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。      

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。      

深海上层声速剖面水平非均匀分布对声场会聚区特性预报的影响

针对深海上层声速剖面水平方向弱变化对声场会聚区特征的影响,通过对0°出射声线传播轨迹的分析,提出了只考虑声源及会聚区位置附近声速剖面水平变化实现深海声场会聚区特征准确预报的方法,该方法有助于降低深海声传播调查时声速剖面水平非均匀分布的测量工作量。通过模拟小振幅内波引起深海上层声速剖面水平非均匀变化,对该方法进行了仿真验证。南海声传播试验数据分析表明,当不考虑上层声速剖面的水平非均匀分布时,模型预报的声场会聚区位置及会聚区能量分布与实测结果有一定差异,该差异具有距离累积效应,到第二会聚区时位置累计误差可达3 km,当考虑会聚区宽度内声速剖面水平变化时,模型预报的声场会聚区位置与实测结果非常吻合,第二会聚区位置预报误差小于1 km。     

半经验关系与匹配场联合处理的爆炸声源快速定位

爆炸声源位置的快速准确获取对声源级测量和声传播计算具有重要意义.为了解决利用单一水听器进行爆炸声源定位时难以获得较好的定位效率和精度的问题,提出了一种基于半经验关系与匹配场联合处理的爆炸声源快速定位方法.首先通过爆炸声源满足的半经验关系,对爆炸位置进行预估,缩小匹配参数的搜索范围;同时,在基于多途时延差匹配定位理论的基...     

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.     

声学滑翔机联合的深海水下声源定位

为了验证多台滑翔机用于声源位置估计的可行性,提出了一种基于声学滑翔机的联合水下声源定位方法。首先利用水下滑翔机在东印度洋北部海域获取的声传播数据,分析了宽带脉冲信号的多途传播特性,然后提出了利用单水听器基于脉冲波形结构匹配的声源距离估计方法,在此基础上通过两台水下声学滑翔机联合定位的方式,实现了水下声源距离和方位的同步估计。结果表明:在印度洋深海非完全声道条件下,在100 km范围内,使用单台滑翔机估计的声源距离整体较为准确,但仍有估计误差较大点;联合两台滑翔机进行水下声源定位可进一步提高精度,对于200 m深度的声源,距离估计均方根误差为2.5 km,相对误差小于4%,方位估计均方根误差为2.4°。     

东印度洋热带偶极子对声会聚区影响分析

大洋中的物理海洋现象影响着水体的变化,从而对其中的声波传播产生重要的影响.首次在东印度洋海域进行的声学调查实验,发现了印度洋热带偶极子物理海洋现象对声传播的影响,利用穿越热带偶极子的声传播实验数据,分析了声源深度和水体起伏对深海会聚区的影响,并对实验中的声传播现象形成机理进行了理论解释.结果表明:东印度洋深海非完全声道环境下,受热带偶极子形成暖水团和声源深度起伏的影响,第2会聚区没有形成,声源深度变深时,更容易形成深海会聚区;印度洋热带偶极子影响下第2会聚区位置处的水体跃层起伏会对下一个会聚区的形成及位置产生重要影响,使得第3会聚区提前形成,会聚区位置向声源方向偏移2—3 km.研究结果对探测及通信声纳在深海复杂环境下应用具有重要指导意义.     

会聚区的水平偏移特性及其临界频率分析

利用数值模型研究了完整深海声道中会聚区的水平偏移特性,根据折射定律和Lloyd镜效应推导了会聚区发生水平偏移时临界频率的表达式。研究结果表明:当声波频率低于临界频率时,会聚区的主导模态与频率相关,随着声波频率减小会聚区会向靠近声源的方向水平移动,同时传播损失明显增大,当声波频率大于临界频率时,会聚区的主导模态近似与频率无关,会聚区的位置和传播损失大小不会随频率改变而发生明显变化,声源深度不同时,临界频率也不同。通过临界频率可以确定在特定声源深度下,会聚区发生水平偏移时需要满足的频率条件,利用临界频率与声源深度之间的关系,可以被动估计深海浅层目标的深度。      

大气声传播通道的声源当量估计方法

提出了一种基于大气声传播通道的爆炸声源能量估计方法,通过将计算大气声学的传播能量分布结果与大气中传播的声压幅度衰减模型相结合,使用平流层通道与热层通道传播损失能量比例作为修正量,提高了对爆炸声源能量的估计精度。在多次地面爆炸实验得到的数据中,使用观测距离800 km以上且同时存在平流层通道与热层通道的次声接收信号,对比了平流层顶风速修正的能量估计方法与该文提出的基于大气声传播通道的能量估计方法。实验结果验证了相对于传统风速修正的能量估计方法,该方法可显著降低估计误差。     

The characteristic of sound propagation in deep water and underwater source localization in the direct zone

The multiple-path sound propagation in deep water is conducive to source localization of an underwater target.The transmission losses(TLs) and broadband pulse multiple-path propagation characteristics from a deep receiver is analyzed by using the experimental data from deep water area in the South China Sea(SCS).The results indicate that the width of the direct zone near the bottom of 4300 m water depth is about 30 km.The TLs in the direct zone near the bottom are much less than those in the shadow zone.It is meaningful for underwater sound source detection.Moreover,the time delay between the direct path and the bottomsurface-reflected path for a receiver near the bottom decreases monotonically with the source range.According to the linear relationship between the time delay of multipath and source range,a source localization method is presented to estimate the range of underwater target.The experimental results show that the estimated ranges are consistent with the global position system(GPS) measurements,and the mean square error of the estimation results is less than 0.28 km.     

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...     

一种基于单水听器的浅海水下声源被动测距方法

针对浅海波导中宽带脉冲声源的被动测距问题,本文在群延迟理论的基础上,与warping变换处理相结合,提出了一种适用于浅海波导中宽带声源的单水听器被动测距方法.利用warping变换可以实现对脉冲声源接收信号各阶简正波的分离提取,对分离后的简正波进行时频分析处理可以得到各阶简正波到达时刻和频率之间的关系,即各阶简正波的频散曲线,从而得到任意两阶简正波到达接收水听器的时延差.海底相移参数P是描述海底地声参数的一个重要参量,包含了海底地声参数信息,在海底环境参数未知而P已知的情况下,利用P和简正波水平波数之间的关系可以求得任意两阶简正波的?S_(g,mn)(群慢差).根据群延迟理论,利用得到的任意两阶简正波的时延和?S_(g,mn)可实现利用单水听器对水下声源进行被动测距.本文提出的测距方法测量简单、计算方便,具有较强的实用意义.数值仿真和海上实验数据处理结果的测距误差都在10%以内,证明了该方法的有效性.     

水下垂向运动目标的海底多基站声定位方法及精度分析

针对水下垂向运动目标具有瞬变运动特性、难以对其轨迹进行高精度和高帧率测量的问题,提出一种有水声信标的海底多基站声定位模型,基于高斯-牛顿法给出求解算法,证明了算法满足局部线性收敛条件。数值仿真和精度分析表明,基站站址误差、声速误差和信号时延估计误差通过测量斜距传播到目标位置参数,误差传播过程受接收基阵几何构型、目标相对位置及水声学约束条件等因素影响。在多个海底基站共面条件下,补充海面基站可改进垂向测量能力。利用该方法对全区域进行精度估计,获取了定位性能在空间分布上的细节特征。以水平范围1 km×1 km、水深60 m的海区计算,对于由13个海底基站和1个海面基站构成的14元测量阵,目标运动深度范围为35~60 m,在x,y,z三个方向的均方根误差(RMSE)平均值分别为0.30 m,1.47 m,0.34 m。本文工作为水下垂向运动目标定位提供了一种技术途径,可为测量系统的论证设计提供参考。      

利用深海回声多途结构匹配估计目标深度EI北大核心CSCD

提出一种利用深海目标回声多途亮点簇时延和幅度结构匹配估计目标深度的方法。目标回声结构是双程信道传递函数和目标声散射函数的卷积,在深海近海面或近海底条件下表现出回声亮点簇的特性,且亮点簇时延幅度结构与目标深度相关,可用于估计目标深度。建立了在深度-距离网格上利用非线性规划代价函数对目标深度进行匹配估计的方法。分别对簇间时延偏差和海水声速剖面(SVP)偏差对匹配估计的影响进行了仿真分析。一次南海冬季试验结果显示,在水深1 km、距离5~8 km条件下,水下40 m处的目标回声呈现出3个时延间隔约0.3 s的亮点簇结构,将其用于目标深度匹配估计的误差范围在0~65 m。     

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.     

深海远程正交频分复用水声通信块间迭代稀疏信道估计方法

在深海远程正交频分复用(OFDM)水声通信中,信道时延长、频率选择性衰落严重,传统的块独立压缩感知稀疏估计需要较高导频插入密度才能保证一定的估计性能,通信频谱利用率较低。提出了一种基于信道稀疏时变建模的块间迭代信道估计方法,利用深海信道在两个相邻OFDM数据块之间的时间相关性建立块间信道稀疏多途结构的时变关系,在此基础上,对传统稀疏信道估计算法中的候选字典矩阵的字典原子进行删减并改进优化方程,实现了对前一数据块所估信道信息的有效利用,显著降低了信道估计所需的导频插入密度。在深海不同接收深度、不同距离条件下开展了海试验证,实验结果表明,与传统稀疏信道估计方法相比,本方法在导频插入密度减半的条件下可达到优于传统方法的估计性能。