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。     

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。      

浅海环境下数据同化声层析方法研究

讨论了适用于浅海的基于声速局部测量模型、声传播模型及声压场局部测量模型的声学数据同化方法,并给出了具体的执行算法。该算法根据最优化准则把局部声速和声压场的先验测量信息,以及声传播模型进行了有效地融合,提高了海洋环境参数估计的精度,为浅海声层析提供了新思路。同时,利用实验浅海声速测量数据,通过经验正交函数对实际海洋声速剖面进行了估计,并分析了各类噪声对水体声速场及海底声学参数估计精度的影响,验证了该执行算法的有效性。      

浅海声速剖面的匹配波束反演方法

为了快速反演获得浅海声速剖面,利用匹配波束构造了反演代价函数,在此基础上研究了浅海声速剖面的匹配波束反演方法(MBI)。并运用东中国海的实验数据进行实际反演,验证了MBI的可行性和鲁棒性。利用垂直线列阵接收的29个不同位置的爆炸声信号进行了声速剖面反演, MBI反演的结果与实验中直接测量的声速剖面一致,且反演声速剖面的均方根误差小于2 m/s。研究结果表明,MBI比常规匹配场反演(MFI)获得浅海声速剖面更快速、更准确,并且对底质参数的失配具有较高的鲁棒性。     

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。     

浅海中沉积层参数对多途到达时差反演声速剖面的影响

本文以简正波模型和声线模型为基础，通过计算机仿真，研究了浅海多途到达时延差结构与沉积层密度、声速、传播损失系数等参数的关系，针对100m左右浅海和600-1300Hz的信号频率，对两种模型仿真结果进行了比较，结果表明，声线模型仿真得到的多途到达时延差结构与简正波模型仿真的结果基本一致，沉积层参数失配对基于声线模型的多途到达时差反演SSP的影响为：反演声速剖面的均方根误差的变化小于1.45m/s，平均误差的变化小于2.60m/s，在所使用的频段内，浅海沉积层参数对多途到达时差反演浅海声速剖面的影响不大，工程应用中可以忽略不计。     

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.     

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.      

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。      

海洋声学环境下水中声源的时延估计法定位精度分析

水中声源的定位精度受到海洋声学环境的重要影响。结合海上试验的实际应用,分析了水下观测平台采用时延估计法对声源的定位精度问题。根据理论分析,计算了时延估计误差、海洋中声速不均匀、平台非稳性、及声传播起伏等因素引起的俯仰角和方位角误差。利用误差传递公式,获得了上述因素引起的不同平台深度下,不同距离声源的定位误差。比较了采用平面阵与立体阵、是否补偿声线弯曲效应等条件下定位误差的变化,并通过海上试验结果进行了部分验证。研究结果表明,海洋声速不均匀对定位误差的贡献最大。采用立体阵代替平面阵、测量海洋声速剖面并补偿声线弯曲引起的定位误差,在1000m距离上可使定位相对误差从最大30%降低到约10%,有效提高了较远距离上的定位精度。研究结果对于采取措施提高水中声源的定位精度有指导意义。      

Spatial coherences of the sound pressure and the particle velocity in underwater ambient noise

The spatial coherences were investigated between the sound pressure and the three orthogonal components of the particle velocity in underwater ambient noise. Based on the ray theory, integral expression was derived for the spatial coherence matrix of the sound pressure and the particle velocity in a stratified ocean with dipole noise sources homogenously distributed on the surface. The integrand includes a multiplying factor of the vertical directivity of the noise intensity, and the layered ocean environment affects the spatial coherences via this directivity factor. For a shallow water environment and a semi-infinite homogenous medium, the coherence calculation results were given. It was showed that the sound speed profile and the sea bottom could not be neglected in determining the spatial coherences of the ambient noise vector field.     

Sound speed profile inversion using a horizontal line array in shallow water

It is better to use a simple configuration to enhance the applicability of ocean environment inversion in shallow water.A matched-field inversion method based on a horizontal line array(HLA)is used to retrieve the variation of sound speed profile.The performance of the inversion method is verified in the South China Sea in June,2010.An HLA laid at bottom was used to receive signals from a bottom-mounted transducer.Inverted mean sound speed profiles from 9-hour long acoustic signals are in good agreement with measurements from two temperature chains at the sites of the source and receiver.The results show that an HLA can be used to monitor the variability of shallow-water sound speed profile.     

一种基于简正波模态频散的远距离宽带海底参数反演方法

在浅海环境中, 海底环境参数对声传播有着重要的影响. 由于利用单个宽带声源进行海底参数反演时, 随着距离的增大, 误差变大, 本文提出利用warping变换对在浅海波导中传播的, 不同距离上的两个宽带爆炸声源进行简正波的有效分离, 实现了宽带爆炸声源的远距离海底参数反演. 采用全局寻优遗传算法对提取出的模态频散到达时间差与理论计算的模态频散到达时间差进行匹配处理, 并结合随距离连续变化的声传播损失, 实现了利用单水听器进行海底参数的反演. 实验结果表明: 运用反演出的海底参数提取模态频散时间差和实测数据提取出的模态频散时间差吻合得较好; 而通过传播损失反演得到的海底衰减系数与频率呈指数关系. 最后, 对反演结果进行了后验概率分析, 并将本组爆炸声源的反演结果用于另一组不同距离上爆炸声源时仍然有效, 来评价反演结果的有效性.     

Tomographic inversion of measured cross-correlation functions of ocean noise in shallow water using ray theory

Based on experimental data obtained in 2012 in the Florida Strait, we study the feasibility of employing ray tomography to retrieve sound speed and flow velocity profiles from measured noise cross-correlation functions. We describe the results of numerical experiments that characterize the inversion errors resulting from peculiarities of the ray structure in shallow water, difficulties in unambiguous identification of ray arrivals, and a decrease in accuracy of ray theory at low frequencies. We show that under conditions of low-mode sound propagation, the use of the classical ray tomography scheme can yield only a rough estimate of the sound speed profile, but it allows approximate reconstruction of the current velocity profile. Application of passive ray tomography to the experimental data yields the current velocity profile in the Straits of Florida, which agrees with independent measurements within the inversion error limit.     

Tracking of time-evolving sound speed profiles with an auto-regressive state-space model

An approach for time-evolving sound speed profiles tracking in shallow water is discussed.The inversion of time-evolving sound speed profiles is modeled as a state-space estimation problem,which includes a state equation for predicting the time-evolving sound speed profile and a measurement equation for incorporating local acoustic measurements.In the paper,auto-regression(AR) method is introduced to obtain a high-order AR evolution model of the sound speed field time variations,and the ensemble Kalman filter is utilized to track the sound speed field.To validate the approach,the accuracy in sound speed estimation is analyzed via a numerical implementation using the ASIAEX experimental environment and the sound velocity measurement data.Compared with traditional approaches based on the state evolution represented as a random walk,simulation results show the proposed AR method can effectively reduce the tracking errors of sound speed,and still keep good tracking performance at low signal-to-noise ratios.