水(STMW)的存在,深海声速剖面呈现出双跃层结构,对深海远程声传播产生较大的影响。本文对比分析了西北太平洋副热带模态水(STMW)区域夏冬两季典型声速剖面环境下的声传播规律。分析结果表明,夏季声速剖面环境下,声源位于浅层声道宽度内时,声传播为浅层声道的类深海声道传播与会聚区传播的复合形式。掠射角较小的声线被限制于浅层声道中,增加了会聚区内的到达结构,并且增强了在影区的声能量,在第二影区内的传播损失比冬季声速剖面环境下最多低近60dB。本文推导了浅层声道的截止频率的近似表达式,分析结果表明,截止频率主要由浅层声道的宽度和正梯度段的声速差值决定,夏季STMW区域浅层声道截止频率主要集中在100Hz左右。     

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.     

会聚区的水平偏移特性及其临界频率分析

利用数值模型研究了完整深海声道中会聚区的水平偏移特性,根据折射定律和Lloyd镜效应推导了会聚区发生水平偏移时临界频率的表达式。研究结果表明:当声波频率低于临界频率时,会聚区的主导模态与频率相关,随着声波频率减小会聚区会向靠近声源的方向水平移动,同时传播损失明显增大,当声波频率大于临界频率时,会聚区的主导模态近似与频率无关,会聚区的位置和传播损失大小不会随频率改变而发生明显变化,声源深度不同时,临界频率也不同。通过临界频率可以确定在特定声源深度下,会聚区发生水平偏移时需要满足的频率条件,利用临界频率与声源深度之间的关系,可以被动估计深海浅层目标的深度。      

大气声传播通道的声源当量估计方法

提出了一种基于大气声传播通道的爆炸声源能量估计方法,通过将计算大气声学的传播能量分布结果与大气中传播的声压幅度衰减模型相结合,使用平流层通道与热层通道传播损失能量比例作为修正量,提高了对爆炸声源能量的估计精度。在多次地面爆炸实验得到的数据中,使用观测距离800 km以上且同时存在平流层通道与热层通道的次声接收信号,对比了平流层顶风速修正的能量估计方法与该文提出的基于大气声传播通道的能量估计方法。实验结果验证了相对于传统风速修正的能量估计方法,该方法可显著降低估计误差。     

基于任意拉格朗日—欧拉型移动网格的反应流广义黎曼问题方法

提出一种在自由重映移动网格下的广义黎曼问题方法模拟反应流.该方法基于显式的自由重映移动网格广义黎曼问题的解.为保证在时间和空间上的高精度，应用广义黎曼问题方法构造数值通量.为保证反应区的高分辨率，采用变分法生成自适应移动网格.该方法不仅能够保证网格质量，而且能有效地避免任意拉格朗日—欧拉方法中由于显式重映过程而带来的数值误差.包括CJ爆轰及不稳定爆轰的数值实验说明该格式的精确性和鲁棒性，证明这种移动网格下的二阶广义黎曼问题方法可以较好地捕捉反应流的间断与光滑结构.     

浅水时变多途信道特性分析与模型实验研究

时变多途水声信道是影响水声通信性能的一个重要因素,深入了解水声信道挣性并对水声信道进行建模具有重要的研究意义。本文在分析传统时变信道模型基础上,从时域角度出发,提出采用AR(ρ)模型对已有的浅水时变多途信道模型中的小尺度衰落分量进行修正。然后基于莲花湖实测信道数据,分析了时变信道各个路径的幅度、时延、时间相干系数、系统传递函数等特性,并对修正模型进行了验证正。从仿真结果来看,修正模型与试验结果拟合的很好。本文从多个方面对水声信道特性进行了分析,有助于对水声信道的深入了解,同时为水声通信系统性能评估提供了一种仿真信道模型。