南海北部海域内波环境下声传播损失起伏统计特性

浅海内波会引起声传播能量随时间的起伏变化,进而影响水声设备的工作性能.本文利用2015年南海北部一次浅海声场起伏实验数据,对比分析了浅海线性内波和孤立子内波条件下的声传播损失统计特性.在孤立子内波条件下,声传播损失起伏明显加剧,可达11 dB,且分布明显展宽,相对于线性内波的环境,声传播损失起伏可增加5 dB.从简正波...     

浅海内波环境下声场时间相关特性*

浅海内波是导致声场时间相关半径减小的一个重要原因,利用2015年南海声传播起伏实验,对比分析了线性内波以及孤立子内波环境下声场时间相关半径的统计特性。实验数据表明大振幅孤立子内波的存在极大的降低了声场的时间相关半径,声场时间相关半径从线性内波环境下的1小时-3小时,降低为孤立子内波环境下的小于20分钟。利用RAM程序仿真模拟了内波环境下的声场时间相关半径,理论预报结果与实验结果相符。     

南海夏季沿岸内波与定点声起伏特征分析

利用2020年6月海南岛沿岸试验数据,分析内波及声能量起伏特征。试验海域以全日潮内波为主,并伴随有高频内波活动。内波活动引起360 Hz单频信号20 km定点声起伏峰峰值超过30 dB, 320～400 Hz线性调频信号起伏峰峰值超过15 dB。利用测量数据结合数值仿真,讨论了内波引起单频信号和线性调频信号呈现不同起伏特征的原因。结果表明:试验海域内波活动导致单频声场模态间干涉条纹出现移动,进而导致接收位置处特定频率的声能量出现大幅度的快速起伏;由于带宽内的平均作用,宽带信号的能量起伏远小于单频信号的能量起伏。当内波传播速度变化时,各内波成分在声传播路径上出现的时间和位置发生了变化,使得声场出现剧烈起伏的时间也随之变化。     

南中国海海域存在孤立子内波条件下的 声场统计特性*

利用南海浅海海域低频声传播起伏实验中获取的水文数据，结合二维平流模型重构出声传播路径上的动态声速场，使用蒙特卡洛方法研究了有、无孤立子内波经过声传播路径条件下的声传播损失统计特性，并与实验结果进行了对比分析。仿真和实验结果表明：当孤立子内波经过声传播路径时，声传播损失起伏剧烈；与“下发上收”相比，“下发下收”情况下传播损失的概率分布更加分散。     

浅海中孤立子内波引起的声能量起伏

当孤立子内波的波阵面与声传播路径所成角度较大时,简正波耦合是导致声信号起伏的主要因素。研究了浅海中孤立子内波引起的声能量起伏规律,给出声场起伏的耦合简正波表达式,并使用抛物方程模型进行仿真。数值分析表明,接收点声强随时间变化呈准周期性。在频谱图中能够得到声强起伏的主导频率,主导频率与孤立子内波沿声传播路径的移动速度成正比,与无扰动波导中简正波在距离上的干涉周期(对应于射线理论中临界声线的跨度)成反比,与孤立子内波的形状无关。此外,对声强频谱的垂直结构进行了分析,该结构与对声场起伏起主要作用简正波的本征函数相关。      

南海北部浅海声场起伏及统计特性

水下声场的时间积分声强和峰值声强是声呐检测中的重要物理量,而海洋中的内波等动力学过程会造成声场强度的起伏。对南海北部浅海内波环境下定点声起伏实验数据分析,结合数值仿真,总结了试验海域近海底发射和近海底接收条件下内波引起接收信号强度起伏的统计特性.分析结果表明:接收信号的时间积分声强起伏小于峰值声强起伏;时间积分声强与峰值声强起伏的概率分布与对数正态分布较为接近.时间积分声强和峰值声强起伏大小与信号的频率有关,同一收发距离,中心频率650 Hz信号的声强起伏较中心频率310 Hz和375 Hz信号的声强起伏更为剧烈。对于同一频率,当海底较平坦时,声强起伏的闪烁指数随传播距离的增加而增大;当水深随传播距离逐渐变深时,声强起伏规律受内波和水深变化共同影响而更为复杂,闪烁指数先随传播距离增加而增大,之后又随传播距离的增加而逐渐变小.      

浅海内孤立波动态传播过程中声波模态强度起伏规律

内孤立波是一种常见于浅海海域的非线性内波,具有振幅大、周期短和流速强等特点,它通过扰动水体中的温盐分布使声速剖面产生明显的距离依赖性,进而影响水下声传播特性.内波自生成后通常以1 m/s量级的速度传播,运动的内波使声传播路径上的声波模态能量在空间和时间上剧烈起伏.本文定义模态强度为模态系数模值(模态幅度)的平方,并用其衡量各阶模态所含声能量的大小.文中基于耦合简正波理论,推导了内波运动时声波模态强度起伏的表达式,将模态强度表征为振荡项和趋势项的线性叠加.以往的工作大多局限于单独从时域或频域研究内波运动时声波模态强度的时变规律,本文则结合短时傅里叶变换在时频平面上揭示了模态强度的起伏机理.理论推导和数值仿真均表明内孤立波使各阶声波模态之间发生能量交换,即模态耦合.内波的动态传播进一步引起模态干涉,这种干涉效应表现为模态强度中的振荡项并使模态强度随时间快速起伏.受模态剥离效应(不同阶模态之间衰减系数的差异)的影响,趋势项的幅度随时间不断变化,进而对模态干涉引起的振荡叠加了时变的偏置.模态强度的整体走势和振荡项中各频率分量振幅的时变特征均与模态衰减密切相关.同时,本文使用深度积分声强作为总接...     

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。      

水平不变浅海环境随机扰动对声传播的影响

本文主要讨论浅海水平不变波导中的低频声传播问题,为环境适配声纳设计奠定基础。通过仿真分析了海水及海底环境参数对传播损失的影响,根据仿真及实验结果,建立了声速剖面随机扰动及海面、海底起伏条件下的声强分布概率模型,并利用模型中的形状参数α和尺度参数β,提出了局部蒙特卡洛模拟加曲线拟合的声场敏感性分析方法。仿真及实验结果表明声场传播损失服从伽马分布,良好水文条件下10 km距离的声场能量起伏也达到10 d B,随着距离增加,声场敏感性增加。本文所提出方法通过对近场声场的测量和统计实现对远场声场敏感性的预报,与全声场蒙特卡洛模拟相比计算量减小一个数量级。     

南海线性内波条件下的匹配场时间相关长度

对于相位敏感的算法,声场时间相关长度是一个重要的参数.它能确定与相位有关的水声通讯算法的比特率和误码率,以及其他对相位敏感的信号处理算法如匹配场处理的信号增益.为了考察南海线性内波对匹配场时间相关长度的影响,本文分析了2001年亚洲海国际声学实验(ASIAEX2001)南中国海实验的水文数据,得到了符合该海域的内波频谱表示,并通过数值仿真研究了该海域存在线性内波时匹配场时间相关长度与声源频率,,收发距离R以及声速起伏6C的关系,总结了南海线性内波环境中匹配场时间相关长度的经验表示.仿真中所用的声源频率f为150～1200 Hz,收发距离R为20～32 km,声速起伏δC为1.37～5.0 m/s.结果表明,在该实验水文条件下,匹配场时间相关长度与δC<'-1.3>和f<'-1.1>成正比;在海底水平不变和水平变化时分别与R<'-0.>和R<'-0.5>成正比.     

The effects of the internal waves on temporal correlation of matched-field processing in shallow water

Effects of linear and solitary internal waves on the temporal correlation of matched-field processing(MFP) in shallow water are numerically investigated for acoustic sources with different frequencies and depths based on oceanographic data from an experiment.It is shown that the temporal correlation of MFP decreases as the amplitude of solitary internal waves or the average energy density of linear internal waves increases.For acoustic source with lower frequency or located below the thermocline,the temp...     

Geoacoustic Inversion for Bottom Parameters via Bayesian Theory in Deep Ocean

We develop a new approach to estimating bottom parameters based on the Bayesian theory in deep ocean.The solution in a Bayesian inversion is characterized by its posterior probability density(PPD),which combines prior information about the model with information from an observed data set.Bottom parameters are sensitive to the transmission loss(TL)data in shadow zones of deep ocean.In this study,TLs of different frequencies from the South China Sea in the summer of 2014 are used as the observed data sets.The interpretation of the multidimensional PPD requires the calculation of its moments,such as the mean,covariance,and marginal distributions,which provide parameter estimates and uncertainties.Considering that the sensitivities of shallowzone TLs vary for different frequencies of the bottom parameters in the deep ocean,this research obtains bottom parameters at varying frequencies.Then,the inversion results are compared with the sampling data and the correlations between bottom parameters are determined.Furthermore,we show the inversion results for multifrequency combined inversion.The inversion results are verified by the experimental TLs and the numerical results,which are calculated using the inverted bottom parameters for different source depths and receiver depths at the corresponding frequency.     

浅海负跃层条件下的warping变换宽带无源测距方法

夏季浅海波导中常常存在强烈的负跃层,研究warping变换无源测距在这种水文条件下的使用方法具有重要的应用价值。对于上发上收、上发下收和跃层强度较小时下发下收的情况,海面海底反射类简正波对声场起主要作用,可以对接收信号的自相关函数进行时域warping变换,利用特征频率匹配的方法进行无源测距。而对于跃层强度较大时下发下收的情况,水体折射-海底反射类简正波对声场起主要贡献,可以对接收信号的自相关函数进行频域β-warping变换进行无源测距。并且能在事先获得粗略的水体声速剖面参数的情况下,通过设置一个已知距离的引导声源,那么即使估计得到的波导不变量存在一定误差,实际测距结果也可以与真实距离符合得较好。利用warping变换对一次夏季浅海实验接收到的目标发出的宽带信号进行无源测距,估计距离与真实距离符合较好,相对误差在20%以内。      

Interference structure of low-frequency reverberation signals in shallow water

Using numerical simulation, an analysis was conducted of the interference structure of a bottomscattered sound field generated by a wideband point source in shallow water under winter and summer conditions. The scattered signals were received from the place where the source was located and were subjected to Fourier transform with a sliding window. The paper demonstrates the possibility of estimating the waveguide invariant for backscattered signals when processing the sound intensity distributions in wide frequency and distance ranges up to the scattering area. A technique is proposed for reconstructing the twodimensional field of internal waves using variations of the interference pattern of reverberation signals. The influence of wind surface waves on the degree of interference band contrast is illustrated.     

温跃层及其变化对被动声纳检测概率的影响

根据被动声纳工作原理,构建被动声纳探测水下目标物概率数学模型。利用声学调查实测数据,综合考虑传播损失、环境噪声、和水文环境分布及季节变化,研究温跃层垂直分布及季节变化对声纳检测概率的影响。结果表明:温跃层对被动声纳影响巨大,逆温跃层环境中,声纳检测概率从海表向下逐渐减小;正温跃层对声纳总的影响与逆温跃层相反,在正温跃层上界,检测概率从表层向下先减小后增大;逆温跃层对被动声纳检测概率的影响随目标物与声纳距离的增大而增大,正温跃层影响相反。     

Acoustic propagation through anisotropic internal wave fields: transmission loss, cross-range coherence, and horizontal refraction

Results of a computer simulation study are presented for acoustic propagation in a shallow water, anisotropic ocean environment. The water column is characterized by random volume fluctuations in the sound speed field that are induced by internal gravity waves, and this variability is superimposed on a dominant summer thermocline. Both the internal wave field and resulting sound speed perturbations are represented in three-dimensional (3D) space and evolve in time. The isopycnal displacements consist of two components: a spatially diffuse, horizontally isotropic component and a spatially localized contribution from an undular bore (i.e., a solitary wave packet or solibore) that exhibits horizontal (azimuthal) anisotropy. An acoustic field is propagated through this waveguide using a 3D parabolic equation code based on differential operators representing wide-angle coverage in elevation and narrow-angle coverage in azimuth. Transmission loss is evaluated both for fixed time snapshots of the environment and as a function of time over an ordered set of snapshots which represent the time-evolving sound speed distribution. Horizontal acoustic coherence, also known as transverse or cross-range coherence, is estimated for horizontally separated points in the direction normal to the source-receiver orientation. Both transmission loss and spatial coherence are computed at acoustic frequencies 200 and 400 Hz for ranges extending to 10 km, a cross-range of 1 km, and a water depth of 68 m. Azimuthal filtering of the propagated field occurs for this environment, with the strongest variations appearing when propagation is parallel to the solitary wave depressions of the thermocline. A large anisotropic degradation in horizontal coherence occurs under the same conditions. Horizontal refraction of the acoustic wave front is responsible for the degradation, as demonstrated by an energy gradient analysis of in-plane and out-of-plane energy transfer. The solitary wave packet is interpreted as a nonstationary oceanographic waveguide within the water column, preferentially funneling acoustic energy between the thermocline depressions.     

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.     

多导体传输线高频场线耦合渐近法分析

基于理想地面上单导体传输线渐近法,提出了改进的多导体传输线渐近法。与已有多导体传输线渐近法相比,所提方法步骤简单,求解效率高。利用所提方法计算电磁波与不同结构多导体传输线网络之间的耦合,结果与全波分析方法计算结果吻合很好。在此基础上,分析了多导体传输线导线间距对沿线感应电流的影响。结果表明,随着导线间距变化,矩形网络和平行网络沿线感应电流波形变化趋势不同,且当间距大于一个波长后,平行网络和理想地面上相同结构的单导线具有相同的沿线感应电流。