深海海底声反射区多途时延差分析与近海面声源定位

深海海底反射声工作方式下的声场主要由4条一次海底反射声线路径构成。根据4条声线路径到达接收点的时间不同,可以得到6个不同的声线到达时延差值,当声源位于近海面时, 6条声线路径的时延差曲线随接收深度近似呈线性变化。本文基于虚源理论推导了海底声反射区的多途到达时延结构,给出了6条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和深度之间的关系,提出了一种利用多途时延差估计深海海底声反射区近海面声源距离与深度的方法,仿真实验与影响因素分析验证了该原理的正确性。南海实验结果表明,当收发距离在10～33 km时,距离估计结果和深度估计结果都同实际声源距离和深度吻合较好,估计误差不超过15%,验证了该方法的有效性。     

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。     

基于路径选择的深海水下运动目标被动深度估计

深海水下运动目标的深度估计是目标分辨与识别中的重要一环。基于深海运动目标在深海中的直达波与海面反射波的到达时延与位置之间的关系，寻找时延图上运动目标的候选路径，利用候选路径模拟目标的运动路径，提出了一种可用单水听器实现的水下运动目标深度估计方法。通过用候选路径的估计时延与实际接收时延的比较对路径进行筛选，从而减少了需要的位置先验信息。2018年在南海进行的深海实验数据处理的结果表明该估计方法可行，对于实验中距离15km以内的拖曳声源，深度相对估计误差可以达到15%以内。     

深海声影区稀疏时延估计与声源测距

研究了深海声影区中经一次海底反射的多途声线到达垂直双水听器的时延差与声源位置的关系,提出了一种稀疏时延估计与声源测距方法。首先利用近海面布放的短间距垂直双水听器接收一定频带的声信号,然后计算接收信号的广义互相关函数,并利用频谱搬移和稀疏解卷积技术提取时延差,最后通过时延差匹配,估计水下声源的距离。仿真实验表明,在4300 m深海中,所提方法能够正确提取多途到达时延差,估计声影区内的声源距离。海试结果表明,当垂直接收孔径分别为21 m和30 m时,声源测距误差分别小于13.6%和8.1%。上述结果表明,所提出的时延估计方法可适应带宽较窄的接收信号,多途到达时延估计参数可用于实现声影区中的水下声源测距。      

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.     

浅海空气声入水传播特性分析

结合射线和波数谱积分方法,对空气声入水传播途径进行了分析,利用海上试验数据进行了比较检验。结果表明,在浅海环境中,对水下声场有主要贡献的空气声入水传播途径,主要是透射穿过海面边界的折射直达声以及后续的海底反射声途径,其中折射直达声途径的贡献主要集中在声源正下方附近区域,当距离较远时,由于声线扩展损失效应以及直达声影区两方面的限制,折射直达声传播损失显著增加,对接收声场起主要贡献的是可以到达更远水平距离上的海底反射声,包括海底海面多次反射声。      

深海脉冲信号簇到达结构特征及其在水下声源定位中的应用

为了实现对深海水下声源的定位,对典型深海环境中的脉冲信号到达结构特征进行了理论分析,给出了声源和接收位置位于近海面时到达信号的簇信号形式近似表达式。当声源和接收位置处于近海面深度时,接收到的信号呈簇状结构形式。在提取到达信号中各簇信号到达时间、幅值等特征参数的基础上,提出了一种通过对到达信号中簇信号特征参数匹配搜索进行水下脉冲信号定位的方法,仿真分析了不同距离和不同深度处的簇信号特征,并利用一次南海海域爆炸声源的声传播实验数据进行了实验验证。结果表明:各簇信号对应的到达时间、幅值等特征参数可用于对声源位置的匹配定位;海上实验中利用单水听器得到的水下声源的距离估计结果与实测距离结果较为一致,对实验中2.0 km至90.4 km内声源的距离估计误差不大于8%。      

典型深海声场频率-距离干涉结构分析及实验研究

基于射线理论分析了在典型深海情况下声源与接收水听器位于海水表层时声场频率-距离干涉结构,给出了直达声作用区与影区情况下声场频率-距离干涉结构的近似理论表达式。数值仿真与实验结果表明:在直达声作用区内,由直达声与海面一次反射声形成声场干涉结构,频率域干涉周期为该两条声线到达时间差的倒数;在影区内,由声源-海底-接收器、声源-海面-海底-接收器、声源-海底-海面-接收器和声源-海面-海底-海面-接收器四条声线形成声场干涉结构,声强随着频率具有两种干涉周期,分别随着声源深度、接收水听器深度的增大而减小,并与收发距离有关。本文给出的理论表达式可以较好的解释实验观测到的声场频率-距离干涉结构。      

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.     

大深度接收时深海直达波区的复声强及声线到达角估计

基于射线模型给出了质点水平振速、垂直振速及复声强的表达式.结合深海直达波区的声线到达结构,分析了大深度接收时深海直达波区复声强的特点,理论分析与仿真结果表明,利用声场中不同组声线的复声强可以估计声线到达接收点的掠射角.根据在2014年进行的一次深海实验中布放在3146 m深处的矢量水听器获取的实验信号,利用直达波和海面反射波的复声强估计了直达声线与海面反射声线到达接收矢量水听器处的掠射角,结果表明,估计的声线到达角与理论计算结果基本一致.     

The characteristic of sound propagation in deep water and underwater source localization in the direct zone

The multiple-path sound propagation in deep water is conducive to source localization of an underwater target.The transmission losses(TLs) and broadband pulse multiple-path propagation characteristics from a deep receiver is analyzed by using the experimental data from deep water area in the South China Sea(SCS).The results indicate that the width of the direct zone near the bottom of 4300 m water depth is about 30 km.The TLs in the direct zone near the bottom are much less than those in the shadow zone.It is meaningful for underwater sound source detection.Moreover,the time delay between the direct path and the bottomsurface-reflected path for a receiver near the bottom decreases monotonically with the source range.According to the linear relationship between the time delay of multipath and source range,a source localization method is presented to estimate the range of underwater target.The experimental results show that the estimated ranges are consistent with the global position system(GPS) measurements,and the mean square error of the estimation results is less than 0.28 km.     

Source Ranging Using Ensemble Convolutional Networks in the Direct Zone of Deep Water

Using deep convolutional neural networks as primary learners and a deep neural network as meta-learner, source ranging is solved as a regression problem with the ensemble learning method. Simulated acoustic data from the acoustic propagation model are used as the training data. Real data from an experiment in the South China Sea are used as the test data to demonstrate the performance. The results indicate that in the direct zone of deep water, signals received by a very deep receiver can be used to estimate the range of underwater sound source.Within 30 km, the mean absolute error of the range predictions is 1.0 km and the mean absolute percentage error is 7.9%.     

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.     

Experimental analysis on air-to-water sound transmission loss in shallow water

The research of propagation characteristics of air-to-water sound transmission is of great importance to the detection of aerial targets from underwater.In order to study the propagation characteristics of air-to-water sound transmission in shallow water,State Key Laboratory of Acoustics,Institute of Acoustics,conducted an experiment in the South China Sea in March,2013.During the experiment,multi-frequency signals transmitted by a hooter hung on a research ship were received by an underwater hydrophone,and the distance between the hooter and the hydrophone was from 2.4 km to 9.8 km approximately.Through analyzing experimental data in this work,the experimental air-to-water transmission loss at frequencies128 Hz and 256 Hz is estimated up to 9.8 km in range,and its oscillation structure is evident.The wave-number integration approach is used to simulate theoretical air-to-water transmission losses,which are in good agreement with experimental values and to explain the experimental air-to-water sound transmission characteristics.     

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。