声速剖面反演对基阵倾斜失配的敏感性研究

通过推导基阵倾斜失配给声传播时间计算带来的误差,分析了这种参数失配对基于声传播时间的声速剖面反演结果的敏感性。研究结果表明,小角度倾斜时,由基阵倾斜所带来的声速剖面反演误差与倾斜俯仰角近似成正比,与声传播时间近似成反比。当基阵倾斜方位与声源一基阵连线方向一致时带来的误差最大,而垂直时误差最小。理论计算与仿真、实验结果在变化趋势和数量级上具有较好的一致性,为反演误差预报提供了参考。     

声速剖面反演对基阵倾斜失配的敏感性研究

通过推导基阵倾斜失配给声传播时间计算带来的误差,分析了这种参数失配对基于声传播时间的声速剖面反演结果的敏感性。研究结果表明,小角度倾斜时,由基阵倾斜所带来的声速剖面反演误差与倾斜俯仰角近似成正比,与声传播时间近似成反比。当基阵倾斜方位与声源一基阵连线方向一致时带来的误差最大,而垂直时误差最小。理论计算与仿真、实验结果在变化趋势和数量级上具有较好的一致性,为反演误差预报提供了参考。      

负梯度声速剖面的浅海混响平均强度的垂直结构

声速剖面是影响声场能量重新分配的主要参量。混响包含有双程传播和反向散射过程,文中根据全波动混响理论,从声速剖面对简正模态的垂直结构的影响出发,通过数值仿真和理论分析研究了负梯度声速剖面对双程传播损失和反向散射强度的垂直结构的影响,进而得到声速剖面对混响平均强度的垂直结构的影响。数值仿真结果表明,传播距离近的条件下,混响平均强度的垂直结构受声速剖面的影响在实际应用中可以忽略不计;传播距离足够远,并且相对声速梯度在10-4 m-1量级时,混响平均强度的垂直结构才会受声速剖面的影响有明显的变化。负声速梯度下的混响实验也表明,在有限的混响时间内,混响平均强度的垂直结构保持稳定。      

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。     

深海表面层声速剖面变化对声传播的影响

在我国部分海域，表面声速常常在较短的时间内从弱正梯度变为弱负梯度，这将对表面附近的声传播产生巨大影响。本文通过数值模拟的方法，讨论了表面层声速梯度变化对声传播的影响，同时解释了某次海上实验出现的异常现象：在同一地点同一航向，前后两天海况相同，水文相差不大，第一天的实验可以在50km之外接收到信号，而第二天只能在30km处才能收到信号。     

一种低声速沉积层海底参数声学反演方法

软泥底环境下沉积层参数的声学反演是国际水声领域的一个研究热点.浅海中,当高声速基底和海水之间存在一层低声速(小于海水声速)的沉积层时,小掠射角情况下不同频率声传播损失会出现周期性增大现象.基于此现象,提出一种适用于低声速沉积层的海底参数声学反演方法.首先,推导给出小掠射角情况下传播损失周期增大的频率间隔与沉积层声速、厚度及近海底海水声速之间的解析表达式;其次,利用一次黄海实验中软泥底环境下的宽带声传播信号,提取了小掠射角下传播损失增大的频率周期;再次,把该解析表达式作为约束条件,结合Hamilton密度与声速的经验公式,采用匹配场处理反演给出沉积层的声速、密度、厚度及基底的声速、密度;然后,利用声传播损失数据反演得到泥底环境下不同频率的声衰减系数,通过拟合发现泥底声衰减系数随频率近似呈线性关系;最后,给出了双层海底模型和半无限大海底模型等效性的讨论.反演结果为低声速沉积层海底声传播规律研究与应用提供了海底声学参数.     

点噪声源在近程声场中传播损失的仿真研究

在分层介质条件下，用本征声线法仿真计算了点声源这距离噪声场的传播损失曲线，仿真结果表明，其传播损失不仅依赖于声速分布，海区深度，海底反射特性等环境条件，也依赖于声源及接收水听器的深度，声传播损失显著不同于球面波衰减规律，其传播损失率差别可达８ｄＢ，这表明在测量舰船目标的辐射噪声声源级时必要的声场校正测量是必须的。     

南中国海海域存在孤立子内波条件下的 声场统计特性*

利用南海浅海海域低频声传播起伏实验中获取的水文数据，结合二维平流模型重构出声传播路径上的动态声速场，使用蒙特卡洛方法研究了有、无孤立子内波经过声传播路径条件下的声传播损失统计特性，并与实验结果进行了对比分析。仿真和实验结果表明：当孤立子内波经过声传播路径时，声传播损失起伏剧烈；与“下发上收”相比，“下发下收”情况下传播损失的概率分布更加分散。     

大陆架低频声传播建模研究

在过去的几十年中大陆架斜坡海域的低频声传播得到越来越多的重视。针对爆炸声作为声源的一次海上实验测量数据,对大陆架海域的低频远距离声传播进行了建模研究。在实验过程中单水听器布放在水下大约240m处接收爆炸声信号,对两条不同测线的传播损失进行了处理。本文结合海底地声模型并考虑了声速剖面的水平变化,利用抛物方程方法对传播损失进行建模。模拟计算该海域的传播损失同实验测量数据相比具有较好的一致性。     

相控阵多普勒计程仪声基阵输出信号模型

相控阵多普勒计程仪具有基阵体积小，无需进行声速补偿等优点。本文在讨论相控阵多普勒计程仪原理的基础上，推导了速度解算公式，验证出公式与声速无关，进而推导出声基阵的输出信号模型，利用此模型便可模拟相控阵的输出信号。     

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。     

单声线水声MIMO信道容量的研究

本文对水声MIMO(Multiple-Input-Multiple-Output)信道容量受收发阵元数目、间距,收发阵位置、方向,平均接收信噪比以及声速剖面的斜率的影响,在收发阵元之间只存一条声线的情况下,通过WKB近似进行了初步的研究。从计算结果可以看出,当收发阵元对之间只存在一条声线时,阵元间距会对MIMO信道容量产生重要影响:当收发阵元间距足够大时, MIMO系统的信道容量将随着接收信噪比和收发阵元数线性增加,一个m×m的MIMO系统的信道容量将为相应的 SISO(Single-Input-Single-Output)系统的m倍,收发阵的方向也会对MIMO系统信道容量产生较大的影响,另外,收发阵的深度、距离也会对水声MIMO信道容量产生影响,声速剖面的斜率在一般水声信道的声速变化范围内,对信道容量的影响不大。     

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.     

浅海起伏海面下气泡层对声传播的影响

分析了起伏海面下风浪引起的气泡层对海面反射损失和对声传播的影响.一方面,气泡层会改变原来水中的声速剖面;另一方面,气泡层会对声波产生散射和吸收作用.考虑以上两方面的因素,分析了不同风速下气泡层对海面反射损失和声传播损失的影响,仿真发现,在风速大于10 m/s时,对于2 k Hz以上频率时气泡层对小掠射角下海面反射损失的影响不可忽视.在给定的水声环境中,当声源深度和接收深度都为7 m时,风速为16 m/s的风浪下生成的气泡层,在10 km处对3 k Hz的声传播损失的影响达到8.1 d B.当声源深度和接收深度都为18 m时,风速为16 m/s的风浪下生成的气泡层,在10 km处对3 k Hz的声传播损失的影响达到4 d B.     

Broadband sound propagation in shallow water and geoacoustic inversion

Part of an experiment to test a measurement package in a shallow water region in the Gulf of Mexico was designed to gather broadband acoustic data suitable for inversion to estimate seabed geoacoustic parameters. Continuous wave tow acoustic signals at multiple frequencies and broadband impulsive source signals were recorded on a horizontal line array in a high-noise environment. Simulated annealing with a normal mode forward propagation model is utilized to invert for a geoacoustic representation of the seabed. Several inversions are made from different data samples of two light bulb implosions, the measured sound speed profiles at the HLA and at the positions of the light bulb deployments, and for two different cost functions. The different cost functions, measured sound speed profiles, and measured time series result in different inverted geoacoustic profiles from which transmission loss is generated for comparison with measurements. On the basis of physical consistency and from the comparison of the transmission loss and time series, a best estimate geoacoustic profile is selected and compared to those obtained from previously reported inversions. Uncertainties in the sound speed profile are shown to affect the uncertainties of the estimated seabed parameters.     

利用海洋环境噪声估计浅海海底表层声速

为提高反演效率,提出一种快速估计浅海海底表层声速的方法。根据噪声能流理论,垂直阵接收的海洋环境噪声数据能够用于无源提取海底反射损失,反射损失曲线中具有明显的临界角效应,从而接估计海底表层声速。以射线模型为基础,推导了噪声提取的反射损失与理论值之间的差异,并讨论实际阵列波束形成在不同角度和频率下的性能。考虑到非等声速环境下声线会发生弯曲,需对角度进行修正以提高方法的广泛适用性。不同频率的临界角与有效深度之间存在对应关系,黄海某海区数据处理结果表明,在临界角不变的有效深度内,海底表层可以视为等声速层,该海区海底表层0.5 m内声速估计结果为1547 m/s,与有源反演结果相近。      

Sound speed profile inversion using a horizontal line array in shallow water

It is better to use a simple configuration to enhance the applicability of ocean environment inversion in shallow water.A matched-field inversion method based on a horizontal line array(HLA)is used to retrieve the variation of sound speed profile.The performance of the inversion method is verified in the South China Sea in June,2010.An HLA laid at bottom was used to receive signals from a bottom-mounted transducer.Inverted mean sound speed profiles from 9-hour long acoustic signals are in good agreement with measurements from two temperature chains at the sites of the source and receiver.The results show that an HLA can be used to monitor the variability of shallow-water sound speed profile.     

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。      

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。