深度约束下的声速估算

高精度的声速剖面数据是提高水下定位精度的关键。在无法精确获得声速剖面数据的情况下,该文提出了一种基于深度约束,同时根据浮标与水下目标的空间几何距离进行有效声速估算的方法。通过仿真模拟,将该文提出的方法与加权平均声速法、泰勒级数展开法和等效声速剖面法的定位结果进行对比分析。结果表明,新方法不需要依靠声速剖面数据,通过深度约束可有效地估算出声速值,其定位精度与等效声速结果相当,极大地提高了无声速剖面数据下的水下定位精度。     

浅海复杂环境下等效声速剖面的构建方法*

针对浅海复杂环境声速剖面水平变化情况下的声传播损失预报及目标定位问题,提出了一种基于遗传算法的等效声速剖面重构算法。首先,将声速剖面进行时间和空间上的分解,从而将声速剖面抽象为对声速剖面前三阶正交函数系数的反演;其次,利用遗传算法,以先验声速剖面集为基础,进行参数反演。仿真结果表明,在浅海复杂条件下,传播损失预报受声速剖面及海洋参数的影响,不能直接运用接收或发射位置处的声速剖面进行传播损失预报,否则会对预报结果造成误差。通过构建具有声传播累积效应的等效声速剖面可以提高匹配场定位精度,完成目标定位,且在构建等效声速剖面时,接收位置处即本地声速剖面所占权重较大。     

浅海声速剖面与移动声源的跟踪定位

在水平非均匀分布的浅海环境中,针对移动声源跟踪时,声速剖面的变化会对声场产生影响,提出了一种利用集合卡尔曼滤波算法的声速剖面跟踪反演和移动声源跟踪定位的方法。首先,将声速剖面进行距离和深度的参数化表示,从而将对声速剖面的跟踪转化为对声速剖面前3阶经验正交函数系数的跟踪;其次,通过将声源状态信息和声速剖面信息表示为状态变量,而将垂直线列阵接收到的声场信息作为测量值建立状态-测量模型,然后利用集合卡尔曼滤波方法对模型状态变量进行跟踪。仿真结果得出:声速剖面跟踪反演的均方根误差和移动声源跟踪定位的绝对误差都非常小,对声源的跟踪定位精度很高。并且通过增加集合样本数、增加接收信号信噪比以及增加接收阵元数目都可以提高跟踪定位结果精度。最后,利用东海实验数据对本方法进行了验证。      

浅海时变声速环境下的自适应匹配场定位算法实现*

针对浅海环境下声速剖面失配引起的匹配场处理器失配问题,提出了一种自适应匹配场定位算法在声速剖面时变环境下的实现方式。将先验声速剖面集简化为经验正交函数表示,结合蒙特卡洛方法与环境扰动约束算法对当下时刻的目标声源进行匹配场定位。本文以某次试验获取的连续20小时的声速剖面数据为研究对象,通过仿真试验对该算法进行验证,结果表明：在先验声速剖面集的半小时之后,利用自适应算法的距离和深度定位成功率较常规匹配场算法有较大提升,其中,深度正确定位概率相对较低。     

南海北部海域声速剖面水平变化环境声学层析

为获取水平变化的海水声速分布,在等效平均海水声速反演基础上,提出了一种声速剖面水平变化环境声学层析方法。首先利用经验正交函数结合匹配场处理方法反演不同距离下的等效平均声速剖面,进而通过逐步迭代重构出随水平距离变化的声速场分布,并通过数值仿真及海上实验两方面验证了声速剖面水平变化环境声学层析方法的可行性及其准确性。结果表明:声速剖面水平变化环境声学层析结果与实验测量声速剖面均方根误差小于0.8 m/s,利用声传播信号基本能较为准确地重构出随距离水平变化的海水声速分布,为进一步层析中尺度三维结构及声呐水声环境保障应用奠定了基础。      

声速剖面对不同深度声源定位的影响

在对一次试验数据进行匹配场定位处理时发现, 选取声速剖面有轻微失配的情形下, 水面弱声源显现, 水下强声源反而消失. 基于该现象研究了声速剖面失配对不同深度声源定位的影响. 首先通过仿真试验排除海上试验中不确定因素的影响, 进一步得出深处声源定位受声速剖面失配影响较大的结论, 并针对夏季负跃层情形进行跃层深度失配的仿真, 初步得出在跃层下边界以下10 m附近处的声源对声速剖面失配最敏感. 最后从简正波的角度进行理论分析, 分两点对这一现象进行了合理解释.     

海洋声学环境下水中声源的时延估计法定位精度分析

水中声源的定位精度受到海洋声学环境的重要影响。结合海上试验的实际应用,分析了水下观测平台采用时延估计法对声源的定位精度问题。根据理论分析,计算了时延估计误差、海洋中声速不均匀、平台非稳性、及声传播起伏等因素引起的俯仰角和方位角误差。利用误差传递公式,获得了上述因素引起的不同平台深度下,不同距离声源的定位误差。比较了采用平面阵与立体阵、是否补偿声线弯曲效应等条件下定位误差的变化,并通过海上试验结果进行了部分验证。研究结果表明,海洋声速不均匀对定位误差的贡献最大。采用立体阵代替平面阵、测量海洋声速剖面并补偿声线弯曲引起的定位误差,在1000m距离上可使定位相对误差从最大30%降低到约10%,有效提高了较远距离上的定位精度。研究结果对于采取措施提高水中声源的定位精度有指导意义。      

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.     

经验正交函数与广义数值环境模式重构声速剖面的比较

本文利用Argo资料对经验正交函数(EOF)和GDEM模式拟合声速剖面的效果进行了比较。结果表明,两种方法都能较好地重构局地声速剖面。EOF方法的拟合精度与选取的EOF阶数有关,阶数越高,精度越高;GDEM模式的拟合精度介于EOF的前5阶到前10阶之间。EOF易受到样本数量和采样深度的限制,难以提供完整的声速剖面;而GDEM模式能够将剖面扩展到更深的深度,与仅有上层海洋采样数据的声速剖面相比,结合深海水团的信息可使拟合结果达到更高的精度。     

南海北部负跃层环境下海底参数声学反演

利用2015年南海北部声学实验的实验数据,对海底声学参数进行反演。在综合分析声速起伏及海底模型对海底反演影响的基础上,通过选择等效的海水声速剖面和海底模型,改进了多参量联合地声反演方法,使得其不仅能解决反演中的多值性问题,还能适用于负跃层起伏环境下的声学反演。即当用匹配场反演海底声速和用传播损失反演海底衰减时,如果温跃层内有内波等随机起伏,可使用传播路径上平均声速剖面和单层等效海底进行声场计算。反演得到的海底声速和密度结果与海底采样测量符合较好,拟合给出了海底衰减系数随频率的非线性经验关系式。反演结果可为南海北部声传播规律研究与应用提供海底参数。      

多子阵组合的短基线声学定位系统数据优化方法*

短基线声学定位系统是一种常用的水下声学定位设备,为提高适用性,常采用多阵元接收阵的方式进行水声定位,其工作时将带来冗余的测距数据和定位结果,而部分冗余数据的解算定位结果误差较大（以下简称奇异值）,其代入融合将导致最终定位结果的误差不减反增。为解决该问题,本文分析奇异值特征,提出了基于多子阵组合(Multiple Subarray Combination,以下简写MSC)的短基线声学定位数据优化方法。该方法将空间阵中划分出的各单元子阵进行筛选,对冗余数据进行优化,筛除会引入较大误差的中间数据,进而提高定位精度。计算机仿真及实际测试数据表明：该方法可实现整体声源定位精度的提高。同时与传统定位方法相比可有效减小运算量,提高整体定位系统的性能。     

Stability and a fast calculation method of travel speed of pulse peak in convergence zone

A long-range sound propagation experiment was conducted in the West Pacific Ocean in summer 2013.The signals received by a towed array indicate that the travel speed of pulse peak(TSPP)in the convergence zones is stable.Therefore,an equivalent sound speed can be used at all ranges in the convergence zones.A fast calculation method based on the beam-displace-ment ray-mode(BDRM)theory and convergence zone theory is proposed to calculate this equivalent sound speed.The computation speed of this proposed method is over 1000 times faster than that of the conventional calculation method based on the normal mode theory,with the computation error less than 0.4%compared with the experimental result.Also,the effect of frequency and sound speed profile on the TSPP is studied with the conventional and fast calculation methods,showing that the TSPP is almost independent of the frequency and sound speed profile in the ocean surface layer.     

基于并行蚁群算法的长基线定位方法*

为了降低各个误差源对水声目标导航定位精度的影响,该文将水声目标导航定位问题抽象为带约束条件的非线性优化问题,并论证了最优化表达式参数求解过程与降低误差源干扰的过程具有同一性;设计了并行蚁群算法求其最优解。海试数据处理结果表明,该方法具有收敛速度快、解稳定和定位精度高等优点,能有效地降低各个误差源对水声目标导航定位精度的影响。     

自回归状态空间模型下时变声速剖面跟踪方法

讨论了一种适用于浅海的时变声速剖面跟踪方法。该方法将时变水体声速剖面的反演问题建模为由描述声速剖面时变特性的状态方程与包含声压场局部测量信息的测量方程组成的状态-空间模型,提出利用自回归分析拟合方法将声速场扰动建模为高阶自回归演化模型,并通过集合卡尔曼滤波序贯地估计时间演化的海洋声速场。利用2001年亚洲海实验环境与声速测量数据,仿真分析了基于高阶自回归演化模型的时变声速剖面集合卡尔曼滤波估计方法。结果表明,相比于利用传统随机游走状态演化模型的估计方法,该改进方法可有效降低声速的跟踪误差,并且在较低信噪比条件下仍具有较好的跟踪性能。      

A study of how temperature field variations affect accuracy in measuring the distance to underwater objects

The paper presents the experimental testing results for an acoustic method that increases the accuracy of measuring underwater object positioning systems; the method is based on application of temperature field measurement data in a water area where an underwater object functions. Measurements conducted in September 2011 in Vityaz Bay of Possiet Bay have shown that application of the method permits a two- to threefold reduction in the positioning error related to the change in the sound propagation conditions.     

Tracking of time-evolving sound speed profiles with an auto-regressive state-space model

An approach for time-evolving sound speed profiles tracking in shallow water is discussed.The inversion of time-evolving sound speed profiles is modeled as a state-space estimation problem,which includes a state equation for predicting the time-evolving sound speed profile and a measurement equation for incorporating local acoustic measurements.In the paper,auto-regression(AR) method is introduced to obtain a high-order AR evolution model of the sound speed field time variations,and the ensemble Kalman filter is utilized to track the sound speed field.To validate the approach,the accuracy in sound speed estimation is analyzed via a numerical implementation using the ASIAEX experimental environment and the sound velocity measurement data.Compared with traditional approaches based on the state evolution represented as a random walk,simulation results show the proposed AR method can effectively reduce the tracking errors of sound speed,and still keep good tracking performance at low signal-to-noise ratios.     

基于波导不变量的空中和水下声源分辨方法

波导不变量反映了水下声场多途传播的干涉结构特征。将波导不变量的提取分析应用于空气中声源产生的水下声场,通过数值仿真分析了波导不变量分布随深度的变化,提出了利用小深度接收声场提取的波导不变量分布来分辨空中和水下声源的方法。分析了空气中声速和风速剖面对该方法的影响,指出在实际海上环境条件下,当出现逆温现象或者当接收器在声源下风方向时,该方法是有效的。