经验正交函数与广义数值环境模式重构声速剖面的比较

本文利用Argo资料对经验正交函数(EOF)和GDEM模式拟合声速剖面的效果进行了比较。结果表明,两种方法都能较好地重构局地声速剖面。EOF方法的拟合精度与选取的EOF阶数有关,阶数越高,精度越高;GDEM模式的拟合精度介于EOF的前5阶到前10阶之间。EOF易受到样本数量和采样深度的限制,难以提供完整的声速剖面;而GDEM模式能够将剖面扩展到更深的深度,与仅有上层海洋采样数据的声速剖面相比,结合深海水团的信息可使拟合结果达到更高的精度。     

一种基于内潮动力特征的浅海声速剖面构建新方法

为了降低反演参数空间的维数,常利用正交经验函数(EOF)来构建声速剖面.然而,EOF方法的样本依赖性使之难以用于缺乏现场实测数据的海域.本文提出一种全新的利用历史数据而不依靠现场实时数据即可获得的声速剖面展开基函数.基于水质子流体静力方程和物态方程,推导了在缺乏实时测量的情况下从历史数据获得水动力模式基函数(HMB)的办法.利用WOA13季节平均温盐数据获得代表内潮动力特征的HMB进行分析.较之EOF, HMB及其对应的投影系数与海洋动力特征直接相关并具有明确的物理含义.基于东中国海实验获得的CTD (conductance-temperature-depth)及宽带爆炸声源声信号数据,利用声速剖面重构以及匹配场声层析对HMB进行了分析,并与EOF进行对比研究.结果表明:HMB可以以较好的精度构建浅海声速剖面.在对现场实时测量依赖更小的情况下,基于HMB方法的声场预报及声层析结果与EOF方法一样好.HMB的获取更简单且直接关联海水的物理特性,该方法可在实时测量样本不足的海域有效替代EOF进行海洋动力现象的声学监测.     

声速剖面对深海远程声脉冲结构的影响

利用东印度洋和南海海域进行的深海远程声传播实验数据,比较分析了声道轴附近深度发射的声信号在两个海域不同声速剖面结构下的远程传播损失和脉冲时间到达结构。通过对比观测发现,两海域的深海声传播损失特性存在一定的差异,声脉冲时间到达结构差异性显著。首先,在东印度洋实验中观测到潜标垂直阵同一接收距离上,靠近声道轴传播的声能量较大,且声道轴附近声速较小但沿其传播的声信号却最先到达,而偏离声道轴传播的声信号延后到达,在整个接收深度上呈现出声道轴附近接收波形早于其他深度到达的分支结构,这与南海典型深海环境下的脉冲时间到达结构存在显著差异。其次,结合深海声道的参数化数学模型,分析了声速剖面对远程脉冲传播时间到达结构的影响机理,并理论解释了两个海域实验中观测到的脉冲声信号时间到达结构现象,其形成原因在于深海声道中决定声速剖面结构的声道轴系列参数的差异。该研究结果对通信声呐在不同海域深海远程环境下的应用具有一定的参考意义。     

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。      

强非线性时间演化声速剖面的序贯反演

受海面波浪起伏、降雨和内波等海洋动力学过程的影响,浅水声速剖面的时间演化具有高度非线性,针对该问题提出使用改进的粒子滤波方法进行声速剖面序贯反演.该方法通过建立声速剖面的经验正交模型(EOF)以及描述声速剖面时间演化特征的状态空间模型,将声速剖面反演问题建模为状态跟踪问题,利用不敏粒子滤波(UPF:Uncented Particle Filter)算法进行声速剖面序贯反演。仿真试验通过实测声速剖面数据和先验地声参数信息产生接收声场数据,再利用模拟声场数据估计声速剖面的时间变化.结果表明,相比于集合卡尔曼滤波(EnKF:Ensemble Kalman Filter),在计算效率等同的情形下,该方法可以在状态参数的时间跳变点保持良好的跟踪性能,一定程度上克服了现有反演算法在跳变点发散的问题,可以有效提高声速剖面反演精度,尤其在声速剖面时变性较强时具有显著优势.      

声速剖面对不同深度声源定位的影响

在对一次试验数据进行匹配场定位处理时发现, 选取声速剖面有轻微失配的情形下, 水面弱声源显现, 水下强声源反而消失. 基于该现象研究了声速剖面失配对不同深度声源定位的影响. 首先通过仿真试验排除海上试验中不确定因素的影响, 进一步得出深处声源定位受声速剖面失配影响较大的结论, 并针对夏季负跃层情形进行跃层深度失配的仿真, 初步得出在跃层下边界以下10 m附近处的声源对声速剖面失配最敏感. 最后从简正波的角度进行理论分析, 分两点对这一现象进行了合理解释.     

东印度洋热带偶极子对声会聚区影响分析

大洋中的物理海洋现象影响着水体的变化,从而对其中的声波传播产生重要的影响.首次在东印度洋海域进行的声学调查实验,发现了印度洋热带偶极子物理海洋现象对声传播的影响,利用穿越热带偶极子的声传播实验数据,分析了声源深度和水体起伏对深海会聚区的影响,并对实验中的声传播现象形成机理进行了理论解释.结果表明:东印度洋深海非完全声道环境下,受热带偶极子形成暖水团和声源深度起伏的影响,第2会聚区没有形成,声源深度变深时,更容易形成深海会聚区;印度洋热带偶极子影响下第2会聚区位置处的水体跃层起伏会对下一个会聚区的形成及位置产生重要影响,使得第3会聚区提前形成,会聚区位置向声源方向偏移2—3 km.研究结果对探测及通信声纳在深海复杂环境下应用具有重要指导意义.     

采用小生境遗传算法反演浅海声速剖面研究*

针对浅海声速剖面反演问题,采用小生境遗传算法,结合声线搜索的最快本征声线匹配反演,实现浅海负跃层条件下的声速剖面估计。利用经验正交函数对声速剖面的多参数不确定性降维,依据声场计算模型获取的最快特征声线传播时延与观测声传播时长进行匹配,采用小生境遗传优化算法,获取最优经验正交函数估计,实现声速剖面反演。按上述方法反演处理浅海声传播实验数据,结果表明,该方法针能够有效反演浅海声速剖面,并且显著优于传统遗传算法反演结果。     

中国东部海域叶绿素时空变化经验正交分析及探讨

利用经验正交函数(EOF)分析了中国东部海域SeaWiFS叶绿素a(1998—2007年)时空变化主要模态,对前3个模态进行了功率谱分析。气候平均结果表明,叶绿素a空间总体分布特征为近海高、外海低,季节变化为春季3—4月最高,夏季6—7月最低。EOF前3个模态所占的贡献率分别为84.89%,3.38%,1.06%。第一模态权重占绝对优势,空间分布与气候平均场基本一致,时间序列表明1998年和2000年为叶绿素a浓度典型低值年,2007年为叶绿素a浓度典型高值年,线性拟合表明总体叶绿素a浓度呈缓慢增加趋势。第二模态主要体现为季节变化,功率谱显著周期为12个月,空间上呈长江口、杭州湾及浙江沿岸海域为正,离岸海域为负的反位相分布特征。第三模态功率谱显著周期为12个月和6个月,以122.9°E,32.2°N为中心的区域呈负相位,黄海和浙江外海区域呈正相位分布,这可能受沿岸流、长江径流转向路径和台湾暖流变化所影响。     

南海北部负跃层环境下海底参数声学反演

利用2015年南海北部声学实验的实验数据,对海底声学参数进行反演。在综合分析声速起伏及海底模型对海底反演影响的基础上,通过选择等效的海水声速剖面和海底模型,改进了多参量联合地声反演方法,使得其不仅能解决反演中的多值性问题,还能适用于负跃层起伏环境下的声学反演。即当用匹配场反演海底声速和用传播损失反演海底衰减时,如果温跃层内有内波等随机起伏,可使用传播路径上平均声速剖面和单层等效海底进行声场计算。反演得到的海底声速和密度结果与海底采样测量符合较好,拟合给出了海底衰减系数随频率的非线性经验关系式。反演结果可为南海北部声传播规律研究与应用提供海底参数。      

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.     

水下声学滑翔机用于东印度洋声传播特性分析及声源估计

常规实验方法无法同步获取深海大尺度声学和水文数据,水下滑翔机可作为同步观测平台解决该问题.首先利用在东印度洋北部海域水下滑翔机同步获取的声传播和水文实验数据,分析了水下滑翔机的自噪声谱级和实验海区声传播特性,然后推算并修正了滑翔机水下运动轨迹,利用第一影区水下滑翔机接收声传播信号的脉冲多途到达时间差对声源进行测距与定深。潜标接收噪声与滑翔机自噪声谱级对比表明,水下滑翔机在海洋中无动力运动时的系统自噪声接近于潜标观测的海洋环境噪声。滑翔机实测的声传播损失与模型计算结果吻合较好,第一影区水下声源测距定深结果与实际位置较为一致,测距与定深的相对误差均小于5%。利用加载水听器的水下滑翔机可以实现水文环境数据与声学信号的同步观测,对深海声传播特性测量及定位算法研究具有重要意义。      

浅海声速剖面与移动声源的跟踪定位

在水平非均匀分布的浅海环境中,针对移动声源跟踪时,声速剖面的变化会对声场产生影响,提出了一种利用集合卡尔曼滤波算法的声速剖面跟踪反演和移动声源跟踪定位的方法。首先,将声速剖面进行距离和深度的参数化表示,从而将对声速剖面的跟踪转化为对声速剖面前3阶经验正交函数系数的跟踪;其次,通过将声源状态信息和声速剖面信息表示为状态变量,而将垂直线列阵接收到的声场信息作为测量值建立状态-测量模型,然后利用集合卡尔曼滤波方法对模型状态变量进行跟踪。仿真结果得出:声速剖面跟踪反演的均方根误差和移动声源跟踪定位的绝对误差都非常小,对声源的跟踪定位精度很高。并且通过增加集合样本数、增加接收信号信噪比以及增加接收阵元数目都可以提高跟踪定位结果精度。最后,利用东海实验数据对本方法进行了验证。      

Tracking-positioning of sound speed profiles and moving acoustic source in shallow water

An ensemble Kalman filter(EnKF) approach is proposed to perform sequential tracking of water column sound speed profile(SSP) using a moving acoustic source. First,the SSPs are discretized in depth and range, and are expressed by the empirical orthogonal functions(EOFs). Second, the acoustic source state information and the first three orders of EOF coefficients are expressed as the state variable, and the acoustic field information received by the vertical line array are the measured values. Successively, the state variables and measured values are used to establish the state-measure model. Last, the EnKF is utilized to track the state variables. The simulation results show that the root mean square error of SSP and the absolute error of source are all small, and thus the acoustic source tracking-positioning has high accuracy. Moreover, increasing the number of sample collection, the signal-to-noise ratio and the number of receiving elements can improve the tracking-positioning results. The method is verified using the experimental data of the East China Sea.     

北极水下声信号跨冰层变化分析

北极海冰阻碍了海水和空气两个空间的信息传输。为获得冰层对水下声信号跨冰层传输的影响,采用三维检波器在北冰洋中心区开展了水下声信号的跨冰层实验。利用水冰界面反射模型和自由冰层Lamb波模型,对水下声信号小角度(小于10°)入射冰层时测量数据进行分析,结果表明:(1)20 Hz~1 kHz声信号入射到光滑冰层时,某些频率声波的反射率会明显降低,其中93%的反射率低点超过-10 dB,有的甚至会达到-20 dB以上。(2)冰层反射率低点对应的频段声波,能被冰层上方检波器接收到,并显示出较强的合振速谱,且与该站位自由冰层模型中同时产生的A2和S2模态Lamb波在频段上相符。这些结果可为跨冰层水声信号拾取和水声传播研究提供参考。      

Effects of sediment acoustic characteristics on low-frequency acoustic field distribution in shallow water

Most of the published literatures on low-frequency underwater sound propagation are focused on the sound propagation features in the water column,while studies on sound propagation features in the sediment layer or the semi-infinite basement are rare.In this paper,based on the wave equation,a computational model for sound energy flux in the sediment layer and the basement as well as in the water column is proposed under a cylindrical coordinate system.On this basis,the effects of various sediment acoustic parameters on the sound energy distribution and the corresponding mechanisms are elaborated through numerical examples and acoustic theory.Simulation results reveal that,in a situation where sediment P-wave speed>water sound speed> sediment S-wave speed,the greater the values of density and P-wave speed in sediment,the more likely it is that the sound energy remains in the water column without leaking to the sea floor.Conversely,the influence of the variation of S-wave speed is reversed.Basement influence on the sound propagation in the fluid layer is approximately negligible if the sediment layer is sufficiently thick.     

Effect of the Refraction of Sound Waves in the Sediment Layer on the Sound Field Levels in the Ocean at Short Ranges

On the basis of the results of an acoustic experiment, which was carried out in the Indian Ocean with the use of explosive sources of sound, the effect of the refraction of sound waves in the sediment layer on the levels and the structure of the sound field formed in the water column at short ranges, namely, in the first geometric shadow zone and in the insonified zone below the channel axis, is considered. The length of the acoustic track under study is 45.0 km, and the frequency range is 10–500 Hz.     

沉积层声学特性对浅海低频声场分布的影响

已有对浅海低频水声场的讨论多是关注声能量在水体中的分布特性,对水体下沉积层、基底中低频声传播的同步研究相对较少。本文基于波动方程,在柱坐标系下推导了一种浅海水体/海底统一波导下低频声能流的计算模型,在此基础上结合具体仿真算例与波动理论阐述了不同沉积层声学参数对声场能量分布的影响规律及机理。仿真结果表明,在沉积层纵波声速>水中声速>沉积层横波声速的前提下,沉积层中密度与纵波声速数值越大,声能量越趋于保留在水体中而不向海底泄漏,横波声速的影响正好相反;沉积层厚度增加到一定量后,基底对流体层中声传播的影响可近似忽略不计。