深海大深度声场垂直相关特性

深海声场垂直相关特性对提高垂直阵阵列增益和水下目标探测性能具有重要意义.基于2014年南中国海实验大跨度垂直阵接收的声信号,分析了深海直达区、影区和会聚区等不同距离下的大深度声场垂直相关特性,并使用射线理论解释了深海垂直相关随空间变化机理.在直达声区内,声场垂直相关半径几乎可以覆盖整个水深,且随着深度增加,直达声和海面反射声到达时间差增加,相关略有下降.在声影区内,声场能量主要来源为经一次海底反射和一到两次海面反射的声线,垂直相关整体偏低.第一会聚区内垂直相关系数随着接收深度的增加而周期性振荡,并且与声能量在深度上的分布具有相似结构,这是高声强区域两组反转声线在垂直方向上周期性干涉的结果.     

深海海底反射会聚区声传播特性

在深海声道条件下,海水折射效应会使得声场出现会聚效应;在不完全声道条件下,深海海底对声场具有重要影响.利用在中国南海海域收集到的一次深海声传播实验数据,研究了深海不完全声道环境下的海底反射对声传播的影响.实验观测到不同于深海会聚区的海底反射会聚现象,在直达声区范围内的海底地形隆起可导致海底反射会聚区提前形成,并使得部分影区的声强明显提高.由于不平坦海底和海面的反射破坏了完全声道环境下的会聚区结构,在60 km范围内存在两个海底反射会聚区,会聚区增益可达10 dB以上,同时在11 km附近的影区和51 km附近形成高声强区域.当接收深度与声源深度相同时,第二会聚区的增益高于第一会聚区.在第一会聚区内,随着接收深度的增加,声线到达结构趋于复杂,多途效应更加明显.使用抛物方程数值分析结合射线理论对深海海底反射会聚区现象产生的物理原因进行了分析解释.研究结果对于声纳在深海复杂环境下的性能分析具有重要的指导意义.     

深海不平海底对声场水平纵向相关性的影响

海底地形变化对与海底作用的声反射区声场空间相关性有重要影响。利用南中国海某深海海域的一次声学实验数据,对深海海底反射区的声场空间相关性进行了分析。实验观测到,在距离声源约29 km至35 km距离范围处,不平海底环境下的水平纵向相关性出现了一些不同于平坦海底环境下的振荡结构,利用射线声学理论分析并解释了这两种不同海底环境产生水平纵向相关差异的原因。结果表明,在深海平坦海底方向一次海底反射到达区,对声场起主要贡献的经过一次海底反射声线间的到达时间差随着水平距离的增加而逐渐减少,从而干涉叠加后的相位差在[0,2π]内发生周期性变化,导致该区域声场的水平纵向相关性随着间距增加呈周期性振荡现象;而不平海底方向的海底小山丘恰对一次海底反射声线的阻挡影响,不仅使得与平坦海底方向相同区域的声传播损失明显增大,而且由于相对更多的本征声线路径的复杂多途干涉,该区域水平纵向相关性不再呈现明显的振荡周期,相关系数也有所下降。研究结果对于分析在深海复杂海底地形环境下的声呐阵列探测性能具有重要意义。      

深海海底声反射区多途时延差分析与近海面声源定位

深海海底反射声工作方式下的声场主要由4条一次海底反射声线路径构成。根据4条声线路径到达接收点的时间不同,可以得到6个不同的声线到达时延差值,当声源位于近海面时, 6条声线路径的时延差曲线随接收深度近似呈线性变化。本文基于虚源理论推导了海底声反射区的多途到达时延结构,给出了6条声线路径的时延差曲线随接收深度变化的近似表达式,通过分析时延差曲线与声源水平距离和深度之间的关系,提出了一种利用多途时延差估计深海海底声反射区近海面声源距离与深度的方法,仿真实验与影响因素分析验证了该原理的正确性。南海实验结果表明,当收发距离在10～33 km时,距离估计结果和深度估计结果都同实际声源距离和深度吻合较好,估计误差不超过15%,验证了该方法的有效性。     

典型深海声场频率-距离干涉结构分析及实验研究

基于射线理论分析了在典型深海情况下声源与接收水听器位于海水表层时声场频率-距离干涉结构,给出了直达声作用区与影区情况下声场频率-距离干涉结构的近似理论表达式。数值仿真与实验结果表明:在直达声作用区内,由直达声与海面一次反射声形成声场干涉结构,频率域干涉周期为该两条声线到达时间差的倒数;在影区内,由声源-海底-接收器、声源-海面-海底-接收器、声源-海底-海面-接收器和声源-海面-海底-海面-接收器四条声线形成声场干涉结构,声强随着频率具有两种干涉周期,分别随着声源深度、接收水听器深度的增大而减小,并与收发距离有关。本文给出的理论表达式可以较好的解释实验观测到的声场频率-距离干涉结构。      

深海近距离声场频率-距离干涉结构反演海底声学参数

地声反演一般存在多解性的问题,不易有效分离沉积层声速与厚度,本文提出了一种当声源与接收水听器分别位于海面与海底附近时匹配声场干涉周期反演深海沉积层声速与厚度的方法。该声场周期结构由直达波与海底沉积层反射回波干涉形成,其干涉周期受沉积层声速和厚度影响,通过匹配实测与理论计算的声场干涉周期可有效反演沉积层声速和厚度。开展了深海实验验证,利用水听器接收到的近距离船舶噪声的声场干涉条纹,反演得到的实验海域海底沉积层声速与该海域海底表层采样平均值差小于20 m/s。数值仿真与实验结果表明该方法可以有效反演沉积层的声速与厚度。      

深海海底斜坡环境下的声传播

海底地形变化对声传播具有很大影响,在南海深海区域海底斜坡环境下进行了一次声传播实验,实验显示倾斜海底环境下声传播损失出现了一些不同于平坦海底环境下的现象,分析并解释了海底地形变化对产生声传播差异的原因.结果表明,海底斜坡对声波的反射增强作用可使斜坡上方的声传播损失减少约5 d B.当声波第一次入射到达的海底位置有较小幅度的山丘(凸起高度小于1/10海深)时,海底小山丘即可对声波有反射遮挡作用,导致在其反射区特定传播距离和深度上出现倒三角声影区,比平坦海底环境下相同影区位置处的传播损失增大约8 d B,影响深度可达海面以下1500 m.而海底斜坡对声波的反射阻挡作用使得从海面反射及水体向下折射的会聚区结构消失,只剩下从水体向上折射的会聚结构.因此,海底地形对深海声传播影响较大,在水下目标探测和性能评估等应用中应予以重视.     

深海上层声速剖面水平非均匀分布对声场会聚区特性预报的影响

针对深海上层声速剖面水平方向弱变化对声场会聚区特征的影响,通过对0°出射声线传播轨迹的分析,提出了只考虑声源及会聚区位置附近声速剖面水平变化实现深海声场会聚区特征准确预报的方法,该方法有助于降低深海声传播调查时声速剖面水平非均匀分布的测量工作量。通过模拟小振幅内波引起深海上层声速剖面水平非均匀变化,对该方法进行了仿真验证。南海声传播试验数据分析表明,当不考虑上层声速剖面的水平非均匀分布时,模型预报的声场会聚区位置及会聚区能量分布与实测结果有一定差异,该差异具有距离累积效应,到第二会聚区时位置累计误差可达3 km,当考虑会聚区宽度内声速剖面水平变化时,模型预报的声场会聚区位置与实测结果非常吻合,第二会聚区位置预报误差小于1 km。     

深海海底山环境下声传播水平折射效应研究

声波在深海海底山环境中传播时,海底山会对声传播产生重要影响.2016年在南海深海进行了一次海底山环境下的声传播实验,观测到了由海底山引起的三维声传播效应,本文利用BELLHOP射线理论解释了海底山环境下的三维声传播机理.结果表明：声波在传播过程中与海底山作用后破坏了深海会聚区结构,导致传播损失增大,在海底山后形成具有明显边界的声水平折射区,利用二维声传播模型无法解释实验现象,海底山后声水平折射区实验测量的声场结构与N×2D模型计算结果存在明显差异,实验的传播损失比N×2D模型计算结果大10 dB.通过三维射线模型分析N×2D模型计算结果与实验结果存在明显差异产生的原因,发现由于声波水平折射作用,部分声线无法到达接收器,使得三维声传播效应对海底山后一定角度范围内声场影响较为明显.因此,深海海底山会引起明显的三维水平折射效应,应在水下目标探测和定位等应用中给予重视.     

深海中利用单水听器的影区声源无源测距测深方法

在典型深海情况下当声源与接收水听器位于海水表层时,在影区内由声源海底接收器、声源海面海底接收器、声源海底海面接收器和声源海面海底海面接收器4条声线形成声场干涉结构,声强随着频率具有两种干涉周期,随着收发距离的增加而增大,分别随着声源深度、接收水听器深度的增加而减小。因此由单水听器记录的声场干涉结构即可实现宽带声源目标的无源测距测深,仿真分析验证了其有效性。在南海深海声学实验中观测到海面宽带噪声源在声场影区所形成的声场干涉结构,数据分析结果验证了深海声场干涉结构用于声源无源定位的有效性。与传统无源定位方法相比,该方法不需要宽带引导声源、精确的海底声学参数和大规模的拷贝场计算。      

浅海周期起伏海底环境下的声传播

海底粗糙对水下声传播及水声探测等应用具有重要影响.利用黄海夏季典型海洋环境,分析了同时存在海底周期起伏和强温跃层条件下的声传播特性,结果表明:由于海底周期起伏的存在,对于低频(<1 kHz)、近程(10 km)的声信号,传播损失可增大5—30 dB.总结了声传播损失及脉冲到达结构随声源深度、海底起伏周期及起伏高度等因素变化的规律.当海底起伏周期不变时,起伏高度越大引起的异常声传播的影响随之变大;当起伏高度不变时,随着起伏周期变大,其对声传播的影响逐渐变小.用射线理论分析了其影响机理,由于海底周期起伏改变了声波与海底的入射和反射角度,使得原本小掠射角入射到海底的声线变为大掠射角,导致海底的反射损失增大;另一方面,声线反射角度的改变会使得原本可以到达接收点的声能量,由于与海底作用次数增加或变为反向传播而大幅度衰减.在浅海负跃层环境下,声源位于跃层上比位于跃层下对声传播影响更大.周期起伏海底对脉冲声传播的影响表现在引起不同角度的声线(或简正波号数)之间的能量发生转化,一些大角度声线能量衰减加大,多途结构变少.多途结构到达时间及相对幅度的变化进而影响声场的频谱,会使得基于匹配场定位的方法性能受到影响.所以,声呐在实际浅海环境中应用时,应对起伏海底的影响予以重视.此外,研究结果对海底地形测绘空间精度的提高也具有重要参考意义.     

深海声影区稀疏时延估计与声源测距

研究了深海声影区中经一次海底反射的多途声线到达垂直双水听器的时延差与声源位置的关系,提出了一种稀疏时延估计与声源测距方法。首先利用近海面布放的短间距垂直双水听器接收一定频带的声信号,然后计算接收信号的广义互相关函数,并利用频谱搬移和稀疏解卷积技术提取时延差,最后通过时延差匹配,估计水下声源的距离。仿真实验表明,在4300 m深海中,所提方法能够正确提取多途到达时延差,估计声影区内的声源距离。海试结果表明,当垂直接收孔径分别为21 m和30 m时,声源测距误差分别小于13.6%和8.1%。上述结果表明,所提出的时延估计方法可适应带宽较窄的接收信号,多途到达时延估计参数可用于实现声影区中的水下声源测距。      

陆架斜坡海域上坡波导环境中声能量急剧下降现象及其定量分析

深度较浅的声源其辐射声波在陆架斜坡海域上坡传播时,在斜坡顶端会出现声能量急剧下降现象.利用射线声学模型分析了造成这一现象的原因,并根据抛物方程声场模型计算的深海和浅海平均传播损失定义了"声能量急剧下降距离",定量分析了声源位置对该现象的影响.结果表明:声源深度对"声能量急剧下降距离"影响较大,而声源与斜坡底端水平距离对其影响较小;当声源深度变大时,部分掠射角较小的声线最终能够达到斜坡顶端,致使"声能量急剧下降距离"增大,继续增加声源深度,将导致上坡声能量急剧下降现象消失.利用抛物方程声场模型对陆架斜坡海域上坡声传播进行数值仿真,结合"声能量急剧下降距离"的定义,计算并比较了声源位置不同时该距离的变化,数值计算结果验证了理论分析.     

Multipath structure of the typical under-ice sound channel in the Arctic:theory and experiment

Considering the typical acoustic environment of the Arctic, this paper proposes a method based on OASES-Bellhop coupled model to rapidly analyze the multipath structure of the under-ice sound channel. Firstly the proposed model refers to ice plate as stratified elastic media with some roughness. Secondly,it uses the perturbation method and Kirchhoff approximation theory to solve the scattering loss due to the sea ice inhomogeneity. Finally, the model predicts the multipath structure of the under-ice channel through Ray theory. The results of the numerical simulation and experiment indicate that the typical Arctic sound channel presents multipath structures due to the sea ice and seabed in the range of 6 km, respectively.The sea ice reflection paths are stable,with a short multipath spread within 14 ms. The seabed reflection paths have relatively weak strength. The proposed OASES-Bellhop coupled model successfully predicts the amplitude and delay of the multipath structure with small error,which indicates the proposed model is able to analyze and predict the multipath structure of the observed acoustic environment in experiment.     

Blind deconvolution for robust signal estimation and approximate source localization

Synthetic time reversal (STR) is a technique for blind deconvolution in an unknown multipath environment that relies on generic features (rays or modes) of multipath sound propagation. This paper describes how ray-based STR signal estimates may be improved and how ray-based STR sound-channel impulse-response estimates may be exploited for approximate source localization in underwater environments. Findings are based on simulations and underwater experiments involving source-array ranges from 100 m to 1 km in 60 -m-deep water and chirp signals with a bandwidth of 1.5-4.0 kHz. Signal estimation performance is quantified by the correlation coefficient between the source-broadcast and the STR-estimated signals for a variable number N of array elements, 2 ≤ N ≤ 32, and a range of signal-to-noise ratio (SNR), -5 dB ≤ SNR ≤ 30 dB. At high SNR, STR-estimated signals are found to have cross-correlation coefficients of ～90% with as few as four array elements, and similar performance may be achieved at a SNR of nearly 0 dB with 32 array elements. When the broadband STR-estimated impulse response is used for source localization via a simple ray-based backpropagation scheme, the results are less ambiguous than those obtained from conventional broadband matched field processing.     

Comparison of hybrid three-dimensional modeling with measurements on the continental shelf

During the CALOPS 2007 experiment, off the coast of Fort Lauderdale, Florida, three-dimensional (3D) multipath was observed using a bottom mounted horizontal line array during source tows along the 200 m isobath [Kevin D. Heaney and James J. Murray, J. Acoust. Soc. Am. 125(4), 1394-1402 (2008)]. In this paper a hybrid modeling approach is presented to model the 3D sound on the Florida shelf, nearly shaped like the canonical wedge. The hybrid approach combines vertical acoustic normal modes with the parabolic equation solution (in range/cross-range). The approach is shown to satisfy the 3D Cartesian-coordinate wave equation in the limit of adiabatic mode propagation. In the adiabatic mode parabolic equation (AMPE) approach modal phase speeds vs position are used as the input to the parabolic equation computation with dimensions of easting (km) and northing (km). Vertical adiabatic modes and horizontal rays are also computed to illustrate the 3D multipath arrival. The AMPE field is computed for all the modes for each element of the horizontal array. Beamforming vs source range is then conducted and excellent agreement with data is achieved.     

浅海中水平阵时反聚焦性能研究

在浅海波导中,垂直时反阵可以跨越整个波导,能对大多数简正波模态进行精确采样。相比垂直阵,水平阵因便于安装在舰艇或永久布在海底放而更具有实际意义。本文在给定声源及海洋环境信息的条件下,通过仿真计算在声源处取得了较好的聚焦效果。对比垂直阵,计算了同种环境下水平阵取得较好时反聚焦效果所需孔径的大小,并分析了水平时反阵孔径一定,基元数减小;发射信号频宽的变化对时反聚焦性能造成的影响。得出大孔径的水平时反阵具有较好的时反聚焦性能,窄带信号较单频信号能改善水平阵时反聚焦性能的结论。最后处理了2002年海试数据,根据反演出的海底参数选择其中两组信号数据做时反处理,水平距离的定位误差为1.9%和2.2%。