空气中声源激发水下声场的水平纵向相关性

声场的空间相关特性是声场的重要特征,对水下探测、水声通讯等各种设备在实际海洋环境中应用的参数选择具有重要意义,是水声工程技术研究的重要基础之一。相比于水中声源激发声场的相关特性研究,空气中声源的相关研究很少。本文推导了空气中声源激发水下声场的水平纵向相关的简正波表达式,并通过数值仿真分析,比较了声源分别位于空气中和水中时水下声场的水平纵向相关特性。对南海海域进行的一次悬挂汽笛空气声源、海底水平阵接收信号海上实验获得的数据进行分析,结果表明:空气中声源位于不同距离时,其发射的声信号激发水下声场的水平纵向相关均存在明显的起伏结构,基于本文提出的空气中声源激发水下声场的水平纵向相关系数的简正波表达式能够较好地解释该现象.      

能量加权时间特征用于浅海声源深度类型判别

针对浅海水面与水下低频宽带脉冲声源深度类型判别问题,提出了一种水平线列阵接收时利用能量加权到达时间特征判别声源深度类型的方法,并给出了工作频段选择的方法。该方法在脉冲宽度内以能量作为权值,对到达时间加权平均,将时间加权平均值与脉冲到达接收阵初始时间值的差值作为评判量,定义合适的水面与水下声源深度界限后,将评判量与拷贝声场中深度界限对应阈值比较,实现声源深度类型判别。经仿真数据验证,方法在等声速、负梯度、温跃层水文环境下的近距离声场均可实现。分析了声源距离、声源方位、海深、水平阵接收深度及阵列孔径等参数对方法性能的影响,进一步分析了声源距离失配、海底纵波声速失配、海深失配时方法的鲁棒性。除海底纵波声速失配时的影响较大外,方法具有较好的鲁棒性。     

不确知海洋环境下的贝叶斯声源定位法

为了提高不确知海洋环境下的声源定位性能,贝叶斯声源定位法将环境参数与声源位置同时反演。该方法利用遗传算法在参数空间中寻优,将后验概率密度在环境参数起伏变化范围内积分,得到声源距离和深度的边缘概率分布,从中求得声源位置的最优值,并进行定位结果的不确定性分析。考虑到海底密度和衰减系数对匹配场处理代价函数的敏感性较弱,利用海底参数之间的经验关系实现这两个参数的间接反演。处理并分析了2000年的一次黄海声传播实验数据,研究表明,贝叶斯声源定位法对环境失配有较好的宽容性。采用经验公式可减少待反演参量维数,进一步提高定位的精度。      

一种基于单水听器宽带信号自相关函数的水下目标定位稳健方法

在浅海波导中, 未知声源的本征声线相对到达时延估计是非常困难的. 声源位置在邻域内变化和声速剖面扰动对本征声线相对达到时延的影响是类似的. 基于这种思想, 提出了基于单水听器宽带信号自相关函数的水下目标定位稳健方法. 通过设计邻域位置约束, 构造加权函数, 将宽带信号自相关函数包含的交叉干扰峰值转化为能够改善目标定位性能的有用信息. 该方法不仅不需要估计本征声线的相对到达时延, 而且对搜索网格失配和环境参数失配具有相当的宽容性. 利用典型浅海环境下的仿真数据和海上实验数据(Shallow Water 2006 experiments)对所提出方法的有效性进行了验证.     

动态水声环境不确定性的预报与估计

水声环境具有强烈的时空易变性,为了解其变化中的规律和产生的不确定性,将POM海洋数值模型和水声传播模型FOR3D进行耦合,建立海洋—声学耦合数值模式。对海区的温盐等环境参数和水下声场进行预报,给出了典型断面的温度垂直结构、实验海区声速剖面和传播损失。同时,采用集合卡尔曼滤波(EnKF)方法结合海洋—声学耦合数值模式分析了水声环境的不确定性,对不同深度与频率下,传播损失的均值与满足90%的可能区间进行了计算,同时给出了不同点声速、传播损失、声纳作用距离的不确定性直方图。和实验数据的对比结果表明该方法具有较高的有效性,能对水声环境的不确定性进行合理的预报与估计。     

浅海不确定声场的随机多项式展开法研究

为获得求解浅海不确定声场的普适模型,建立了随机多项式展开法与Helmholtz方程的非嵌入式耦合模型,其间运用概率配点法求解多项式系数。针对仅当海水深度不确定时的Pekeris波导、声速剖面和海深均不确定时的Pekeris波导以及下限深度不确定温跃层等几种情形,计算了传播损失概率密度分布。结果表明所建模型对声场计算模型普适性强,计算精度和计算效率高,可用于研究含多个不确定环境参数、声速剖面复杂的浅海环境中声传播的不确定性。      

空气中声源激发的浅海水下声场传播实验研究

为了了解空气中声源激发的水下声场传播特性,对此开展实验研究.2010年在南海北部海域进行了一次空气中声源激发水下声场实验,在水下成功地接收到远至4 km处大功率扬声器在空中发射的脉冲声信号.本文通过分析实验数据,研究空气中声源激发的浅海水下声场传播特点.针对接收阵拾取的声传播信号信噪比低的特点,综合利用脉冲压缩以及波束...     

浅海中运动声源径向速度与距离的无源估计

针对浅海波导中声源距离的无源估计问题,提出了一种环境参数和声场模型无关的、不依赖于引导声源的运动声源径向速度以及距离估计方法。该方法首先通过双水听器低频声场强度距离波数谱变换(R-K)的相位差获得干涉简正波水平波数,对水平波数轴定标来估计运动声源的径向速度。进一步地,对接收信号自相关函数进行WARPING变换得到运动声源距离的无源估计。对于反射类简正波为主的声场,在某一假定距离下根据某两时刻接收信号WARPING变换后干涉简正波谱峰频率与假定距离的关系估计距离;对于反射类或折射类简正波为主的声场,根据两个时刻接收信号的β-WARPING变换后干涉简正波的脉冲时延估计距离的值。数值仿真分析了等声速、负梯度以及温跃层3种水文环境下的噪声以及环境宽容性,结果表明径向速度与距离的估计不依赖于环境参数。利用2005年北黄海实验数据验证了方法的可行性,径向速度与距离的估计值与实际值符合良好。      

不确定海洋环境中基于贝叶斯理论的声源运动参数估计方法

环境参数失配导致定位性能大幅度下降是匹配场定位所面临的难题之一.应用贝叶斯理论对环境聚焦,是当前解决该难题的研究热点.环境聚焦方法的实质是将未知环境参数和声源位置联合优化估计.然而,运动声源的位置时变性限制了观测时间长度和观测信息量,因此不得不利用很有限的观测信息来实现众多参数的估计.当航速较快或是环境信息的不确定性较大时,环境聚焦方法的效果迅速变差.借鉴卡尔曼滤波处理非平稳过程的参数估计思想,对航速较恒定的声源,本文将多个时刻的接收信号同时反演,引入能够描述声源位置随时间变化规律的时不变参数,以较少的时不变参数间接反演多个声源位置,从而有效降低待估参数维数.同时将当前估计结果作为下一次反演的先验信息,建立新的先验分布和代价函数,有效补偿个别异常数据,实现运动声源的连续定位.该方法在相同的环境不确定条件下,大幅度增加了观测时间和观测信息量,可以较好地改善环境聚焦方法的定位效果.     

不确定环境下的稳健自适应匹配场处理研究

针对浅海中由于水声环境参数不确定、水面强干扰的存在、以及目标运动等因素会导致水下弱目标检测与定位性能严重下降的问题,将协方差矩阵降阶、环境宽容性约束和运动补偿进行有机结合,在对运动补偿算法加以改进的基础上,提出了一种在不确定环境和强干扰背景下检测水下微弱目标的稳健自适应匹配场处理方案。典型浅海环境下的数值仿真和实测数据分析表明,该方案在一定的环境失配条件下不仅能有效地抑制水面强干扰,还能为水下微弱运动目标的检测提供较大范围的空时相干累积,有利于提高目标的定位精度和输出信干比。     

Pekeris waveguide comparisons of methods for predicting acoustic field amplitude uncertainty caused by a spatially uniform environmental uncertainty (L)

Acoustic field calculations in underwater environments are often uncertain because the environmental parameters required for such calculations are uncertain. This letter compares the accuracy of direct simulations, the field shifting approximation, and polynomial chaos expansions for predicting acoustic amplitude uncertainty in 100-m-deep Pekeris waveguides having spatially uniform uncertain water-column sound speed. When this sound speed is Gaussian-distributed with a standard deviation of 1 m/s, direct simulations and polynomial chaos expansions, based on 21 field calculations, are more accurate than the field shifting approximation, based on two field calculations. This ranking reverses as the sound-speed standard deviation increases to 20 m/s.     

Overview of channel models for underwater wireless communication networks

Acoustic communication in Underwater Wireless Communication Networks (UWCNs) has several challenges due to the presence of fading, multipath and refractive properties of the sound channel which necessitate the development of precise underwater channel models. Some existing channel models are simplified and do not consider multipath or multipath fading. In this paper, a detailed survey on ray-theory-based multipath Rayleigh underwater channel models for underwater wireless communication is presented and the research challenges for an efficient communication in this environment are outlined. These channel models are valid for shallow or deep water. They are based on acoustic propagation physics which captures different propagation paths of sound in the underwater and consider all the effects of shadow zones, multipath fading, operating frequency, depth and water temperature. The propagation characteristics are shown through mathematical analysis. Transmission losses between transceivers are investigated through simulations. Further simulations are carried out to study the bit error rate effects and the maximum internode distances for different networks and depths considering a 16-QAM modulation scheme with OFDM as the multicarrier transmission technique. The effect of weather season and the variability of ocean environmental factors such as water temperature on the communication performance are also shown. The mathematical analysis and simulations highlight important considerations for the deployment and operation of UWCNs.     

浅海相干声场不确定性研究

提出一种采用随机响应面法求解浅海中含不确定参数波动方程的方法.将海洋环境不确定参数表示为标准随机变量,利用Hermite多项展开式表示相干声场的随机响应,用概率配点法求解随机多项式系数后,获得相干声场的近似表达式.通过与Monte Carlo法、声场位移法比较,表明本文方法计算精度和效率较高.     

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。     

环境扰动约束下的稀疏贝叶斯定位方法

针对匹配场被动定位技术对海洋环境扰动敏感的问题,提出了一种基于稀疏贝叶斯学习的稳健匹配场处理方法。该方法通过分析环境扰动情况下的声场构成,建立了海洋环境扰动模型,同时结合水下定位问题的稀疏性,将匹配场被动定位问题表述为稀疏信号重构问题。然后,使用稀疏贝叶斯学习方法迭代更新目标位置及模型失配权向量,收敛至最优稀疏解作为目标定位结果。最后使用仿真数据和北厄尔巴岛的海试数据对算法进行了验证,仿真和实验结果表明:该算法在海洋环境模型失配情况下也能够准确定位,且能分辨水平间距为100 m的两个目标。因此,基于稀疏贝叶斯学习的稳健匹配场处理方法能够有效利用海洋环境扰动声场结构和水下定位稀疏特性,以增强匹配场处理的稳健性和定位精度,并且具有应对多源定位问题的能力。      

A High-Efficiency Spectral Method for Two-Dimensional Ocean Acoustic Propagation Calculations

The accuracy and efficiency of sound field calculations highly concern issues of hydroacoustics. Recently, one-dimensional spectral methods have shown high-precision characteristics when solving the sound field but can solve only simplified models of underwater acoustic propagation, thus their application range is small. Therefore, it is necessary to directly calculate the two-dimensional Helmholtz equation of ocean acoustic propagation. Here, we use the Chebyshev–Galerkin and Chebyshev collocation methods to solve the two-dimensional Helmholtz model equation. Then, the Chebyshev collocation method is used to model ocean acoustic propagation because, unlike the Galerkin method, the collocation method does not need stringent boundary conditions. Compared with the mature Kraken program, the Chebyshev collocation method exhibits a higher numerical accuracy. However, the shortcoming of the collocation method is that the computational efficiency cannot satisfy the requirements of real-time applications due to the large number of calculations. Then, we implemented the parallel code of the collocation method, which could effectively improve calculation effectiveness.     

沉积层声学特性对浅海低频声场分布的影响

已有对浅海低频水声场的讨论多是关注声能量在水体中的分布特性,对水体下沉积层、基底中低频声传播的同步研究相对较少。本文基于波动方程,在柱坐标系下推导了一种浅海水体/海底统一波导下低频声能流的计算模型,在此基础上结合具体仿真算例与波动理论阐述了不同沉积层声学参数对声场能量分布的影响规律及机理。仿真结果表明,在沉积层纵波声速>水中声速>沉积层横波声速的前提下,沉积层中密度与纵波声速数值越大,声能量越趋于保留在水体中而不向海底泄漏,横波声速的影响正好相反;沉积层厚度增加到一定量后,基底对流体层中声传播的影响可近似忽略不计。      

不确定海洋声场中的检测性能损失环境敏感度度量

现有的检测算法在实际的不确定海洋环境中会出现失配情况, 进而导致检测性能下降, 但是定量分析这种检测性能损失的工作却很少见, 因此本文定义了检测性能损失敏感度函数, 并给出了基于蒙特卡罗方法的计算方法.检测性能损失敏感度是一个表征海洋环境不确定度的物理量, 它反映了海洋参数变动和检测性能损失之间的关系.利用地中海某处海洋环境进行仿真, 针对各个海洋环境参数, 计算了全海域的检测性能敏感度. 结果表明: 1)检测性能损失呈现了很强的空间性, 在20 km处, 水面声速有4 m/s的变化下, 检测损失最小为1%, 而最大达到60%.声信道中的检测性能较为稳定, 其在远距离上更是如此; 2)各个海洋环境参数对检测性能损失有不同的影响, 水体声速剖面和第一层海底介质的声速和厚度是对检测性能影响最大的量; 3)环境参数敏感度呈现很强的频率特性, 海底底质参数包括底质厚度、密度和吸收系数等随着频率的升高对检测性能的损失影响变小. 关键词： 检测性能损失 环境敏感度 不确定海洋环境