浅水声速剖面用经验正交函数(EOF)表示的可行性研究

本文研究利用经验正交函数（Ｅ０Ｆ）及少量参数以近似表示实测浅水声速剖面的方法,研究了样本数,不同浅水域的样杜和算法的关系,并得出结论：一定区域的浅水声速剖面,以经验正交函数（Ｅ０Ｆ）近似表示,仍可以达到较好的精度,这对于声场层析及被动定位总理２有着很重要的意义。     

一种声速剖面展开的正交基函数获取方法

为了评估经验正交函数(Empirical Orthogonal Functions)在声速剖面的声学反演应用中的可靠性和适用性,降低声速剖面基函数的获取对样本数据的依赖性,提出了一种声速剖面展开的正交基函数的获取方法.该方法通过分析引起声速剖面变化的海洋动力学过程,利用动力学方程求解得到的水动力简正波(Hydrodynamic Normal Modes)来给出声速剖面展开的基函数.HNMs方法获得的声速剖面正交基函数与EOFs方法的结果非常吻合,且对样本数据的依赖性小。HNMs方法物理意义清晰,能够给出决定声速剖面正交基函数的物理参数,使评估经验正交函数的准确性和适用性成为可能。      

浅海时变声速环境下的自适应匹配场定位算法实现*

针对浅海环境下声速剖面失配引起的匹配场处理器失配问题,提出了一种自适应匹配场定位算法在声速剖面时变环境下的实现方式。将先验声速剖面集简化为经验正交函数表示,结合蒙特卡洛方法与环境扰动约束算法对当下时刻的目标声源进行匹配场定位。本文以某次试验获取的连续20小时的声速剖面数据为研究对象,通过仿真试验对该算法进行验证,结果表明：在先验声速剖面集的半小时之后,利用自适应算法的距离和深度定位成功率较常规匹配场算法有较大提升,其中,深度正确定位概率相对较低。     

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。     

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。      

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.      

南海北部海域声速剖面水平变化环境声学层析

为获取水平变化的海水声速分布,在等效平均海水声速反演基础上,提出了一种声速剖面水平变化环境声学层析方法。首先利用经验正交函数结合匹配场处理方法反演不同距离下的等效平均声速剖面,进而通过逐步迭代重构出随水平距离变化的声速场分布,并通过数值仿真及海上实验两方面验证了声速剖面水平变化环境声学层析方法的可行性及其准确性。结果表明:声速剖面水平变化环境声学层析结果与实验测量声速剖面均方根误差小于0.8 m/s,利用声传播信号基本能较为准确地重构出随距离水平变化的海水声速分布,为进一步层析中尺度三维结构及声呐水声环境保障应用奠定了基础。      

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。     

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。     

轴对称结构表面声场的非共形重建精度分析

研究了以近场声压重建任意边界条件的轴对称振动体表面声场的一类逆问题．提出了解决该类问题的能克服奇异积分的基于正交函数展开（ＯＦＥ）与边界元积分（ＢＥＩ）相结合的数值重建算法．通过对结构在对称或非对称振动下的表面声场的非共形数值重建的精度分析,提供了一种关于轴对称体表面场重建的工程化方法,数值结果也表明了该方法的有效性．     

浅海波导中目标散射的边界元方法

提出了一种计算三维散射体在声速剖面随深度变化、距离无关浅海波导中散射声场的数值方法波导边界元方法。当散射体不十分靠近波导界面因而边界多次散射可以忽略时,在边界元计算中可以用自由场格林函数近似波导格林函数。应用镜像法和球波函数加法定理推导了理想波导中球体散射声场的解析解,用来验证波导边界元方法的计算精度,证明该数值方法是准确的。对浅海波导中水下潜器散射声场数值模拟的结果表明,浅海波导海面、海底界面反射、声速剖面等对目标散射声场的幅值和方向性都有很大的影响。      

Frequency invariability of acoustic field and passive source range estimation in shallow water

The frequency invariability of the warped modal signal and the warped signal autocorrelation function in shallow water is discussed.A method is proposed for passive source-range estimation based on the frequency invariability and warping transform of signal autocorrelation function received by a single hydrophone in a range-independent or weak range-dependent shallow water environment.In the method,a guided source with a known range is employed to provide the crucial and relative invariant scaled features.The experimental data in shallow water with an iso-speed profile and a fluctuated thermocline are used to verify this approach.The relative errors of the source range estimation are basically less than 10%.     

Acoustic tomography of shallow water with unknown relief of hard bottom

The possibility of implementing tomography in shallow water with unknown relief of bottom is considered. It is shown that the use of time delays of different modes at different frequencies allows for reconstruction of bottom relief and the sound speed profile in the water layer without any additional activities for separating the effects of reconstructed characteristics of shallow water on the received data.     

Influence of bottom topography on the propagation of linear shallow water waves: an exact approach based on the invariant imbedding method

The wave equation for linear shallow water waves propagating over a varying bottom topography has the same form as that for p-polarized electromagnetic waves in inhomogeneous dielectric media. The role played by the dielectric permittivity in the case of electromagnetic waves is played by the inverse water depth. We apply the invariant imbedding theory of wave propagation, which has been developed mainly to study the electromagnetic wave propagation, to linear shallow water waves in the special case where the depth depends on only one coordinate. By comparing the numerical result obtained using our method, when the depth profile is linear, with an exact analytical formula, we demonstrate that our method is numerically reliable. The invariant imbedding method can be used in studying the influence of complicated bottom topography on the propagation of shallow water waves, in a numerically exact manner. We illustrate this by considering the case where a periodic modulation is added to a linear depth profile. Bragg scattering due to the periodic component competes with the tsunami effect due to the linear depth variation. This competition is seen to generate interesting physical effects. We also consider a ridge-type bottom topography and examine the resonant transmission phenomenon associated with the Fabry–Perot effect.     

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。     

基于射线跟踪技术的浅海波导中目标回声计算

基于浅海波导中目标回声计算的射线声学方法,将数值模型推广到任意声速剖面的情况,发展了基于射线跟踪技术的浅海波导中复杂目标回声的数值计算方法。应用HAPRO声线模型跟踪计算本征声线,并结合板块元方法计算浅海波导中的目标声散射。算例比较了冬、夏两季典型声速剖面和细沙、黏土海底等不同浅海环境情况下的目标回声特性。计算表明,浅海波导中球体和横向放置的长圆柱体的等效目标强度ETS与自由空间中的目标强度TS很接近,声速剖面和海底底质对这类目标的ETS影响很小,传统意义上的声呐方程基本上成立。竖向放置的长度/波长比远大于1长圆柱以及benchmark潜艇等复杂形状目标的ETS与自由空间中的TS差别较大,传统的主动声呐方程存在较大误差。      

浅海随机相位起伏声场中速度估计的互谱分析方法

浅海条件下,目标运动速度是基于波导不变量声源被动定位的关键因素,利用浅海波导环境下的声场简正波理论,研究了浅海随机相位起伏的波束域声场互相关信号的特点,并通过声速剖面的二阶统计量对随机相位扰动进行了有效的补偿,提出利用波束域声场互相关信号进行谱分析的速度估计方法,仿真实验表明了该方法的有效性。利用2013年7月海试实验数据,该方法准确的估计出了目标的速度,并与GPS实测速度对比,速度估计的相对误差在10%以内。