噪声修正的混响反演海底反射系数幅值参数

利用一种噪声修正方法解决低混噪比条件下混响数据反演海底反射系数幅值参数偏差的问题。将全波动混响理论中的混响非相干平均强度,叠加海洋环境噪声平均强度,获得包含噪声的混响平均强度理论,分析背景噪声平均强度对反演海底反射系数幅值参数的影响。数值仿真表明,背景噪声平均强度的叠加使得混响平均强度衰减趋势减缓,导致海底反射系数幅值参数反演结果偏小,混响噪声比越低,影响越明显。提出一种噪声平均强度相减的修正方法,对混响噪声比为[0,6] dB的混响平均强度数据进行修正,利用修正后的混响数据反演得到偏差较小的海底反射系数幅值参数。对比浅海混响实验数据衰减至不同混噪比时反演所得海底反射系数幅值参数,以及经噪声修正后的反演结果,验证了本文提出方法的可行性。      

岛礁海域海洋环境噪声垂直分布和垂直指向性

依据岛礁海域复杂海底地形、海试期间航船分布和实测风速数据,应用射线声传播理论,建立岛礁海域海洋环境噪声三维模型。在海试岛礁海域深海声道条件下,采用射线3D算法,仿真计算了32元垂直测量阵所处265~885 m负声速梯度深度范围内1 kHz风关和50 Hz远处航船海洋环境噪声级垂直分布,以及50 Hz航船海洋环境噪声垂直指向性,并与实测分析进行比较。结果表明,仿真结果与海试实测数据一致性良好。在本例海底起伏、接收点周边存在众多岛礁和海底山的三维环境中,1 kHz风关海洋环境噪声级随深度分布较近于均匀;西南方向较远处航道区海域海底较平坦,航道区至接收阵为缓斜坡海底,50 Hz远处航船海洋环境噪声级随深度有所增加,其噪声垂直指向性无明显水平凹槽。文中建立的岛礁海域海洋环境噪声三维模型,可较好地表征本例岛礁复杂地形海底起伏海域的风关和航船海洋环境噪声级的垂直分布、及航船环境噪声的垂直指向性,实测和仿真的岛礁海域海洋环境噪声相关数据,可供实际应用及相关研究参考。      

利用海洋环境噪声互相关实现阵形校准

阵列信号处理需要准确的阵形,然而海底水平阵的阵形很难精确测量。利用海洋环境噪声可以提取两点间的格林函数,这为无源校准阵形提供了新的可能。通过海洋环境噪声互相关叠加可以获取两个阵元之间的距离信息,一种方法是可以通过该距离与位置之间的关系构建非线性方程组并利用最小二乘法(LS)求解阵形。本文利用多维尺度变换法(MDS)求解,通过对度量矩阵的特征值分解获得阵形。数值仿真和实验数据证明了该方法的可行性,并且MDS相比于LS有更稳健的性能。      

利用矢量海洋环境噪声提取声场格林函数

考虑到矢量水听器在垂直方向上具有8字形指向性,能够有效抑制远方非平稳噪声源的干扰,提出了一种矢量环境噪声相关函数(NCF)提取声场时域格林函数(TDGF)的方法。基于简正波理论建立了声压和垂直振速垂直相关性模型。在此基础上,给出了声压和垂直振速相关函数提取声场纵向格林函数的过程.数值仿真对比和实验数据分析表明,相对于声压提取方法,垂直振速提取方法能够有效消除直达波前出现的亮纹与亮区干扰。此外,对于同等时间长度噪声序列,声压提取方法只提取到直达波路径,而垂直振速提取方法还提取到了我们更为关心的海底反射路径。利用直达波与海底反射波到达时延差估计的海深与实测海深吻合较好。      

海面波浪对海洋环境噪声垂直空间相关性的影响

研究了由海浪谱导得的噪声源的相关函数对海洋环境噪声垂直空间相关性的影响。常用的海洋环境噪声空间相关性模型一般假设海面噪声源是非相关的,这种假设可以解释一些物理现象,但是与真实情况并不符合。考虑到风成噪声与海浪运动的相关性,引入海浪谱,得到噪声源的相关函数,利用Kuperman-Ingenito (K/I)噪声模型,计算海洋环境噪声的垂直相关性。通过仿真结果与实验数据对比可以看出,在高风速下,假设噪声源不相关时计算得到的噪声场垂直相关性与实验结果相差较大,而利用由海浪谱导得的噪声源的相关函数计算得到的噪声场的垂直相关性与实验结果符合较好。      

利用海洋环境噪声估计海流流速

为了观测海流在短时间尺度上的变化,基于被动声层析原理,提出了一种利用浅海海洋环境噪声估计海流流速的方法.通过波束形成增加噪声互相关函数的能量积累,从环境噪声互相关函数提取出两个水平阵列间的经验格林函数,利用经验格林函数的时间到达结构反演阵列间的浅海海流流速.海上实验数据处理结果表明,该方法提取了2h时间平均的经验格林函...     

一种海洋环境噪声分步反演地声参数方法

分析不同海底参数对环境噪声垂向空间特性的敏感度,根据海底密度对环境噪声垂直指向性的小掠射角部分不敏感,而对等效海底损失的大掠射角部分相对敏感的特点,提出了一种海洋环境噪声分步反演地声参数方法:先用环境噪声垂直指向性小掠射角部分反演海底声速、衰减;之后利用大掠射角部分来反演海底密度。仿真算例和海上实验数据处理结果验证了该方法的有效性。结果表明:分步反演加强了匹配物理量对海底参数敏感部分的关注,在反演结果精度(海底密度)以及反演效率上都有所改善,具有一定可行性。      

浅海海底反射系数幅值参数的反演

理论分析了一种通过混响强度衰减特性获取海底反射系数的幅值参数的方法.将海底反射系数的幅值参数和相位参数引入到全波动混响模型中,为海底反射系数的反演提供理论基础。理论分析和数值仿真表明,在小掠射角条件下,利用混响强度衰减特性反演海底反射系数幅值参数的可行性和准确性。该反演方法只需要输入4个变量:本地混响强度的衰减特性,反射系数的相位参数,海深以及海深处的声速,同时要求混响数据具有一定的混响噪声比(大于6 dB)才能够使反演结果准确可信。根据本地静态混响实验数据成功反演得到海底反射系数的幅值参数.      

基于子带二值加权累积的经验格林函数提取*

提出一种采用子带二值加权累积的海洋环境噪声互相关函数(NCF)提取经验格林函数(EGF)方法。首先将每一快拍NCF在频域划分为多个子带,每个子带内根据“累积后提取的EGF信噪比增加”的准则,确定各快拍NCF的加权系数为0或1,将各子带的加权累积结果谱白化后在频域拼接,再反傅里叶变换得到时域EGF。子带二值加权累积方法实现了每一快拍NCF累积前的频率自动选择,相比于已有的原始累积方法与时域二值加权累积算法,可以有效提高从较宽频率带宽的海洋环境噪声中提取EGF的信噪比。海试实验数据验证了该方法的有效性与优越性。     

表面声道对深海风成噪声垂直空间特性的影响规律

水下风成噪声的垂直空间特性包括噪声垂直方向性和垂直相关性,研究海洋环境对其影响规律对提升声呐性能、增加海洋环境参数反演的准确性具有重要意义.本文利用Pekeris割线下的简正波理论描述噪声的传播过程,研究了深海环境下存在表面声道时,表面声道以下噪声垂直空间特性的变化规律及其原因.研究表明,在临界深度以上,表面声道的存在导致噪声垂直方向性在水平凹槽边缘靠近海底方向上的峰值升高,噪声垂直相关性随垂直距离增加先后周期地向正相干和负相干方向偏移;在临界深度以下,表面声道的存在导致水平方向上的噪声能量增强,噪声垂直相关性整体向正相干方向偏移.当表面声道的参数变化时,表面声道的厚度变化对噪声垂直空间特性影响较大,而表面声道内的声速梯度变化对噪声垂直空间特性几乎没有影响.结合各类简正波的变化分析表明,存在表面声道时,噪声源激发的折射简正波阶数增加,强度增强,是表面声道引起噪声垂直空间特性变化的主要原因.     

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.     

The effect of ocean wave on the vertical spatial correlation of ocean ambient noise

The effect of the correlation function of noise sources derived from the ocean wave spectrum on the vertical spatial correlation of ocean ambient noise is investigated. The spatial correlation models of ocean ambient noise usually assume that the surface noise sources are uncorrelated. This assumption can be used to explain some physical phenomena, but it is not consistent with the real situation. Considering the relation between the ocean wave motion and the ambient noise generated by wind, the spectrum of ocean wave is introduced to calculate the vertical correlation of ocean ambient noise as the correlation function of noise sources by using the Kuperman-Ingenito(K/I) noise model. The comparison of the simulations and the experimental data shows that the simulations of vertical correlation of ambient noise have some differences with the experimental data by assuming the noise sources are uncorrelated and the simulations of vertical correlation of ambient noise have a good agreement with the experimental data by using the correlation function of noise sources derived from the ocean wave spectrum under the situation of high wind speed.     

Bottom profiling by correlating beam-steered noise sequences

It has already been established that by cross-correlating ambient noise time series received on the upward and downward steered beams of a drifting vertical array one can obtain a subbottom layer profile. Strictly, the time differential of the cross correlation is the impulse response of the seabed. Here it is shown theoretically and by simulation that completely uncorrelated surface noise results in a layer profile with predictable amplitudes proportional to those of an equivalent echo sounder at the same depth as the array. The phenomenon is simulated by representing the sound sources as multiple random time sequences emitted from random locations in a horizontal plane above a vertical array and then accounting for the travel times of the direct and bottom reflected paths. A well-defined correlation spike is seen at the depth corresponding to the bottom reflection despite the fact that the sound sources contain no structure whatsoever. The effects of using simultaneously steered upward and downward conical beams with a tilted or faceted seabed and multiple layers are also investigated by simulation. Experimental profiles are obtained using two different vertical arrays in smooth and rough bottom sites in the Mediterranean. Correlation peak amplitudes follow the theory and simulations closely.     

射线理论下的浅海环境噪声场空间相干性分析及海底声学参数反演

基于射线理论,以简化海底模型为基础,获得了浅海噪声场空间相干性在频域上的表示方法,并用于海底声学参数反演。将风关海洋噪声看作分布在无限大平面上的点源,通过计算噪声场垂直方向上的能量分布,进一步获得空间两点噪声场频域相干性表达式。利用数值仿真验证了模型对于不同海底类型的敏感性。并结合噪声场空间两点的频域相干性海上实验数据,反演得到该处海域的底质类型,进一步获得海底声速、密度和声衰减系数。结果表明,反演得到的海底参数与实际情况符合较好,文中提出采用的这种计算方法能够有效的反映海底反射对于噪声场空间相干性的影响,并且可在一定程度上提高反演海底声学参数效率。      

考虑噪声源深度分布的海洋环境噪声模型及地声参数反演

考虑到海洋环境噪声源深度分布不集中,建立了噪声源随深度分布的海洋环境噪声模型,分析了源深度对噪声场垂向特征的影响并从简正波角度予以解释,发现海底声阻抗和声源深度都显著影响由海洋环境噪声获得的等效海底反射损失大掠射角部分,进而将该模型用于地声参数反演.两段实测噪声数据200—525 Hz频段的反演结果表明:基于海洋环境噪声的地声参数反演最优值与声传播的反演结果相近;源平均深度最优值随频率增加有变小的趋势,说明随频率增加环境噪声主要贡献源逐渐由航船转为风浪;当海况大于3级时,400 Hz以上频段噪声源深度平均值很小,与Monahan气泡理论的描述一致.     

Method for vessel attitude estimation by spatial correlation function for bottom reverberation

Under the assumption that the sea bottom is an almost-flat and randomly rough thin layer, a spatial correlation model for bottom reverberation is constructed. At high signal noise ratio, the phase of the spatial correlation function is the product of sound wave number and the vertical vector between two hydrophones. In a nominally horizontal plane, roll and pitch bring on the vertical vector between the hydrophones. Then an equation including roll, pitch and the phase of the spatial correlation function is found. If a parallelogram can be constructed by 3 hydrophones and the rat ios of its acreage to diagonals are not smaller than half of the wavelength, roll and pitch can be obtained analytically or by optimal method. However, the ranges of roll and pitch are restricted because of the phase ambiguity. Using Fisher information matrix, the Cramer-Rao lower bound is obtained. Results from computer simulation and sea test data prove the feasibility of the method.