声速剖面对深海远程声脉冲结构的影响

利用东印度洋和南海海域进行的深海远程声传播实验数据,比较分析了声道轴附近深度发射的声信号在两个海域不同声速剖面结构下的远程传播损失和脉冲时间到达结构。通过对比观测发现,两海域的深海声传播损失特性存在一定的差异,声脉冲时间到达结构差异性显著。首先,在东印度洋实验中观测到潜标垂直阵同一接收距离上,靠近声道轴传播的声能量较大,且声道轴附近声速较小但沿其传播的声信号却最先到达,而偏离声道轴传播的声信号延后到达,在整个接收深度上呈现出声道轴附近接收波形早于其他深度到达的分支结构,这与南海典型深海环境下的脉冲时间到达结构存在显著差异。其次,结合深海声道的参数化数学模型,分析了声速剖面对远程脉冲传播时间到达结构的影响机理,并理论解释了两个海域实验中观测到的脉冲声信号时间到达结构现象,其形成原因在于深海声道中决定声速剖面结构的声道轴系列参数的差异。该研究结果对通信声呐在不同海域深海远程环境下的应用具有一定的参考意义。     

深海海底声反射区多途时延差分析与近海面声源定位

深海海底反射声工作方式下的声场主要由4条一次海底反射声线路径构成。根据4条声线路径到达接收点的时间不同,可以得到6个不同的声线到达时延差值,当声源位于近海面时, 6条声线路径的时延差曲线随接收深度近似呈线性变化。本文基于虚源理论推导了海底声反射区的多途到达时延结构,给出了6条声线路径的时延差曲线随接收深度变化的近似表达式,通过分析时延差曲线与声源水平距离和深度之间的关系,提出了一种利用多途时延差估计深海海底声反射区近海面声源距离与深度的方法,仿真实验与影响因素分析验证了该原理的正确性。南海实验结果表明,当收发距离在10～33 km时,距离估计结果和深度估计结果都同实际声源距离和深度吻合较好,估计误差不超过15%,验证了该方法的有效性。     

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.     

大陆坡海域二维声传播研究

针对在西北太平洋大陆坡外海进行的一次实验中观测到的接收信号能量在声道轴深度附近较为集中的现象,分析了存在向下斜坡时声源置于海面附近和斜坡表面两种情况下斜坡分别对声传播的影响。通过数值模拟,得到了不同声源深度下的传播损失和脉冲的时域波形,数值结果表明,当声源置于海面附近时,声波在水平不变深海环境中随距离衰减很快,而大陆坡的存在可实现能量的远距离传播;当声源置于斜坡表面时,大陆坡会改变水体中声波能量的分布,使其在声道轴深度附近比较集中,这种传播条件下小掠射角声线产生的时间展宽很小,     

基于矢量水听器的深海直达波区域声传播特性及其应用

对于深海近水面声源产生的声场, 处于较大深度处的接收器在一定水平距离范围内能接收到直达波. 2014年在某深海海域进行的水声考察实验中, 应用深度为140 m的拖曳声源发射实验信号, 布放在水下3146 m深处的矢量水听器成功地接收到了直达波信号. 本文应用射线理论, 分析了深海直达波区域声场的传播特性, 得出了水平振速与垂直振速的传播损失与声线到达接收点处的掠射角以及收发水平距离之间的关系. 在以上分析的基础上, 提出了一种利用水平振速与垂直振速的能量差估计声源距离的方法, 并结合2014年实验数据对实验中两条航线上8 km范围内的目标声源进行了测距, 测距结果与目标的GPS数据符合得较好.     

点噪声源在近程声场中传播损失的仿真研究

在分层介质条件下，用本征声线法仿真计算了点声源这距离噪声场的传播损失曲线，仿真结果表明，其传播损失不仅依赖于声速分布，海区深度，海底反射特性等环境条件，也依赖于声源及接收水听器的深度，声传播损失显著不同于球面波衰减规律，其传播损失率差别可达８ｄＢ，这表明在测量舰船目标的辐射噪声声源级时必要的声场校正测量是必须的。     

南海深海典型不平整地形对声场垂直相关性的影响

海底地形变化对深海环境下的声传播和空间相关性有重要影响。基于2014年南海中南部海域不完全深海声道条件下大跨度垂直阵接收的声信号,选取平坦海底和典型不平整(存在小海底山和海底斜坡)海底两个不同传播方向上传播损失差异较大的距离,对声场垂直相关性进行了对比分析,并应用射线理论对相关性差异予以定性分析和机理解释。在不平整海底方向,在第一影区内小海底山遮挡区附近:在部分一次海底反射声线被小海底山遮挡的距离处,接收声信号主脉冲多途干涉结构相对平坦海底方向更加简单,垂直相关性增强;而在全部一次海底反射声线被小海底山遮挡的距离处,对声场起主要作用的变为二次海底反射声线,接收声信号主脉冲呈现多途干涉结构,垂直相关性降低。在第一会聚区附近:平坦海底环境下,由于两组水体中反转声线在空间垂直方向上的干涉效应,使得声场的垂直相关随接收深度增加呈现出周期性振荡的现象;而不平整海底方向,在50 km处,海底斜坡阻挡了一组水体反转声线,在大深度上只出现单会聚结构,观测不到垂直相关的周期性振荡现象;在57 km附近对声场起主要贡献的成分从水体中反转声线变成了多次海底反射声线,主脉冲多途展宽变宽,垂直相关性显著降低。研究结果对深海复杂海底地形环境下声场垂直相关性的深入分析及声呐阵列增益估计等具有重要意义。     

涌浪条件下的浅海表面声道脉冲声传播*

在冬季,海水表面受到海面强风的影响,普遍存在表面声道。当声源位于表面声道中并且声源频率高于表面声道的截止频率时,声能量几乎被完全限制其中,不与海底作用,十分有利于声传播。但当表面声道上边界为较大涌浪所形成的粗糙界面时,这种优良性能会被破坏。在南海北部陆坡海区的一次冬季实验中,发现表面声道以下水听器接收到的首个脉冲的幅度明显增加,通过研究表明,其原因是：存在较大涌浪时,部分表面声道内传播的声能量,经粗糙海面反射作用后进入下层水体中,使得位于表面声道以下的水听器的第一个到达的脉冲幅度增强。     

深海会聚区声场多途时延差分析及声源距离估计*

深海会聚区声道由于具有传播距离远、传播损失低等优势,对实现声呐远程探测具有十分重要的意义。本文基于虚源理论推导了深海会聚区的多途到达时延结构,给出了会聚区内不同声线路径的时延差曲线随接收深度变化的近似表达式,通过分析时延差曲线与声源水平距离之间的关系,提出了一种利用多途时延差估计深海会聚区近海面声源距离的方法,仿真实验验证了该方法原理的正确性。南海实验结果表明,当收发距离在42km~52 km时,会聚区爆炸声源距离估计结果同实际爆炸距离吻合较好,估计误差为0.6%~6.1％,验证了该方法的有效性。     

深海大深度声传播特性及直达声区水下声源距离估计

深海大深度声传播特性对在深海近海底进行水声目标探测和定位具有重要意义。利用一次南海中南部深海不完全声道中的脉冲声传播实验数据,分析了海底附近大深度声传播损失及脉冲多途传播特性,并根据直达波和海底-海面反射波的时延差与收发距离的关系,提出一种利用深海直达声区脉冲多途到达时间进行水下声源距离估计的方法。结果表明:当接收器深度位于南海深海海底附近而声源深度较浅时,直达声区水平宽度可达30 km,传播损失相对影区来说较小,有利于水下声源探测;直达声区的直达波与海底-海面反射波的到达时延差随着收发距离的增大单调减小,可被用于水下声源距离估计。得到水下声源的距离估计结果与实验GPS测量结果较为一致,距离估计均方误差为0.28 km。     

涡旋对深海风成噪声垂直空间特性的影响

涡旋是深海环境中频繁出现的海洋现象,它会引起上层海水的声速扰动,改变海面风成噪声的传播过程,最终导致噪声场特性异常.本文采用高斯涡模型描述涡旋引起的声速扰动,分别使用射线和抛物方程模型描述近场和远场噪声信号的传播,研究了涡旋对其水平中心位置不同深度上的风成噪声垂直空间特性(包括噪声垂直方向性和垂直相关性)的影响.研究表明:1)在涡心深度上,涡旋对噪声垂直空间特性的影响最大,其中冷涡导致噪声垂直方向性中水平凹槽的宽度增加,凹槽下边缘峰值的高度降低,噪声垂直相关性减弱,暖涡的影响反之; 2)在远离涡心的深度上,涡旋对噪声垂直空间特性的影响减小,冷涡和暖涡分别仅引起噪声垂直方向性中水平凹槽下边缘峰值的高度升高和降低,对噪声垂直相关性几乎没有影响; 3)涡旋对噪声垂直空间特性的影响均随其绝对强度增大而增强.针对以上现象,使用射线逆推方法分析了涡旋影响噪声垂直空间特性的机理.该方法由噪声接收点发射声线,利用声场互易性分析噪声沿声线反向到达接收点的俯仰角和能量大小.分析表明,存在涡旋时,噪声沿海面反射声线反向到达接收点的俯仰角和能量变化,是引起噪声垂直空间特性变化的主要原因.此外,仿真表明,当接收...     

冬季冲绳海域地形及黑潮对声传播的影响

冲绳海域地形复杂且冬季存在较强的黑潮海洋锋,利用数值实验研究斜坡地形和海洋锋同时存在时由浅海至深海的声传播特性。海洋模式数值预报环境数据表明,分布于冲绳海槽斜坡上方的海洋锋导致该海域上层水体声速存在水平变化,纬度越高,水平变化越大。利用抛物方程声场模型计算声传播损失,通过简正模态分析存在表面声道的环境中声能量分布,利用声线轨迹图解释海底斜坡和海洋锋对声传播的影响。结果表明:声源频率低于表面声道截止频率时,声传播主要受海底地形影响;声源频率高于表面声道截止频率时,位于表面声道内的声源激发的声能量主要在表面声道传播,部分声能量从表面声道泄漏沿斜坡向深海传播,位于表面声道深度以下的声源激发的声能量主要沿斜坡向深海传播,斜坡地形导致表面声道下方至共轭深度这一深度范围呈现为声影区,海洋锋的存在可导致表面声道传播损失变化明显,影响程度与声源深度有关。     

深海声影区稀疏时延估计与声源测距

研究了深海声影区中经一次海底反射的多途声线到达垂直双水听器的时延差与声源位置的关系,提出了一种稀疏时延估计与声源测距方法。首先利用近海面布放的短间距垂直双水听器接收一定频带的声信号,然后计算接收信号的广义互相关函数,并利用频谱搬移和稀疏解卷积技术提取时延差,最后通过时延差匹配,估计水下声源的距离。仿真实验表明,在4300 m深海中,所提方法能够正确提取多途到达时延差,估计声影区内的声源距离。海试结果表明,当垂直接收孔径分别为21 m和30 m时,声源测距误差分别小于13.6%和8.1%。上述结果表明,所提出的时延估计方法可适应带宽较窄的接收信号,多途到达时延估计参数可用于实现声影区中的水下声源测距。     

浅海中沉积层参数对多途到达时差反演声速剖面的影响

本文以简正波模型和声线模型为基础，通过计算机仿真，研究了浅海多途到达时延差结构与沉积层密度、声速、传播损失系数等参数的关系，针对100m左右浅海和600-1300Hz的信号频率，对两种模型仿真结果进行了比较，结果表明，声线模型仿真得到的多途到达时延差结构与简正波模型仿真的结果基本一致，沉积层参数失配对基于声线模型的多途到达时差反演SSP的影响为：反演声速剖面的均方根误差的变化小于1.45m/s，平均误差的变化小于2.60m/s，在所使用的频段内，浅海沉积层参数对多途到达时差反演浅海声速剖面的影响不大，工程应用中可以忽略不计。     

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。     

水下声学滑翔机用于东印度洋声传播特性分析及声源估计

常规实验方法无法同步获取深海大尺度声学和水文数据,水下滑翔机可作为同步观测平台解决该问题.首先利用在东印度洋北部海域水下滑翔机同步获取的声传播和水文实验数据,分析了水下滑翔机的自噪声谱级和实验海区声传播特性,然后推算并修正了滑翔机水下运动轨迹,利用第一影区水下滑翔机接收声传播信号的脉冲多途到达时间差对声源进行测距与定深。潜标接收噪声与滑翔机自噪声谱级对比表明,水下滑翔机在海洋中无动力运动时的系统自噪声接近于潜标观测的海洋环境噪声。滑翔机实测的声传播损失与模型计算结果吻合较好,第一影区水下声源测距定深结果与实际位置较为一致,测距与定深的相对误差均小于5%。利用加载水听器的水下滑翔机可以实现水文环境数据与声学信号的同步观测,对深海声传播特性测量及定位算法研究具有重要意义。     

水平分层低马赫数运动介质中的声传播

针对海流对水声传播的影响,基于高斯波束追踪方法,利用高频近似的低马赫数亥姆霍兹方程,建立了三维低马赫数运动介质下的声传播模型,并将该模型应用于浅海与深海水平分层介质下的声传播问题。仿真结果表明,海流能定性定量地改变声传播模式。浅海环境下,声速梯度大于流速梯度,导致顺逆流声线反转点的差别随着距离增加而增大;此外声线到达结构也会发生较大改变。深海环境下,流速梯度大于声速梯度,顺流方向表面声道消失,使得表层顺逆流传播损失相差10 dB以上,同时水平分层环境中也会产生三维声传播效应。因此在流速梯度与声速梯度相当甚至更大时,海流对声传播的影响不能被忽略。     

深海脉冲信号簇到达结构特征及其在水下声源定位中的应用

为了实现对深海水下声源的定位,对典型深海环境中的脉冲信号到达结构特征进行了理论分析,给出了声源和接收位置位于近海面时到达信号的簇信号形式近似表达式。当声源和接收位置处于近海面深度时,接收到的信号呈簇状结构形式。在提取到达信号中各簇信号到达时间、幅值等特征参数的基础上,提出了一种通过对到达信号中簇信号特征参数匹配搜索进行水下脉冲信号定位的方法,仿真分析了不同距离和不同深度处的簇信号特征,并利用一次南海海域爆炸声源的声传播实验数据进行了实验验证。结果表明:各簇信号对应的到达时间、幅值等特征参数可用于对声源位置的匹配定位;海上实验中利用单水听器得到的水下声源的距离估计结果与实测距离结果较为一致,对实验中2.0 km至90.4 km内声源的距离估计误差不大于8%。     

负跃层浅海声传播的一个新现象——远程传播中的海底散射波

本文分析了负跃层浅海中的一次声传播实验。爆炸声源位于跃层之下,两个接收水听器分别位于跃层上、下。在远距离处跃层上水听器接受到的信号由两部分组成:从声源直接传播到接收点的多途信号(穿透波)和一个随后到达的强度比前者大得多的信号(散射波)。通过理论计算和数值拟合,我们认为后者是跃层下传播的声波激发的海底散射信号,这部分信号不但可应用于远距离传输,而且还可能用来反演三维海底散射的有关参数。     

空气中声源激发浅海水下声场传播特性的实验研究

为了获得空气中远距离声源激发水下声场的精细结构,2013年3月,声场声信息国家重点实验室在南海海域进行了一次空气中声源激发水下声场的实验。采用汽笛作为空气声源,海底放置水听器作为接收,在实验过程中,发射船由距离水听器2.4 km处行驶至9.8 km。本文对该次实验数据进行分析,获得了收发距离远达9.8 km、频率分别为128 Hz和256 Hz的声传播损失曲线,该曲线随传播距离变化存在清晰的震荡结构.利用波数积分方法计算实验环境下的水下声场理论值,并对获得的声场传播特性进行了较好的物理解释。