海洋水声环境敏感区诊断与适应性观测研究进展

传统的海洋水声环境观测通常是大范围的随机观测,缺少针对性,非常时期观测平台在交战海区实施系统观测困难,如何利用有限的观测资源获取有效的观测数据提高观测效率是目前亟需解决的问题。本文提出海洋声学敏感区诊断与适应性观测概念,介绍了相关研究进展,该项研究有助于我们改进目前传统的观测系统设计,提高观测网建设效益,根据敏感区位置,可建立移动的补充观测系统开展适应性观测,从而发展我国新型的海洋观测体系,为改善海洋水声环境预报质量提供有效观测数据。     

海洋-声学耦合模式捕捉水声环境不确定性

考虑到海洋环境的时空变化对水声环境不确定性的影响,建立了海洋-声学耦合数值模式,实现了并行计算。该模式将声学计算纳入到运动的海洋中,从而实现了对水声环境的动态预报和估计。同时,采用集合预报方法对典型断面的温度垂直结构、实验海区声速剖面和传播损失进行预报,并给出了声速剖面的预报误差、不同深度与频率下,传播损失90%的概率区间以及声速、传播损失、声呐作用距离的不确定性直方图。结果反映了海洋时空变化对水声环境不确定性的影响,量化了水声环境中不确定性的大小。实验结果表明该方法可以刻画海洋动态变化引起的水声环境不确定性,并对其进行了量化和描述。      

海洋-声学耦合模式捕捉水声环境不确定性

考虑到海洋环境的时空变化对水声环境不确定性的影响,建立了海洋-声学耦合数值模式,实现了并行计算。该模式将声学计算纳入到运动的海洋中,从而实现了对水声环境的动态预报和估计。同时,采用集合预报方法对典型断面的温度垂直结构、实验海区声速剖面和传播损失进行预报,并给出了声速剖面的预报误差、不同深度与频率下,传播损失90%的概率区间以及声速、传播损失、声呐作用距离的不确定性直方图。结果反映了海洋时空变化对水声环境不确定性的影响,量化了水声环境中不确定性的大小。实验结果表明该方法可以刻画海洋动态变化引起的水声环境不确定性,并对其进行了量化和描述。     

海洋-声学耦合过程初始温度误差传递与发展

针对海洋初始温度场误差到水声传播误差的传递以及随时间演变发展的问题,优化海洋-声学耦合模式,通过对比遥感数据,验证了模型的可靠性。在此基础上,采用在控制试验温度初始场上加扰动的方法进行传播损失全局误差发展和区域误差发展试验。结果表明,初始温度场全局扰动在经过5天繁殖后使传播损失误差达到饱和,且扰动分布结构和海洋运动规律基本保持一致;对于在黑潮流域设定的目标海区,其上游区域的初始扰动发展最快。该结论可为开展海洋声学适应性观测提供依据。      

动态水声环境不确定性的预报与估计

水声环境具有强烈的时空易变性,为了解其变化中的规律和产生的不确定性,将POM海洋数值模型和水声传播模型FOR3D进行耦合,建立海洋—声学耦合数值模式。对海区的温盐等环境参数和水下声场进行预报,给出了典型断面的温度垂直结构、实验海区声速剖面和传播损失。同时,采用集合卡尔曼滤波(EnKF)方法结合海洋—声学耦合数值模式分析了水声环境的不确定性,对不同深度与频率下,传播损失的均值与满足90%的可能区间进行了计算,同时给出了不同点声速、传播损失、声纳作用距离的不确定性直方图。和实验数据的对比结果表明该方法具有较高的有效性,能对水声环境的不确定性进行合理的预报与估计。     

北极水声学：一门引人关注的新型学科

北极水声学是一门研究北极及其毗邻海域水声环境效应的学科。研究内容包括海洋环境噪声,特别是冰盖下的海洋环境噪声;北极海区的混响特性;北极及其毗邻海域的水声传播规律、冰盖下的水声通信,以及由于北极海区的独特环境(所谓半声道效应)而给水声信号处理带来的新的研究课题。北极水声学的研究开始于二次世界大战之后,当时的研究内容明显的带有冷战的烙印。近年来由于地球变暖的趋势,北极冰区面积持续减少,北极航道有望开通。又由于北极高纬度地区的丰富的自然资源,引起各海洋大国的高度关注,北极水声学已成为新的研究热点,并注入了新的内容。本文综述介绍北极水声学的研究概况,以及和北极声学密切相关的海洋声学方面的研究课题。自从上世纪90年代以来,我国科学家对探索北极表现了极大兴趣,本文简要介绍我国对北极的5次海洋考察和正在进行的第6次考察。对我国在北极及其毗邻海域水声学研究方面所面临的挑战提出初步的应对措施。     

采用被动声监测方法识别波弗特海区域海洋水声环境

为了研究北冰洋冰下水声环境的噪声特性,对2016年中国第七次北极科考期间在波弗特海进行的声学观测实验获取的数据集,采用时间统计分析和频域谱分析方法进行了处理,讨论了处理结果与同时期获取的海洋、大气之间的联系。针对冰下噪声长期监测和北冰洋水声环境特性的准实时观测,确定了描述冰下水声环境特性的参数组,给出了处理方法和流程,用于基于被动声监测的水声环境识别,指导研究设计和硬件选择。回传的实测结果可以与已发表的结论进行比较,从而确切描述和理解北冰洋水声环境的变化。     

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。      

海洋环境噪声研究发展概述及应用前景

海洋环境噪声是海洋声场的背景场,通常被当作干扰项。在传统的水声学和海洋声学中,对海洋环境噪声的研究目的大多是为了降低或抑制环境噪声对水下设备的干扰,提高水下设备的性能和作用距离。目前,许多国家纷纷投入力量,开展海洋环境噪声数据获取、分析及噪声场建模工作。从另一个角度考虑,海洋环境噪声是海洋中永恒存在的声场,包含了水体及海底海面等环境特性信息。因此,可利用海洋环境噪声来研究海洋环境物理特性,通过低代价换取丰富的海洋声学信息。若能对海洋环境噪声的宽频带和任意时间存在的特性加以利用,则可以从海洋环境噪声中提取出相关的海洋环境参数。     

海洋—声学耦合过程不确定性快速预报

针对海洋声速空间非均匀和时变条件下的声场不确定性快速预报问题,根据海洋-声学耦合模式预报声速场时空变化过程,获取声速垂直结构不确定性分布规律,提出经验正交函数-随机多项式展开方法,以降低不确定参数维度,得到声场不确定性分布.数值计算表明该方法在保证同等精度的同时可大幅减少计算量,相比常规随机多项式展开方法计算效率可提高2个数量级,且计算量不随声速剖面复杂程度变化而改变.经海上实验验证,结果表明该方法可实现环境不确定性条件下的声场及其不确定性的快速预报。      

海洋声场中分布式无源定位系统的节点配置方法

为了提高海洋声场中分布式无源定位系统的定位精度,提出一种基于自适应遗传算法的节点配置方法。首先,基于到达时间TOA(Time of Arrival)定位算法推导出均匀物理场与海洋声场中定位误差的CRLB(Cramer Rao Lower Bound)。之后,利用BELLHOP模型对海洋声场进行建模,获得任意位置处目标声源与节点接收信号相关的传递函数并对等效声速进行计算.以目标声源在观测区域内服从均匀分布为例,将定位误差的平均CRLB最小为优化准则,采用自适应遗传算法对节点进行优化配置。结果表明,该方法能够有效降低海洋声场中分布式无源定位系统的定位误差,并给出定位误差随节点个数增加呈非线性递减的变化趋势,可为工程应用提供理论指导。      

利用海洋环境噪声估计海流流速

为了观测海流在短时间尺度上的变化,基于被动声层析原理,提出了一种利用浅海海洋环境噪声估计海流流速的方法.通过波束形成增加噪声互相关函数的能量积累,从环境噪声互相关函数提取出两个水平阵列间的经验格林函数,利用经验格林函数的时间到达结构反演阵列间的浅海海流流速.海上实验数据处理结果表明,该方法提取了2h时间平均的经验格林函...     

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。      

卷积神经网络主动目标方位估计

复杂海洋环境中信道的传输特性、时空变化、频散效应等一定程度上制约了主动声呐目标方位估计的性能。该文引入卷积神经网络(CNN),提出了适用于主动声呐中目标方位的高精度估计方法。仿真声场环境为浅海负梯度,主动发射信号为具有多普勒不变性质的双曲调频信号,水平线列阵作为接收装置,目标按仿真路线运动。该文利用Kraken进行声场数据仿真,并对接收的信号在频域做均匀加权常规波束形成,进而进行卷积神经网络的模型训练和测试。数值仿真研究表明,该文所用方法可以有效估计目标波达方向,对信噪比具有一定的鲁棒性。     

深海海底反射区声场的相干结构及其有源声呐估距

有源声呐在探测深海海底反射区的目标时,由于声线大掠射角弯曲且声速沿声线传播路径不断变化,造成了常规估距方法产生较大的误差。有效声速法是减小常规估距方法误差的有效途径,但由于需要预先计算空间每一位置点的"声线时延有效声速"对,复杂度高,实时性差。针对有效声速法的实时性问题,本文基于深海海底反射区声场的相干结构,提出一种改进的有效声速估距方法.首先指出深海声场能量沿声源出射角强弱相间变化及其引起的海底反射区离散声呐可探测区现象,并利用深海近水面声源的声线干涉效应解释了该现象的物理机理,建立了声呐可探测区与高能量声线的量化关系。在此基础上,计算声呐可探测区边界位置的"声线时延-有效声速"对,并线性拟合出可探测区所有位置点对应的值。经仿真验证,该方法与传统的有效声速法均可实现对常规估距方法估距误差的有效校正。虽然该方法估距精度较传统的有效声速法略有增大,但计算复杂度和计算时间显著减小,实时性好,具有良好的工程应用前景。      

Capturing uncertainties of the underwater acoustic environment based on an ocean-acoustic coupled model

Considering the uncertain effects of temporal and spatial changes in the marine environment on the underwater acoustic environment,we established an ocean-acoustic coupled numerical model and performed a parallel calculation.This model incorporated acoustic calculations into the dynamic ocean,thereby achieving a dynamic forecasting and assessment of the acoustic environment.Furthermore,we adopted the ensemble prediction method to predict the vertical structure of temperature in a classic cross-section,the sound speed of the cross-section of the investigated sea area,and transmission losses.We gave the prediction errors of the sound speed profile as well as the 90%probability interval of transmission losses and the uncertainty histograms of the sound speeds,transmission losses,and sonar ranges at different depths and frequencies.The results reflected the influence of marine temporal and spacial variations on the uncertainties of the underwater acoustic environment,and the results also quantified the uncertainties of the underwater acoustic environment parameters.The experimental results indicate that the method used in this study is able to delineate and quantify the uncertainties of the underwater acoustic environment caused by marine dynamic changes.