内波、潮导致的声简正波幅度起伏及其深度分布

分析2005黄海声传播—内波实验传播起伏数据,观察（1）号声简正波幅度起伏及其深度分布特征。非线性内波（IW）通过接收阵可以导致脉冲峰值约5 dB起伏,幅度起伏垂向分布与简正波本征函数的微分分布吻合良好,（M2）潮致信号幅度起伏也满足相同深度分布特性。然而内波和潮致起伏的垂向相位变化明显不同:前者本征函数峰值两侧起伏信号反相,而后者近乎同相。前者由接收器与简正波分布的相对移动决定,而后者取决于简正波和水听器位置变化的复合效应。      

孤子内波导致海洋环境噪声垂直指向性异常分析

依据近场波数积分、远场耦合简正波相结合的二维噪声场模型,侧重理论研究孤子内波所在扇区,环境噪声垂直阵响应的变化,分析了某些孤子内波情形下垂直阵环境噪声水平凹槽变深这一异常现象的原因:孤子内波离垂直阵较近时,远离内波的海面噪声源多,其激发的简正波能量由低号耦合到高号,在垂直阵处高号简正波能量对环境噪声场贡献增大,导致环境噪声水平凹槽加深;对于大尺度、多波包孤子内波,其范围相对较大,内波所在区的局部简正波本征值和本征函数产生的变化影响显著,使低号简正波衰减变快,而高号衰减慢,导致接收阵处高号简正波能量增加,低号简正波变弱,这样,无论孤子内波群靠近或离接收阵远,都将使垂直阵环境噪声水平凹槽加深。      

孤立子内波引起的高号简正波到达时间起伏

在新泽西附近海域进行的浅海实验(Sw'06)观测到了大量的孤立子内波.利用SW'06海洋环境资料分析了有无孤立子内波存在时的脉冲声到达时间起伏.发现当孤立子内波出现时, 1号简正波到达时间较为稳定,而一些高号简正波到达时间比第1号简正波提前,且随着温跃层深度变化而起伏.经射线理论分析表明:由于孤立子内波出现,导致温跃...     

利用声场频谱频率漂移监测内波的算法改进和实验验证

声场频谱的频率漂移曲线可以用来监测内波。由于简正波幅度剧烈起伏带来的干扰,目前尚无从实验数据中提取频移曲线的有效算法.提出了一种依据实测声学传播数据提取频移曲线的算法。借助于简正波过滤技术,该算法利用相关法从简正波相角之差中提取频率漂移曲线。利用该算法提取的频移曲线与内波导致的跃层起伏具有很高的相似性,这在2011年黄海实验中得到了验证。该算法的优点是可以保留简正波相位差变化导致的频移曲线信息,同时又能有效地抑制简正波幅度起伏带来的干扰,但是需要良好的接收阵阵型来保证简正波分离。      

低频混响信号中的简正波衰减系数提取方法

提出一种从低频混响信号中提取简正波衰减系数的方法。利用简正波过滤技术对垂直阵混响信号进行分析,获得单阶简正波混响声场。假设海底反向散射矩阵可分离,从单阶简正波平均混响强度中提取出有效海底反向散射矩阵元素,最后利用不同距离上的有效海底反向散射矩阵元素计算出简正波的衰减系数。利用该方法从混响信号中提取出的简正波衰减系数预报的声传播损失和相同海域实测声传播损失一致。该简正波衰减系数提取方法有效避免了海底散射衰减和简正波传播衰减耦合的问题,同时对海底参数反演和水声环境的快速评估也具有重要的意义。      

海面随机起伏对噪声场空间特性的影响规律

对于1 k Hz以上声波,海面起伏会对浅海声传播产生显著影响,现有的噪声预报模型在建模过程中基本没有考虑海面起伏的影响.针对这一问题,本文基于传输理论建立了随机起伏界面下噪声场垂直相关性和指向性模型,仿真分析了海面起伏对噪声强度、垂直相关性与指向性的影响.结果表明,对于表面噪声,海面随机起伏使声波能量从中间阶简正波向低阶和高阶简正波转移,而对噪声强度起主要贡献的一般是中间阶简正波,所以海面起伏使得噪声强度减弱;简正波之间能量的耦合导致垂直平面上不同掠射角方向上到达的声波响应发生变化,经由海面反射大掠射角到达的声波响应以及中小角度到达的声波响应变弱,而经由海底反射大掠射角到达的声波响应变强;海面随机起伏还会扰动各阶简正波相位,使不同阶简正波互相关性变弱,致使噪声场的空间相关性也变弱.     

水平阵信号压缩感知用于简正波分离

针对水平阵信号简正波分离过程中常规波束形成分辨率低以及warping模态滤波不适用于复杂声信号的问题,提出水平阵信号压缩感知用于简正波分离的方法。利用压缩感知在方位估计中的高分辨特性,通过估计水平阵接收信号在频率方位角上的二维分布,分离得到各阶简正波的方位谱,并逆Fourier变换得到时域波形。仿真孔径1 km、阵元间隔10 m水平阵接收20~200 Hz伪随机声信号和脉冲声信号,所提方法分离出的各阶简正波与理论波形的相关系数在0.97~1.0。对2011年北黄海声学实验中的海底28元水平阵接收的气枪信号,在合成至1 km孔径后使用压缩感知方法分离简正波,其与warping模态滤波分离得的前5阶简正波相关系数在0.82~0.93。仿真与实验都说明了水平阵信号压缩感知简正波分离方法的有效性。      

利用简正波频散特征映射方法进行海洋环境参数反演

浅海波导中传播的脉冲信号可以通过频散特征映射方法(warping变换)进行简正波的有效分离,这使得频散曲线的获取更加容易和准确.利用简正波频散特征映射方法分析2010年南海声层析实验中单个阵元接收的声学信号,有效分离出各号简正波,并进一步通过Wigner-Ville分布处理提取出波导中各号简正波的频散曲线.将提取的频散曲线与理论计算到达时差进行匹配,实现了利用单水听器信号的海洋环境参数反演.实验结果表明:将简正波分离与Wigner-Ville分布相结合可有效消除Wigner-Ville分布在估计多分量信号时的交叉干扰,提取的频散特征可很好地用于同时反演海水和海底声速剖面。为评价反演结果的有效性,对反演结果进行了后验概率分析,并将一小时内的海水声速剖面反演结果与温度链实测值作对比,二者符合较好.      

激冲次声信号简正波的分离

由于大气层的不均匀性,次声波分解成不同的简正方式来传播,它们有各自的相速度和群速度。当由一个声学阵接收次声波时,不同的简正波在声阵上产生不相同的时间延迟。本文根据各个简正波的主要能量分布在不同的频率区间,从理论上导出计算简正波相速度的平均数值和平均方位的方法,利用速度滤波估算出各个简正波的频谱,通过Weiner-Hopf滤波,从一个声阵接收到的数据中,估算出空间任何一点某个简正波的波形。最后给出了计算机模拟计算,其结果与理论上设定的十分接近。     

浅海中孤立子内波引起的声能量起伏

当孤立子内波的波阵面与声传播路径所成角度较大时,简正波耦合是导致声信号起伏的主要因素。研究了浅海中孤立子内波引起的声能量起伏规律,给出声场起伏的耦合简正波表达式,并使用抛物方程模型进行仿真。数值分析表明,接收点声强随时间变化呈准周期性。在频谱图中能够得到声强起伏的主导频率,主导频率与孤立子内波沿声传播路径的移动速度成正比,与无扰动波导中简正波在距离上的干涉周期(对应于射线理论中临界声线的跨度)成反比,与孤立子内波的形状无关。此外,对声强频谱的垂直结构进行了分析,该结构与对声场起伏起主要作用简正波的本征函数相关。