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。      

内孤立波特征长度估计方法与验证

针对内孤立波特征参数估计问题,研究了一种基于简正波耦合的内孤立波特征长度估计方法,完成了密度分层流体介质内波水槽实验验证。根据各阶简正波之间的能量耦合规律,提出了简正波水平波数差与内孤立波特征长度的数学关系。结合抛物方程建立了浅海内孤立波场仿真模型,分析了内孤立波声散射特性对声场前向传播的影响,数值结果表明,在某个特定频率上声传播损失有显著起伏。比较分析该声源频率激发的简正波耦合波数差与原设定值,推导了最优估计关系式。搭建了内孤立波水槽的缩比实验系统,通过研制的宽带瞬态等离子体声源和特定水听器阵列完成了内孤立波的前向声散射数据收集,比较了水槽实验条件下得到的估计值与设定值,实验结果验证了估计方法的可行性。     

反演声场简正波耦合系数矩阵

研究了有内波传播时声场的耦合简正波形式,分析表明各阶简正波系数的时间信号包含多个频率成分,各成分的频率为对应的两地波数差与内波速度的乘积,各频率成分的振幅与对应简正波之间的耦合系数成正比。因此即使内波的波形不随其传播而变化,接收器处的各阶简正波系数仍然具有多频的复杂结构。由此并根据简正波耦合强度与声场简正波系数起伏强度的对应关系提出了一种反演简正波耦合系数矩阵的方法;并用实验中获得的内波数据,反演了声场;计算结果表明:该方法有效地反演了内波传播情况下的简正波耦合系数矩阵。     

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。      

用于浅海有源声呐目标深度估计的匹配相位处理EI北大核心CSCD

针对浅海波导中有源声呐目标深度估计问题,提出了通过单个声源发射低频宽带信号,垂直双接收水听器接收目标回波,利用宽带目标回波比值的相位特征进行匹配相位处理的方法,不仅消除了目标散射特性对有源声呐目标深度估计的影响,而且仅需计算单程的信道传递函数,运算量小,有利于实时处理的实现需求。首先通过理论推导,定义了一个隐含目标深度、且与目标散射特性无关的声场特征——单程传播向量宽带干涉结构,在Pekeris波导条件下仿真分析了简正波阶数与单程传播向量宽带干涉结构的幅度和相位的关系,发现选取较多的简正波阶数贡献的单程传播向量宽带干涉结构进行匹配相位处理可以提高目标深度估计的性能。进一步仿真分析表明,在发射信号选取一定的时间长度和带宽的条件下,利用全部阶简正波且信噪比大于-10 dB时,方法的深度估计误差在5 m之内。最后分析了信号时间长度和处理带宽对有源声呐目标深度估计性能的影响,以及海底声速、海深和声速剖面失配时方法的鲁棒性。     

孤立子内波引起的高号简正波到达时间起伏

在新泽西附近海域进行的浅海实验(Sw'06)观测到了大量的孤立子内波.利用SW'06海洋环境资料分析了有无孤立子内波存在时的脉冲声到达时间起伏.发现当孤立子内波出现时, 1号简正波到达时间较为稳定,而一些高号简正波到达时间比第1号简正波提前,且随着温跃层深度变化而起伏.经射线理论分析表明:由于孤立子内波出现,导致温跃...     

大陆坡内波环境中声传播模态耦合及强度起伏特征

大陆坡海域内波普遍存在,其陆坡地形和内波过程都会引起显著的声场起伏.已有研究工作主要关注内波或大陆坡单扰动因子对模态耦合和强度起伏的影响,少见将内波和海底地形起伏同时作为影响因子进行研究.文章考虑孤立子内波和海底地形对声传播的双重影响,首先构建海洋波导模型,然后基于简正波理论数值对比分析各波导模型条件下模态的耦合规律,进而研究声场强度起伏特性及其物理机理.研究结果表明,当声波朝向或远离内波中心传播时,模态耦合在内波与大陆坡的共同作用下出现耦合增强或衰减,高号模态耦合系数振荡;内波扰动的作用使得能量由低号模态耦合至高号模态,提高了声场强度衰减;斜坡的作用使得声波下坡传播时,波导模态数增加、模态强度衰减降低;大陆坡内波环境中的模态强度总和大于内波环境、小于大陆坡环境,且模态组间的能量转移比只有内波或者大陆坡时更强,高号模态从耦合中获得更多能量,使得跃层以上水层能量增强.     

浅海内波环境下声场干涉条纹的稀疏重建

针对浅海内波引起的干涉条纹“扭曲”问题,利用耦合模理论,提出了一种声场干涉条纹的稀疏重建方法.该方法主要分为两个步骤:1)将干涉条纹近似为几组二维正弦的和,并用向量有限新息率方法重建; 2)根据耦合模理论,未耦合模对的二维频率不随内波位置变化,而耦合模对的频率随内波位置变化.因此,二维频率可以分为两部分:未耦合模对包含了波导的信息,可用于背景环境规则干涉条纹的重建和波导不变量的估计;耦合模对包含了内波的位置信息,可用于内波的追踪.仿真结果表明,本文方法在内波环境下能够提供有效的干涉条纹重建、波导不变量估计和内波的追踪.     

复等效深度耦合简正波模型

为了考虑海底地形随距离变化的非水平分层介质中割线积分对声场的贡献,提出了复等效深度耦合简正波模型。该耦合简正波模型由介质运动方程和连续性方程推导得到了耦合微分方程组,此方程组满足海底地形随距离变化情况下的边界条件且仅包含一个耦合矩阵,并通过引入复等效深度理论处理连续谱和离散谱之间的相互耦合。仿真计算表明,复等效深度耦合简正波模型提高了波导简正波本征值位于割线枝点附近情况下声传播损失的计算精度,充分考虑了波导简正波、非波导简正波和割线积分对声场的贡献,可快速而准确地计算非水平分层介质中的声场。      

浅海孤子内波对水平纵向相关性的影响*

基于理论和模型仿真对孤子内波存在下的水平纵向相关系数的变化进行了研究。理论上推导出浅海孤子内波存在情况下的声场水平纵向相关系数随时间的变化规律,并且运用二维抛物方程模型（Ram）验证理论推导结果。结果表明,孤子内波会导致水声纵向相关系数的变化,并且水平纵向相关系数的变化是由于简正波的干涉所导致。我们给出特定环境下的水平纵向相关系数随时间变化的结果,当环境中第一、二号简正波占主导地位时,水平纵向相关系数会呈现出周期变化的结果。     

Broadband interference of received pulse for single normal mode and solitary internal wave localization

To analyze the solitary internal wave(SIW) influence on acoustic field interference pattern and thereby monitor SIW, for broadband pulse signal propagating through SIWs, we adopt a parabolic equation model, and simulate the variation of received single normal mode(SNM) pulse sequence with SIW position, and analyze the spatiotemporal interference characteristics and mechanism of the sequence. Based on the coupled mode theory, we derive the relationship between SIW position and interference striation slope(ISS). The relationship can monitor the SIW position precisely, with greatly improved precision and robustness compared with previous work. Furthermore, based on the SNM interference pattern periodicity in frequency, we also develop another method to estimate SIW range, with better real-time property than the first method. The SIW-normal mode interference relationship can be used for improving acoustic field localization in the presence of SIWs, which has great value for oceanology,marine engineering, marine military and so on. Besides, the relationship can be expanded to other detection for local variation, e.g., detecting metal flaw and locating dramatic variation in seabed topography.     

Acoustic multipath arrivals in the horizontal plane due to approaching nonlinear internal waves

Simultaneous measurements of acoustic wave transmissions and a nonlinear internal wave packet approaching an along-shelf acoustic path during the Shallow Water 2006 experiment are reported. The incoming internal wave packet acts as a moving frontal layer reflecting (or refracting) sound in the horizontal plane. Received acoustic signals are filtered into acoustic normal mode arrivals. It is shown that a horizontal multipath interference is produced. This has previously been called a horizontal Lloyd's mirror. The interference between the direct path and the refracted path depends on the mode number and frequency of the acoustic signal. A mechanism for the multipath interference is shown. Preliminary modeling results of this dynamic interaction using vertical modes and horizontal parabolic equation models are in good agreement with the observed data.     

基于Rayleigh-Bloch模式的单层结构弯曲声波导

基于一维声栅中的Rayleigh-Bloch(RB)模式基本特点,设计了一种单层结构弯曲声波导.利用有限元方法从时域和频域两方面验证了弯曲声波导的有效性,RB模式波可以沿着波导的弯曲界面传播.研究发现,由于采用了环形结构基本单元,在该波导中存在两种传播模式,分别对应能量局域在单元间(模式-1)和单元内部(模式-2)两种情况.其中,模式-2声传输效果更佳,几乎可实现无损传输.时域研究中分别采用了调制脉冲和高斯脉冲两种信号形式,分析了它们在弯曲声波导中的传输过程.由于波导中只允许RB模式波传播,因此对于宽频信号来说,可起到滤波的效果.并且,不同模式(频率)的信号会出现在声波导的不同位置,所得结果对于声波定向传输、声探测与识别等研究具有理论与应用价值.     

Effect of background internal waves on the interference structure of the sound field in a shallow sea

The results of a theoretical analysis of the effect produced by an anisotropic field of background internal waves on the localization of the interference pattern in a shallow sea are presented. The space-time variability of the interference invariant and the smearing of the observation direction of interference fringes are considered in a wide frequency range. The stability of the interference pattern formed by both the superposition of the fields of different mode groups and separate mode groups is analyzed in comparison with the unperturbed waveguide. Numerical calculations are performed for longitudinal and transverse orientations of the acoustic track relative to the propagation direction of internal waves.     

浅海波导中简正波相干分量的奇异值分解提取方法

浅海波导中的简正波相干特性是水声学研究的重要对象之一。提出了一种不需任何先验信息即可从一定带宽声信号中分离、提取各简正波相干分量的方法。首先利用信号功率谱数据构造一个厄米特矩阵;然后对该矩阵作奇异值分解,所得诸奇异向量即分别惟一地对应了声场中某2号简正波的相干分量。推导证明了本文方法的基本原理,通过数值仿真和海上试验验证了其有效性,最后讨论了简正波相干分量提取结果在声源被动测距方面的应用。      

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。      

水下目标前向声散射探测的干涉声场畸变量分析与应用

前向声散射探测中的信直比SDR;能衡量目标前向散射波与直达波的相对大小,但未考虑两种波的干涉叠加。前向散射波与直达波实际上是干涉在一起的且很难分离,因而信直比在目标探测分析中难以直接应用。以信直比为基础并计入前向散射波与直达波的干涉效果,引入了新的参量——干涉声场畸变量ΔFTL——并给出了理论计算公式。与SDR;相比,ΔFTL可以直接从声场数据中得到,在一定程度上具有不依赖先验信息的优势。以该公式为基础并结合千岛湖缩比目标探测试验数据,(1)通过估算几何扩展损失系数发现试验中的声波为球面波,结果与依据实测水文参数的射线声场模型仿真结果相符;(2)定量地证实了ΔFTL与目标穿越位置的对应关系,同时也证明了ΔFTL理论计算公式的有效性;(3)建立了一种新的直达波抑制效果评估方案,并完成了对自适应直达波抑制方法的效能评估。目标透声和航行姿态扰动对试验结果的影响可以忽略。分析结果表明:ΔFTL能够有效代替SDR,为开展前向声散射探测性能分析或直达波抑制效果评估提供理论参考。      

Acoustic emission localization in beams based on time reversed dispersion

The common approach for the localization of acoustic emission sources in beams requires at least two measurements at different positions on the structure. The acoustic emission event is then located by evaluating the difference of the arrival times of the elastic waves. Here a new method is introduced, which allows the detection and localization of multiple acoustic emission sources with only a single, one point, unidirectional measurement. The method makes use of the time reversal principle and the dispersive behavior of the flexural wave mode. Whereas time-of-arrival (TOA) methods struggle with the distortion of elastic waves due to phase dispersion, the method presented uses the dispersive behavior of guided waves to locate the origin of the acoustic emission event. Therefore, the localization algorithm depends solely on the measured wave form and not on arrival time estimation. The method combines an acoustic emission experiment with a numerical simulation, in which the measured and time reversed displacement history is set as the boundary condition.     

基于频散特征的单水听器模式特征提取及距离深度估计研究

针对浅海环境中低频宽带水声脉冲信号, 研究基于频散特征结合时频分析的单水听器距离和深度估计方法. 以简正波理论为依据, 将单水听器上的接收信号表示成一系列传播模式之和的形式, 分析了经典波导环境下的频散现象, 采用自适应径向高斯核函数的时频分析方法来表征接收信号的频散特征. 为提高时频分辨率, 采用自适应径向高斯核函数的时频分布来提取频散关系曲线中传播模式的到达时间差, 利用模式的到达时间差估计声源的距离. 采用多模式联合匹配的方式, 通过二值掩模滤波的时频滤波方法, 提取所需的模式. 通过计算实际提取出的模式能量与预测的模式能量之间的误差, 建立代价函数, 并通过模式能量匹配的方式, 确定声源的深度. 通过对基于Pekeris波导模型的浅海环境进行仿真验证, 结果表明: 自适应径向高斯核函数的时频分析方法能够很好地反映信号本身的频散特征, 具有较高的时频分辨率, 克服了传统短时傅里叶变换时频表征的限制, 使得模式在时频域更加容易辨识和分离; 从测距效果来看, 不同模式组合下的距离估计结果不同, 采用在时频面上具有较高能量的模式, 可得到较为准确的距离估计; 选用高能量的模式所得的距离估计的相对误差小于2%. 在定深方面, 参与联合匹配的模式个数越多, 代价函数的峰值更加地尖锐, 同时具有低的伪峰, 深度估计的性能会进一步有所提升. 该工作对于研究低频水声脉冲信号的分离和提取具有重大意义. 关键词： 频散信道 时频分析 单水听器 定位