匹配垂直质点振速的浅海地声参数反演

海底声学参数对海洋波导中的声场特性研究和相关应用具有重要意义。针对一次夏季黄海声传播实验,分析了浅海负跃层环境下垂直质点振速的传播特性和简正波结构,说明当声源和接收器均位于负跃层下时,除海底附近外的大部分深度上垂直质点振速能量较高,且与声压相比,号数高的简正波对垂直质点振速的贡献更大,利用垂直质点振速进行匹配场反演能获得更高的海底参数敏感性。分析了海底吸收系数对垂直质点振速匹配场反演的影响,结果表明只有当进行匹配场反演时设置的海底吸收系数接近真实值时,才能获得准确的海底声速、密度和海深反演结果。利用实验中矢量水听器获取的垂直质点振速信号进行匹配场反演,将海底吸收系数在变化范围内取不同值对海底声速、密度和平均海深进行全局搜索,根据代价函数值最大确定了海底声速、密度及平均海深的反演结果,并利用不同距离上的声压传播损失反演出不同频率下的海底吸收系数。根据反演得到的海底声学参数计算声压传播损失,与实验中声压水听器测量结果符合较好。     

浅海声场垂直振速与水平振速相关特性及应用

基于矢量水听器记录的质点振速信号,研究了浅海声场垂直振速与水平振速的相关特性,理论与仿真结果表明记录的垂直振速与水平振速的相关系数是矢量水听器俯仰角度的函数,矢量水听器不发生俯仰时二者的相关系数约为零.基于上述特点,提出了一种利用矢量水听器记录信号自适应校正矢量水听器俯仰姿态的方法,实验结果表明,该方法能有效校正矢量水听器俯仰姿态.     

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.     

基于频带分解和距离加权的单矢量水听器浅海被动测距方法研究

本文针对浅海环境下中低频宽带脉冲声源被动测距问题, 提出了一种声压和水平振速联合处理的被动测距方法. 在浅海波导中, 声压和质点振速的自相关函数卷绕(warping)谱具有稳定的频率特征. 声压和水平振速的自相关卷绕谱具有相同的准线谱特征, 垂直振速自相关卷绕谱具有宽谱叠加线谱的特征, 与声压自相关卷绕谱相比, 其尖峰个数比更多, 且尖峰宽度更宽. 利用引导源, 本文提出了基于频带分解和距离加权的声压和水平振速联合被动测距方法. 利用该方法对2008年冬季青岛海域综合实验中单矢量水听器接收的气枪信号进行处理, 结果表明, 该方法能够实现气枪声源的有效测距. 与传统单声压水听器被动测距方法相比, 该方法可以有效减小代价函数的主瓣宽度、提高测距精度.     

深海直达波区卷积神经网络测距方法

深海声场通常可以看作不同掠射角的多途声线在接收器处的叠加,其中经海底反射的声线携带与海底参数有关的声场特征。利用深度卷积神经网络分别学习垂直阵声压域(CNN-Field)和垂直阵波束域(CNN-CBF)特征的方法被用来估计直达波区声源距离。该方法首先对仿真直达波区声场数据做预处理,然后将声压域和波束域的声场数据分别作为训练集训练深度卷积神经网络模型,最后输入测试集数据到训练完成的模型中估计声源距离.实测环境参数的仿真实验表明CNN-Field方法在不同海底参数的测试集下测距结果差异较大,CNN-CBF方法差异较小,而且在16阵元10 m等间距垂直阵的阵元域信噪比大于0dB时估计准确率可以达到97%.海试数据处理结果表明CNN-CBF方法的直达波区内测距准确率高于CNN-Field,在距离10 km以内的平均准确率可以达到93.16%.      

Pekeris波导中简正波声强流及其互谱信号处理

探讨了Pekeris波导中声压场和质点振速场的联合描述,尤其关注垂直声强流的分析.研究表明,由于各阶简正波的干涉作用,水平和垂直声强流均既有有功分量,亦有无功分量.低频声场的垂直声强流的无功分量虽不参与声能的输运,当单个声矢量传感器做适当放置后却可用以判断声源的特定深度.这对于矢量信号处理是有意义的.给出了声压和质点振速联合互谱处理进行目标判别的算法.     

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.     

压差式矢量水听器方位估计中的干扰抵消

矢量水听器由于能获取声场中标量（声压）和矢量（振速）信息，因此单个的矢量水听器就可实现目标方位估计。单个矢量水听器是利用信号的声压和质点振速之间相关性进行信号方位估计，但是当存在干扰，并且干扰和信号之间相关时，如果对运用能量流进行方位估计的方法不加改进，则会出现很大的误差，甚至出现错误的估计。本文提出一种存在已知噪声干扰情况下的干扰抵消方法，并针对该方法进行了仿真试验，最后运用湖试数据进行了验证。结果表明，该方法能有效地减弱相千千柑对信号的影响，实现对信号的方位估计。     

基于双面质点振速测量的声场分离技术

现有的声场分离技术或是基于双面声压测量或是基于单面声压和质点振速测量。本文以二维空间傅里叶变换法作为声场分离算法,提出一种基于双面质点振速测量的声场分离技术。论文首先推导出了该方法的理论模型,随后通过仿真研究验证了该方法的有效性,并通过与基于双面声压测量的声场分离方法的比较说明了其优越性。结果表明:采用基于双面质点振速测量的声场分离方法可以有效实现声场分离;基于双面质点振速测量的声场分离方法可以获得更高的质点振速分离精度,而基于双面声压测量的声场分离方法可以获得更高的声压分离精度。      

基于等效源法和双面质点振速测量的声场分离方法

目前基于等效源法的声场分离方法有两种输入方式, 一种以双测量面上的声压为输入, 另一种以单测量面上的声压和质点振速为输入. 本文以双测量面上的质点振速为输入, 提出一种新的基于等效源法的声场分离方法. 首先给出了该方法的理论推导, 然后通过数值仿真和实验验证了该方法的有效性. 通过与基于双面声压测量的声场分离方法的比较, 证明了该方法在分离质点振速方面的优越性. 此外, 在仿真中还研究了干扰声源强度和测量面间距对分离精度的影响. 关键词： 声场分离 质点振速测量 等效源法 近场声全息     

利用海洋环境噪声直接提取海底反射系数

提出了一种利用海洋环境噪声直接(非迭代)提取海底反射系数的方法,基于海洋环境噪声垂直相关函数与方向密度函数的相似性,结合海洋环境噪声射线理论,由两个垂直排列的水听器实现海底反射系数的被动获取.方法适应性的仿真分析说明较高海况下且近场无航船干扰的海洋环境噪声数据有利于方法的实现;对于两层海底,海洋环境噪声垂直相干函数经高...     

Vertical amplitude phase structure of a low-frequency acoustic field in shallow water

We obtain in integral and analytic form the relations for calculating the amplitude and phase characteristics of an interference structure of orthogonal projections of the oscillation velocity vector in shallow water. For different frequencies and receiver depths, we numerically study the source depth dependences of the effective phase velocities of an equivalent plane wave, the orthogonal projections of the sound pressure phase gradient, and the projections of the oscillation velocity vector. We establish that at low frequencies in zones of interference maxima, independently of source depth, weakly varying effective phase velocity values are observed, which exceed the sound velocity in water by 5–12%. We show that the angles of arrival of the equivalent plane wave and the oscillation velocity vector in the general case differ; however, they virtually coincide in the zone of the interference maximum of the sound pressure under the condition that the horizontal projections of the oscillation velocity appreciably exceed the value of the vertical projection. We give recommendations on using the sound field characteristics in zones with maximum values for solving rangefinding and signal-detection problems.     

Passive fathometer processing

Ocean acoustic noise can be processed efficiently to extract Green's function information between two receivers. By using noise array-processing techniques, it has been demonstrated that a passive array can be used as a fathometer [Siderius, et al., J. Acoust. Soc. Am. 120, 1315-1323 (2006)]. Here, this approach is derived in both frequency and time domains and the output corresponds to the reflection sequence. From this reflection sequence, it is possible to extract seabed layering. In the ocean waveguide, most of the energy is horizontally propagating, whereas the bottom information is contained in the vertically propagating noise. Extracting the seabed information requires a dense array, since the resolution of the bottom layer is about half the array spacing. If velocity sensors are used instead of pressure sensors, the array spacing requirement can be relaxed and simulations show that just one vertical velocity sensor is sufficient.     

浅海舰船噪声声强流的垂直方向性

浅海环境中,确定性声源的多途声信号干涉使得接收点处声强流的方向发生改变,不再与声源位置处的声强流方向一致。只测量声场的标量声强时,无法得到接收点处声强流的垂直方向性,而基于简正波矢量场建模和仿真,可获得理想条件下宽带点声源激发声场声强流的垂直方向性。本文采用单矢量水听器进行海上实验,获得了海洋环境噪声和干扰条件下舰船噪声声强流的垂直方向性。仿真和实验结果表明:远场条件下,浅海干涉现象引起接收点处声强流的方向(极角)随频率和距离变化,其时间-频率分布呈现与LOFAR谱干涉条纹相似的条纹,声强流的极角值主要分布在70?～110?范围内。     

Geoacoustic Inversion Based on a Vector Hydrophone Array

We propose a geoacoustic inversion scheme employing a vector hydrophone array based on the fact that vector hydrophone can provide more acoustic field information than traditional pressure hydrophones. Firstly, the transmission loss of particle velocities is discussed. Secondly, the sediment sound speed is acquired by a matchedfield processing （MFP） procedure, which is the optimization in combination of the pressure field and vertical particle velocity field. Finally, the bottom attenuation is estimated from the transmission loss difference between the vertical particle velocity and the pressure. The inversion method based on the vector hydrophone array mainly has two advantages： One is that the MFP method based on vector field can decrease the uncertain estimation of the sediment sound speed. The other is that the objective function based on the transmission loss difference has good sensitivity to the sediment attenuation and the inverted sediment attenuation is independent of source level. The validity of the inverted parameters is examined by comparison of the numerical results with the experimental data.     

基于波像差判据的同步相移显微干涉检焦方法

为了实时准确地将激光直写系统中经直写物镜聚焦的光斑定位于待加工元件表面,提出了一种基于波像差判据的同步相移显微干涉检焦方法,实现了对离焦量的实时检测与调整。在直写系统中引入检焦光路,与直写光路共享同一物镜,构建Linnik型同步相移显微干涉检焦系统,提取包含离焦量的波面相位信息;再从大数值孔径（NA）的物镜波像差数据中解析出离焦量的大小与方向。仿真结果验证了基于波像差判据的离焦计算方法的正确性,NA≥0.5时,离焦探测灵敏度可达4 nm, 通过实验验证了同步相移显微干涉检焦方法的可行性,检焦精度可达10 nm以内,满足激光直写高精度的测量要求。     

使用脉冲声和矢量传声器的现场测量吸声系数*

使用不同声源利用矢量传声器对毛毡材料进行现场吸声系数测试,研究了不同背景下不同声源的抗噪能力。矢量传声器可以同时测得声压和质点振速信号,进而可计算得到阻抗,利用自由空间和材料表面的阻抗可计算得到材料的吸声系数。在此次试验中,使用不同声源分别在无干扰和有一白噪声干扰源的两种情况下进行测试。结果表明,使用对数扫频脉冲和巴特沃斯脉冲测试所得的吸声系数曲线更平滑,说明脉冲声可以有效降低环境反射的影响,在高噪声背景下使用对数扫频脉冲测试所得的结果基本没有受到背景噪声的影响,说明对数扫频脉冲的抗噪能力更强。因此,使用对数扫频脉冲作为声源进行测试可有效减弱环境反射和背景噪声的影响。     

同振球型矢量水听器声波接收理论研究

对同振球型矢量水听器声压和质点振速的声波接收理论进行了研究。以同振球型振速水听器测量原理为基础,推导了自由运动刚性球体和弹性球体的声波接收响应数学表达式,分析了振速水听器几何尺寸、平均密度与其频响特性曲线之间的关系;另外,根据球面接收器的声波接收理论,推导了矢量水听器声压接收响应数学表达式,通过理论分析和数值计算,研究了振速水听器表面上的声压分布规律以及声压水听器的声波接收压力系数与其接收面的大小、质点振速水听器的半径、布放的位置和半径等参数之间的关系;从理论上建立了矢量水听器声波接收理论模型和分析方法,为矢量水听器的设计和研制提供了理论依据。      

基于改进变分模态分解的北极海域声速剖面分类*

应用支持向量机对北极声速剖面进行分类,特征量提取是关键。该文采用一种基于经验模态分解的改进变分模态分解算法,以准确提取声速剖面特征量。算法首先对声速剖面信号进行经验模态分解,依据最大类间方差原则划分各分量边际谱主频带,以相似度作为最小分解层数判断标准,获得最小分解层数,进行变分模态分解。对北极区海水声速实测数据(信号)处理表明,该方法可有效提取信号经验模态分解各分量的希尔伯特边际谱特征,进行支持向量机分类,实现对北极海域声速剖面的分类识别,解决以往人工分类耗时久的问题。