负跃层浅海声传播问题的解析解及其在水下脉冲声传播研究中的应用

提出一个基于波数积分理论的解析解,可用于计算包含海面下均匀层、负跃层、海底上方均匀层以及液态均匀海底的负跃层浅海波导中的声场。对声源位于水体不同层中的情况给出详细的推导,给出深度格林函数的解析解,并介绍了如何利用其计算点源和线源这两种情况下的声场.通过一个典型的负跃层浅海算例,验证了本文所提方法的精度,以及处理点源及线源问题的能力.此外,将本文提出的方法应用于水下脉冲声传播研究。针对某次实验的实际海洋环境,利用本文方法研究接收到的脉冲信号的波形特点,并与利用射线理论分析得到的相邻脉冲到达时间间隔等理论结果进行比较·结果表明,利用本方法得到的相邻脉冲到达时间数值结果与理论值高度一致。本方法非常适用于需要大量重复计算声场的情况,如水下脉冲声传播、海底声学参数反演等问题的计算机仿真研究。     

浅海远程混响与海底散射强度

利用浅海平均声场角度谱分析法,在海底散射的任意角度关系和浅海均匀层远程混响的距离关系之间建立了变换关系。与国外沿用的深海近程界面混响理论相比,多了多途传播修正因子K（公式18）。利用该变换关系式,由黄海、渤海、东海等5个海区的浅海远程混响资料,推得频率为0.8—4kHz,掠射角为2—10°的低频、小掠角海底散射强度。所得结果与国外深海直接测量的大掠角数据衔接较好。结果同时表明,大陆架高声速海底散射常数（μ）和角度指数（2n）不仅与海区、频率有关,而且与角度范围有关。在掠角很小时,海底散射强度随掠角减小比中等掠角时衰减更快。     

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 d B.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...     

负梯度浅海中的简正波声场

本文讨论简谐点源在负梯度浅海中的声场,文中假定海水声速是随深度单调减小的缓变函数,无需给出具体的函数形式。我们导出了简正波的极点方程与振幅函数的近似表达式,这些公式应用于具体问题容易获得数值解。简正波群速与指数衰减系数的计算公式也具有十分简单的形式,并得到较好的几何解释。     

海底沉积物参数对浅海中低频声传播的影响

推导出了考虑海底沉积物中声衰减和横波后浅海中点声源激发声场的积分表达式,并用实轴积分法和快速傅里叶交换（ＦＦＴ）数值计算模拟了爆炸声源在浅海中激发的全波列波形。考察了海底沉积物参数、声源激发主频等对低频声传播的影响。研究表明：在远场接收到的波群为声源主频处的模式波。最后讨论了通过几个不同声源激发主频处的某一模式波的群速度的测量值用最小平方和估计法来反演海底沉积物的纵波速度和横波速度的可能性。     

理想负跃层浅海中脉冲波形的理论分析

随着信号处理技术的发展,对信道传输特性的研究与利用日益受到重视。多途传输是水声信道的基本特征。在典型的负跃层浅海实验中早已观测到脉冲信号具有规则的多途结构,用射线理论可以定性地解释所观测到的脉冲多途结构,但射线理论不能精确地获得脉冲的相位与幅度信息。
本文利用具有波束位移的射线-简正波（RMB）理论,计算了理想负跃层情况下带限信号的波形。为了检验本文方法的计算精度,我们用MOATL简正波算法计算了同一问题。比较表明,两种方法的计算结果是一致的,但本文方法的计算速度至少高两个数量级。研究表明,在跃变层情况下波束位移对于波形结构的计算起着关键作用。本文的结果进一步证明了具有波束位移的简正波衰减公式的正确性。
利用本文方法研究了收发深度、距离、信号频率及海底参数对脉冲波形的影响。     

浅海小掠射角的海底界面声反向散射模型的简化

在浅海,尤其是负梯度声速剖面和海面较为平静的浅海波导,海底界面反向散射是浅海混响的主要来源.经验散射模型只适用于分析浅海混响平均强度衰减特性,而基于物理机理建立的反向散射模型克服了这一缺陷,但同时也引入了其受地声模型约束的问题.本文结合了海底反射系数的三参数模型,对浅海远场海底反向散射模型进行了简化,以减少地声模型的输入参数.理论分析了海底反射系数的相移参数可以描述海底对声场的散射作用,无需任何海底地声参数的先验知识.通过对海底反向散射模型近似简化,结果表明在临界角附近和甚小掠射角范围内的海底粗糙界面反向散射模型的角度特性和强度特性受海底沉积层的影响不同:在临界角附近,海底反向散射的角度特性受海底反射系数的相移参数加权,而其散射系数则近似与相移参数无关;对于甚小掠射角,海底反向散射的角度特性近似与海底反射系数的相移参数无关,其散射系数则近似与相移参数的4次方成正比.     

利用波导不变量的浅海负跃层声源深度判别

在夏季负跃层水文条件下,声源激发的声场同时存在折射类和反射类简正波,导致通过分离简正波进行深度判别的方法性能下降甚至失效·提出了一种利用波导不变量判别声源深度的方法。当接收器位于负跃层以下时,水面声源和水下声源的波导不变量数值不同。在本文的仿真条件下,水面声源波导不变量约等于1,当声源位于负跃层以下时,波导不变量大于1.利用频域warping变换从干涉结构中提取与实际距离成线性关系的时域脉冲,可以在未知声源距离的情况下,从声场干涉结构中获得声源激发声场的波导不变量,从而在夏季负跃层水文条件下进行声源深度判别。方法无须声源与接收器存在最近经过距离,可适用于单水听器或水平阵波束形成后输出的LOFAR谱.仿真结果证明,方法可以提取水面目标和水下目标的时延轨迹并计算干涉条纹的波导不变量。最后,对海试实验数据进行分析处理,从水面声源的干涉条纹中提取波导不变量,证明了方法的有效性。     

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。     

波束位移射线简正波理论在浅海声传播损失数值预报中的应用

波束位移射线简正波(BDRM)理论适用于一般分层浅海,具有计算精度高,计算速度快等优点.本文应用BDRM理论,并结合带宽信号相干声场的平均理论,预报了浅海传播损失。数值计算与实验数据比较表明,BDRM理论能较好的预报浅海声传播损失.     

浅海负跃层条件下的双基地有源探测实验及定位声速修正

为了研究浅海条件下海底固定水平阵和机动声源的双基地有源探测性能,建立了浅海双基地有源探测仿真模型,分析了实验海区负跃层条件下的传播损失和多途能量扩展损失,实现了双基地有源探测的性能预估。以模型仿真为基础,在南海北部海域开展了一次浅海双基地有源探测实验.针对定位中的声速与实验中目标回波的脉冲传播速度的偏差导致定位精度下降的问题,提出了一种目标回波脉冲传播速度近似估计方法。实验结果表明,双基地有源探测可在浅海负跃层条件下实现对水中目标的有效探测,多个实验站位的回波信噪比实测值与仿真预测值符合较好,定位声速近似估计方法可进一步提高定位精度。     

浅海负跃层中利用互相关输出峰值迁移曲线的声源深度判别

针对浅海负跃层波导中的声源深度判别问题,通过研究不同深度声源信号到达接收阵的简正波结构特征,提出了一种利用互相关输出峰值迁移曲线的声源深度判别方法.该方法利用浅海负跃层中主导简正波类型由声源深度决定这一先验信息,根据峰值迁移曲线中互相关时延在0时刻的位置进行声源深度判别.首先,利用垂直线列阵波束输出与单阵元接收信号做互相关处理,得到互相关时延—俯仰角输出二维图.然后,在图中提取不同时延上角度维峰值,根据时延小于等于0、大于0的情况对所提取的峰值点进行分段线性拟合,得到互相关输出峰值迁移曲线.最后,以曲线位于互相关时延为0时的位置进行声源深度判断.理论分析表明,曲线受波导中声速随深度变化的影响较小,互相关时延0时刻位置的判别阈值由低阶简正波决定,区分声源深度的区间由跃层的位置和厚度决定,且跃层上下声速差越大越有利于声源深度判别.仿真实验和海试数据分析结果表明,该方法可有效进行声源深度判别,并且无需模态分离、声源相对接收阵移动、精确声速剖面测量等前提条件.     

起伏海面散射引起浅海声传播损失的统计特性与快速声场预报方法

基于海洋环境信息、起伏海面的小斜率近似和简正波模型,研究了浅海环境中不同季节起伏海面散射引起的声传播损失的统计特性,给出了海面散射声传播损失-风速拟合公式以及一种快速声场预报方法,可据此快速评估水下长期工作设备的工作性能。仿真结果表明,对于全年运行的水声设备,当传播距离超过10 km时,须考虑起伏海面散射对声传播的影响。起伏海面散射对声场的影响冬季大于夏季,在夏季负跃层环境中起伏海面散射对下发上收声场的影响大于下发下收声场。     

准周期随机声脉冲序列信号在浅海波导中的传播

准周期随机声脉冲序列作为船舶辐射噪声信号模型具有合理性和一定普适性,这里将此模型与海洋波导结合,探讨基于此模型产生的噪声线谱经波导传播后的物理规律变化,即船舶辐射噪声经波导作用后的信号物理特性。理论分析和传播仿真计算表明,准周期声脉冲序列船舶噪声信号所含有的线谱由于受随机波导的随机性和多途干涉共同作用,序列脉冲出现的周期性显著被削弱,线谱相对幅度将\     

浅海涌浪对表面声道声传播的影响

受海面强风和海-气相互作用影响,表面声道普遍存在于冬季海洋环境中,是一种天然有利于声传播的波导.但是海面波浪使得海表形成粗糙界面,会严重破坏这种优良性能.本文利用南海北部海区的一次冬季声传播实验数据,研究表面声道声传播特性.研究表明,海底底质对表面声道内声传播的影响较弱,当海面风较小时,涌浪造成的影响为主要原因.实验数...     

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.     

浅海起伏海面下气泡层对声传播的影响

分析了起伏海面下风浪引起的气泡层对海面反射损失和对声传播的影响.一方面,气泡层会改变原来水中的声速剖面;另一方面,气泡层会对声波产生散射和吸收作用.考虑以上两方面的因素,分析了不同风速下气泡层对海面反射损失和声传播损失的影响,仿真发现,在风速大于10 m/s时,对于2 k Hz以上频率时气泡层对小掠射角下海面反射损失的影响不可忽视.在给定的水声环境中,当声源深度和接收深度都为7 m时,风速为16 m/s的风浪下生成的气泡层,在10 km处对3 k Hz的声传播损失的影响达到8.1 d B.当声源深度和接收深度都为18 m时,风速为16 m/s的风浪下生成的气泡层,在10 km处对3 k Hz的声传播损失的影响达到4 d B.     

浅海声传播相速度对测向精度的影响

利用水听器阵接收声信号,通过波束形成判定目标方位,是水下目标方位估计的基本方法。为了提高声探测的作用距离,波束形成的工作频段往往低至几百赫兹以下,而这种情况下,波束形成中参考声速的选取对测向结果的影响尤其突出。本文结合实验数据进行了简要的理论分析和数值模拟,讨论了由于参考声速选取不适当而引起的测向误差,指出参考声速是声波传播的相速度,而低频段的相速度具有明显的随频率变化特性。最后,提出利用声场匹配的方法来提高低频长线阵的测向精度。     

充水圆柱壳声散射的环绕波分析

研究了内部充水圆柱壳散射声场的构成。采用弹性薄壳理论和Sommerfeld-Watson变换(SWT)方法导出散射声场的解析解。数值搜索环绕波的复波数极点,比较圆柱壳体内部真空和内部充水两种情况下表面环绕波的相速度、衰减等性质。用镜反射波和环绕波的叠加合成反向散射形态函数,与简正级数解符合良好。计算流体附加环绕波的回波时序并与实验数据对照。结果表明,流体附加环绕波的再辐射是内部充水圆柱壳的形态函数出现更加丰富的共振峰和回波结构形成的重要原因。     

浅海混响的垂直相关和海底反射损失与散射强度的反演

根据浅海混响射线简正波理论和可分离的海底散射模型,导出了混响垂直相关的表达式,理论研究和实验结果表明垂直相关与接收深度有关,与声源深度无关。提出一种利用混响强度衰减曲线与混响垂直相关曲线联合反演海底反射损失和海底散射强度的方法。数值模拟反演及对实验数据的反演表明:所提出的反演方法具有实验简便、反演速度比较快及反演的结果比较稳定等特点。