深海海底反射区声场的相干结构及其有源声呐估距

有源声呐在探测深海海底反射区的目标时,由于声线大掠射角弯曲且声速沿声线传播路径不断变化,造成了常规估距方法产生较大的误差。有效声速法是减小常规估距方法误差的有效途径,但由于需要预先计算空间每一位置点的\     

基于深度约束的声速估算方法*

高精度的声速剖面数据是提高水下定位精度的关键。在无法精确获得声速剖面数据的情况下,该文提出了一种基于深度约束,同时根据浮标与水下目标的空间几何距离进行有效声速估算的方法。通过仿真模拟,将该文提出的方法与加权平均声速法、泰勒级数展开法和等效声速剖面法的定位结果进行对比分析。结果表明,新方法不需要依靠声速剖面数据,通过深度约束可有效地估算出声速值,其定位精度与等效声速结果相当,极大地提高了无声速剖面数据下的水下定位精度。     

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。     

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...     

正交曲线坐标系在变化地形声场计算中的应用*

变化地形声场计算是越来越经常碰到的情况。变化地形往往给声场计算带来计算量增大、求解精度下降的问题。坐标系选择是声场计算中非常重要的问题,本文研究基于地形的合适正交曲线坐标系选取规则。在此坐标系中求解Helmholtz方程,能够极大简化求解过程、提高计算精度。结合简正波理论,从新的角度展示了正交曲线坐标系在某些典型变化地形线源声场计算问题中的应用。结果表明,本文方法在变化地形处理方面,能克服传统阶梯步进法的不足。     

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。     

深远海线性内波条件下声场时间相关性的空间分布

深海声场特定的干涉结构导致其时间相关性的空间起伏,研究这种空间特性可以为水声信号的探测与处理提供重要参考。利用抛物方程声场仿真模型,联合Monte-Carlo数值方法计算分析了深远海线性内波条件下声场时间相关性的空间分布特性。与现有的研究相比,给出了时间相关性的距离和深度起伏特征。结果表明,当接收达到一定距离,声场时间相关性的空间分布具有与声场干涉条纹类似的结构,声场干涉越强,时间相关性越好。此外,声源频率和声速标准差的变化会引起时间相关性空间分布规律的改变,且会聚区传播模式下的改变强于深海声道传播模式。     

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.     

The WKBZ mode approach to sound propagation in range-independent ocean channels

I.IntroductionThenorma1-modeapproachcangiveanexactso1utiontotheacousticfie1dinastratifiedmedium,soitisoftenusedtocomparewithotherapproximatemethodssuchasraytheory,parabo1icequationl'](PE)methodandGaussianbeam[21approach,andtakenasacriteriontochecktheaccuracyofapproximatemeth0dsl3J.Themodeapproachmayalsobeextendedtorange-dcpendente..i,onmentsl4.5l.Thoughtherearemanynumerica1propagationcodesbasedonthemodeapproachI'],theconventionalmodeapproachisawkwardtoapplyt0'higherfrequencya-ndbroadbandprop…     

复杂结构声辐射模态的计算

结构辐射阻矩阵的特征向量就是其声辐射模态,复杂结构的辐射阻矩阵获取困难阻碍了声辐射模态理论的进一步应用。为此提出一种基于等效源方法的复杂结构辐射阻矩阵计算方法,由此形成了一套完整的计算复杂结构声辐射模态方法。最后通过仿真算例对影响结构辐射阻矩阵计算精度的因素进行了分析,给出了复杂结构辐射阻矩阵构造的一般原则。理论推导和数值仿真算例表明所提出的复杂结构声辐射模态计算方法是有效的。该方法简化了复杂结构声辐射模态的计算,计算效率较高。     

基于简化模型与自适应滤波的车载SINS静基座快速对准

为了实现捷联惯性导航系统(Strap-down Inertial Navigation System,SINS)快速初始对准,根据已有可观测性分析结果,通过理论分析和计算得到了扩展观测量时初始对准系统最优可观测状态量组合,在此基础上简化了对准模型,建立了新的系统方程。针对载车发动机启动或其他情况导致系统噪声无法精确统计,提出了运用基于强跟踪滤波原理的自适应卡尔曼滤波(Kalman Filter,KF)算法抑制滤波发散,加快收敛速度。仿真结果表明运用简化模型和自适应滤波在系统噪声不匹配时具有更快的收敛速度和更高的对准精度,车载实验结果也表明运用简化模型和自适应滤波可以实现快速对准。     

室内声场简正波法的数值计算方法和混响场中声强测量的误差

简正波法是求解室内声场的一种较准确的数值计算方法,准确度由所取级数的项数而定,本文详细讨论了数值计算方法、级数的收敛性,并以图线来表明在声源点级数的发散及在声源附近计算的困难,本文还讨论声强测量的理论误差,用一般声强计在混响场中测量声强,误差是很大的,以致所得结果完全不可信任,如将传声器易位、前后两次测得的声强取平均,测量误差就可大大减小,若能采用精密仪器,使两个通道的相位差小于0.05°,则测量结果的统计误差可控制在合理范围内。     

利用自发布里渊散射测量液体声速

为了克服共振干涉法在液体的热力学声速和高频声速测量方面精度不高的问题, 本文建立了一种基于自发布里渊散射原理的测定液体声速的实验装置. 利用法布里-珀罗干涉仪对散射光进行扫描滤波, 数据采集卡结合光子计数器对散射光进行探测, 设计了一种散射光信息采集分析方法. 该实验方法有效的解决了传统布里渊散射方法中信号失真的问题, 显著地提升了液体声速测量精度. 对308.6–906.2 MHz内298.15 K饱和液相CCl₄声速进行了测量, 测量结果与文献值具有较好一致性. 利用法布里-珀罗干涉仪周期性扫描的滤波原理, 通过在测量得到的布里渊频移上加减整数倍个自由波谱区, 得到了更大频率的波谱信息, 进而设计一种测定介质高频声速的方法. 对CCl₄在5406.1–5521.0 MHz频段内的声速进行了测量. 实验结果显示, CCl₄的热力学声速随频率无明显变化, 而高频声速随频率的增大呈增大趋势且远大于热力学声速, 证实CCl₄具有色散现象.     

深海不完整声道下反转点会聚区研究

近期南海远程声传播实验数据的处理分析表明在深海不完整声道中声道轴以下存在一种会聚区,该会聚区相比于海面附近的上反转点会聚区在远距离处具有更高的会聚增益.本文利用射线简正波理论确定了水中反转型焦散线和海面反射型焦散线位置,对比发现实验中观测到的深海大深度会聚区位置与水中反转型焦散线位置一致,证明该会聚区是由大量简正波同相...     

Investigation of the sound field structure in the ocean with a deep-water reception

The results of studying the angular and energy structures of a sound field at great depths (880 and 1100 m) with the emission of pseudonoise signals (a frequency range of 1–4 kHz) in the upper layers of the ocean below the velocline (at a depth of 200 m) are presented. The results refer to two ocean regions characterized by the presence of a single-axis deep-water sound channel. The sound field structure at great depths is compared with that recorded at the source depth. The experimental data for the first two convergence zones are compared with the calculations by the ray method. A conclusion is made that, on the whole, the basic regularities of the field structure at great depths are adequately described by the ray theory. However, the spatial positions of the convergence zones observed in the experiment differ from those predicted by the ray calculations. Moreover, a closer examination of the field characteristics shows that the parameters of the angular and energy structures noticeably deviate from the calculated values.     

沉积物中声速和衰减系数的宽带测量方法

海底沉积物作为海洋波导声传播的下边界普遍存在于大洋中,获知其特性对于准确的声传播和混响建模是十分必要的。为了能够快速而准确地测量沉积物中的声速和衰减系数,提出一种基于脉冲压缩技术的测量方法,对接收信号进行压缩来提取透射波,根据不同厚度样品的透射波来计算沉积物中的声速和衰减系数。该方法不仅可以克服实验过程中经常遇到的多途干扰,而且测量过程简单,可以同时获得测量频带内所有频点的声速和衰减系数,即实现了对声速和衰减系数的宽带测量。在实验室环境条件下,90~170kHz的测量频带内,测得沙样品中的声速为1710~1713m/s,衰减系数在56~70dB/m之间。通过窄带和宽带测量结果的比较可以看出,声速的宽带测量结果与窄带测量结果吻合得较好,而衰减系数在频带后半部分存在较大的起伏。     

随钻新型隔声体的声学性能研究

随钻声波测井近年来逐渐发展为新兴的勘探方式,但钻探过程中产生的钻铤波会影响地层信号的提取,众多研究学者将如何更有效地提取地层信号作为了研究的重点课题.该文基于声子晶体理论设计了一种新型隔声体,相对于传统刻槽结构能够更好地压制钻铤波.首先基于周期结构理论,利用有限元软件计算了不同刻槽结构的能带图,相比于传统刻槽结构,新型...     

The rapid uncertainty prediction of the ocean-acoustic coupled model

Focusing on the rapid prediction of acoustic field uncertainty in environment with temporal and spatial sound speed perturbation, evolvement of sound speed structure over time is predicted based on the ocean-acoustic coupled model to obtain the uncertainty distribution of the vertical structure of sound speed. Further, a method combining the arbitrary polynomial chaos expansion with the empirical orthogonal function is proposed to reduce the dimensionality of uncertain parameters and to obtain the uncertainty distribution of the acoustic field. Simulations have shown that the computational complexity can be reduced by 2 orders of magnitude compared to the conventional polynomial chaos expansion while ensures the same precision.Moreover, the computational complexity is not influenced by the complexity of the sound speed profile. The acoustic field and uncertainty predicted in uncertain environment by proposed method also have been tested with the experimental data.     

层析法计算三维物体全息图的并行加速研究

随着计算空间光调制器的分辨率的尺寸逐渐变大，全息图三维动态显示的计算量也越来越大，使得对全息计算速度提出了新的要求。利用GPU并行计算处理的方式实现全息图的快速层析法计算，该方法利用GPU并行多线程和层析法中的图像二维傅里叶变换的优势对菲涅尔衍射变换算法加速计算；同时通过对GPU底层资源的调用和对CUDA中程序的流处理过程，有效减少中间的延时等待。通过对计算速度对比分析表明:与在CPU上运算相比，计算速度大幅提升，基于GPU并行计算的方法比基于CPU计算的方法速度快10倍左右。