基于Biot理论的饱和砂质沉积物声传播模型及耗散机制分析

为研究海底浅表砂质沉积物的频散特性,利用由多孔介质理论发展而来的Biot模型、Biot-Stoll模型和附加接触喷流与剪切拖曳的Biot-Stoll模型(BICSQS模型),对比三种声传播模型描述下的典型砂质沉积物中纵波和横波频散特性,分析了模型中不同耗散机制对其声频散关系的影响;结合实测数据探讨了各模型对砂质沉积物的适用性。结果表明,沉积物的声频散特性是不同耗散机制共同作用的结果,不同频段内的主要耗散机制不同,相同频段内耗散机制对纵波和横波的传播影响亦不同;随着频率的增加,相比Biot和Biot-Stoll模型的预测结果,砂质沉积物的实测声速和衰减系数表现出更高的频散趋势,而BICSQS模型可更合理地预测和解释试验现象,适用性更好。

基于PIES观测东沙群岛附近声传播变化

本研究旨在将PIES观测数据应用于海洋水声环境的监测。利用一次南海PIES观测数据,反演得到温盐剖面,进而计算声场信息。结合观测期间的暖涡及台风事件对反演及计算结果进行了分析验证。结果表明,PIES能够在长期连续观测中较为敏感地捕获上层水体及表面声道的变化特征,为水声通信、探测及潜航路径规划等提供参考,在水声研究及海洋军事环境保障中都具有良好的应用前景。

利用低声速沉积层反射特性线性反演地声参数

为提高反演效率和降低地声参数耦合,提出一种线性反演低声速沉积层地声参数的方法。从类线性声速剖面的两层海底平面波反射系数出发,分析了全透射角及全透射角下最大反射损失、干涉条纹等反射特性与各相关地声参数的关系,并构建了相应的代价函数。结合敏感性分析和分步反演策略,分步反演了低声速沉积层地声参数。该方法适用于低声速沉积层声速梯度恒定的情况。利用新英格兰泥地实验部分海底反射损失数据进行了实验验证。实验反演结果与相关跨维反演结果基本一致,反演误差分别为声速比0.1%,密度比0.3%,吸收系数14.6%,声速梯度为15.8%。反演效果显示,该方法一定程度上规避了部分地声参数间的耦合,且可给出决定类线性声速剖面形状的幂次项的最佳估计。

基于谱元法的复杂海洋空间甚低频声传播特征研究

围绕甚低频水下声传播特性以及海底地形对其影响,利用谱元法开展复杂海洋空间声场仿真研究。构建了计入海底复杂流−固耦合的轴对称模型实现谱元法中的点声源激发和全波模拟。通过时域和时频域分析发现,Scholte波多次通过阶梯状上坡地形后,能量结构稳定,脉冲宽度和频带范围都没有显著变化。甚低频声波传播特性同时受整体地形和局部起伏影响。近似真实海底地形,如阶梯状地形条件下的声传播损失特性无法简单地用单一对数表达式有效描述。浅海阶梯状上坡地形软质海底中,声源接近海底时激发的界面波向远处传播的能力优于水中声波。软质海底水平海洋空间中有效激发并接收界面波模态时,整体的声传播损失近似于柱面扩展。

约束阻尼夹层结构透声窗声学性能研究

针对高透声、低噪声的透声窗结构设计问题,文章采用五层约束阻尼夹层结构的透声窗设计;基于传递矩阵法,推导了五层约束阻尼夹层结构的透声率的理论计算公式,同时开展了五层约束阻尼夹层结构透声窗透声性能试验,从而验证了理论公式的可靠性;基于理论公式系统地研究了不同设计参数对透声窗透声性能的影响规律。研究结果表明:五层约束阻尼夹层结构透声窗的透声率随着频率的增加呈周期性变化,且整体呈下降趋势;约束阻尼层厚度的增加会改变透声性能的周期性变化规律;在中间层不变的情况下,透声性能的铺层顺序具有对称性。

水下滑翔机布放回收技术研究现状和趋势

水下滑翔机安全快速的布放回收是水下滑翔机稳健高效执行任务的基础。为水下滑翔机配备安全可靠的布放回收系统是水下滑翔机大规模部署和应用的前提。文章搜集整理国内外水下滑翔机布放回收技术,包括直接吊放式、托架式、滑轨式、牵引绳式、水面无人船/遥控潜水器(ROV)辅助回收式等以及几种方法优势组合,结合不同型号滑翔机详细展开分析不同布放回收技术的优缺点,总结水下滑翔机布放回收的难点和关键技术及引申的科学研究问题,并探讨未来水下滑翔机布放回收的发展趋势。分析结果可为研究和设计安全快速、智能自主的水下滑翔机布放回收系统提供思路,具有一定参考价值。

浅海粗糙海底声散射建模及声场特性

声散射是海洋声学的重要内容,海底表面的不平整性形成的声散射是海洋中引起声传播起伏的原因之一.针对海底表面粗糙度声散射问题,建立了水平分层浅海波导中海底散射声场模型.该模型将简正波理论与Lambert定律相结合.基于该模型获得了散射声场声压的振幅与相位的统计分布,并数值模拟了海底散射声场的强度及其空间相关系数,实现了粗糙界面条件下海底散射声场预报,揭示了散射声场空间特性随海底粗糙度的变化规律.结果表明,使用Lambert定律描述粗糙界面声散射时,在海底粗糙度小于波长情况下,随着空间距离的增大,空间两个不同位置的散射声场的空间相关系数具有周期性振荡衰减的变化规律,并且在垂直方向上,振荡周期更大,衰减更慢.当粗糙度增大时,水平和垂直相关系数振荡幅度逐渐增大,水平相关系数振荡周期数逐渐减少,在接收点逐渐靠近海底时,垂直相关系数不再发生衰减,这是海底声散射减弱的结果.本文模型理论亦可推广到粗糙海面的声散射建模中.对于非水平海底情况,采用耦合简正波或绝热简正波理论进行声传播建模,可以得到距离有关波导中粗糙界面的散射声场.

基于多层水平变化浅海海底模型的低频反演方法

准确获取海底声学参数对声场分析、声纳应用等具有重要意义.反演是获取海底声学参数的重要手段之一.为了避免反演中的多值问题,地声反演往往尽量减少待反演参数,多采用单层或双层水平不变地声模型,反演后的声学参数仅能在有限频段应用,难以同时应用于较宽频段.本文以实验中浅地层剖面仪测量的海底沉积层分层结构为基础建立地声模型,采用多物理量分步联合手段反演各沉积层声学参数,并通过匹配场定位、后验概率分析、采样等手段对反演结果进行验证.将反演结果与单层等效地声模型反演结果进行对比分析,结果说明,本文建立的多层水平变化海底声学参数更接近真实情况,可以应用在较宽频段范围,解释不同声学现象,且精度更高.

海洋锋对浅海全波导中低频声传播特性的影响

针对海洋锋对浅海低频声传播的影响问题,使用有限元方法在浅海全波导声场计算模型下仿真研究了锋面性质、锋面梯度和锋面坡度对低频声传播特性的影响规律,并利用射线声学理论给出了物理解释。研究结果表明:负声速梯度锋面会引起声线的向下偏转,造成声线入射海底的掠射角增大,增强声能量向海底“泄露”效应,而正梯度锋面的影响与之相反;随着锋面声速梯度绝对值的下降,负梯度锋面中声线入射海底的掠射角逐渐减小以及跨度逐渐增大,会减弱声能量向海底的“泄露”效应,而正梯度锋面会略微增强声能量向海底“泄露”效应;随着锋面坡度的减小,声线入射海底的掠射角逐渐增大且跨度减小,从而导致声能量泄露的峰值位置向锋面倾斜的方向移动。

基于集合卡尔曼滤波的渤海水位低频波动数值模拟

风松弛导致亚潮尺度的水位低频波动是渤黄海秋冬季常见的海洋动力过程,这一过程的数值模拟要求模型空间范围要覆盖整个渤黄海区域甚至是整个东部陆架海区域。对于以渤海海峡为开边界的渤海模型,则由于风区过小无法再现这一过程。针对这一问题,本文在渤海模型上使用集合卡尔曼滤波(ensemble Kalman filter,ENKF)进行同化,成功再现了这一现象,并进一步分析了ENKF同化的作用及其影响因素。主要结论如下:渤海的水位低频波动与输入渤海的开边界水位有关,仅使用潮汐数据和风场数据无法准确地模拟出渤海水位的变化,然而通过ENKF同化则可以再现渤海内的水位低频波动,且同化效果优于两类不同开边界输入的结果。ENKF同化的准确性与集合数目以及观测数据采样位置有关。集合数目越多同化效果越强,但超过40个集合后,同化效果改善不明显。使用的观测数据应尽量均匀分布且要远离开边界。

东沙海域上坡波导声传播实验及其特性分析

针对上坡波导环境对水声传播的影响,在东沙海域开展海上声传播实验,观测到了斜坡顶端声能量急剧下降的现象。通过建立实际波导环境模型,利用抛物方程理论计算声传播损失,验证了斜坡环境对声传播的影响,并利用射线方法对声能量急剧下降机理进行了讨论和分析。结果表明:声波在声速负梯度环境上坡传播过程中,受声源深度、斜坡坡度、斜坡水平距离和海底声速的综合影响,有效传播至斜坡顶端的声能存在显著差异。声源深度越浅、斜坡坡度越大、海底纵波声速越低,传播至斜坡顶端的声能量越弱;此外,与水平波导相比,斜坡波导的水平距离增加同样会加剧声能的衰减。

深海超低频WKB反转简正波模型

提出了一种基于抛物柱函数的深海超低频WKB反转简正波模型。采用比较方程法,选择形式解为抛物柱函数的映射方程,给出了典型深海声速剖面情况下简正波方程的抛物柱函数WKB近似解和近似条件。数值分析了Epstein声速剖面环境下简正波本征函数的全局近似误差,求解了Munk声速剖面环境下的简正波声场。结果表明,所提方法与经典WKB近似方法和Langer变换方法相比全局近似误差更小,并且可将海水层看成一个整体,适用于求解深海超低频声传播问题。

基于平均声速测量的声速剖面实时重构方法

针对传统的声速剖面重构方法往往不具备实时性的问题,本文提出了一种基于平均声速测量的声速剖面实时重构方法。首先,基于历史数据进行特征分解并选择经验正交函数(Empirical Orthogonal Function, EOF)的阶次;其次,利用实测的水下某深度的声速和该深度至海面的平均声速,通过求二元一次方程组的最小范数解得到EOF重构系数;最后,结合历史声速剖面重构全海深声速剖面。使用西太平洋海域的再分析数据对该方法进行了仿真验证,结果表明:采用该方法重构的声速剖面与真实声速剖面拟合效果较好,平均均方根误差约为1.31 m·s-1。本文所提方法可为水下航行器实时重构声速剖面提供技术支撑。

基于声传播损失的南海海域地声参数敏感性分析

以中国南海地声-水声联合调查实验数据为基础,利用多道地震数据偏移成像以及浅地层剖面数据反演获取了一个分层地声模型。通过设定该模型各层地声参数的参考值和变化区间,结合实测的水体声学参数,利用Krakenc耦合简正波模型计算了不同地声参数下的声传播损失;分析了理论与实测声传播损失均方根误差随地声参数的变化规律以及均方根误差的区间分布情况。研究结果表明:对于频率100 Hz的声传播,地声模型第一层和第二层沉积层的声速对声传播损失影响最为显著;第一层和第二层沉积层衰减系数、厚度对声场的影响次之;基底对声场的影响最小。本文在接近真实海底的环境下研究了海底各分层结构中地声参数对声场的影响,可为建立海洋环境地声模型提供一定的依据。

水下声速剖面构建方法研究进展

作为决定水声信号传播模式的重要因素之一,声速剖面反映了海水声速自海表至海底的变化,对其准确实时地构建水下信息系统的建设至关重要。面向水声探测领域,分析并总结了水下声速剖面构建方法的研究进展。根据支撑数据源的不同,主流的方法可以分为直接测量法、统计回归重构法以及声学反演法。在直接测量法方面,介绍了仪器直接测量法以及参数测量计算法;在统计回归重构法方面,总结了以经验正交函数回归为核心的重构框架以及结合神经网络的优化算法;在声学反演法方面,讨论了基于声场观测数据的匹配场处理及深度学习框架的性能。传统的直接测量法精度最高,但大范围应用的成本较高;统计回归重构法提高了便捷性,但依赖于数据库的数据质量;声学反演法尽管可解释性很强,但难以应用于声呐系统无法覆盖的区域。未来的水下声速剖面构建应着眼于智能化、精细化、实时化,可为复杂海洋背景下的信息系统建设提供满足多层次需求的声速剖面构建结果。

基于WOA23的日本海声道分布特征分析

本文基于WOA23温盐剖面数据集,利用声速经验公式,计算日本海的声速剖面,根据声速剖面的特点及声速梯度,诊断提取日本海表面声道及深海声道特征信息,研究表面声道及深海声道的区域分布情况和季节变化特征。结果表明:日本海的表面声道受季节变化影响大且具有明显的区域性分布特征。春夏季节,整个海域几乎无表面声道,秋冬季节,表面声道大幅生成,主要分布在东朝鲜湾和日本海东部边界附近海区,冬季与秋季相比,南北两端的表面声道分布面积减少,但东朝鲜湾以及40°N-50°N之间海区表面声道的分布面积进一步扩大。秋季,表面声道厚度基本小于40 m,冬季,表面声道厚度整体增加,特别是在44°N-50°N之间的海区,大部分表面声道厚度超过100m;表面声道梯度季节变化幅度相对较小,除了秋季鞑靼海峡附近的表面声道梯度大于0.2/s,大部分表面声道的梯度小于0.05/s。深海声道与表面声道相比,受季节变化影响较小,声道效应更加稳定,声道轴深度基本在450m以浅,声道轴声速约为1456~1468m/s,且整体表现呈自东南向西北递减之势。

基于核空间联合稀疏表示和指数平滑的多基地水下小目标识别

针对多基地水下小目标分类识别问题,本文提出了一种基于核空间联合稀疏表示和指数平滑的多基地水下小目标识别方法 .对水下目标多角度散射信号提取6种典型的具有信息互补性和关联性的特征,提出一种随机森林(Random Forest,RF)和最小冗余最大相关(minimum Redundancy and Maximum Relevance,mRMR)相结合的特征选择方法(RF-mRMR),得出综合的特征重要性排序结果 .通过实验得出分类模型所需的最优特征子集,达到降低数据处理复杂度和提高目标分类结果的目的 .为了捕捉到数据中的高阶结构,在联合稀疏表示模型的基础上,使用核函数将线性不可分的特征数据映射到高维核特征空间.为了充分挖掘稀疏重构后包含在残差波段中的有用信息,使用指数平滑公式对具有一定意义的残差信息进行再利用,最后由核特征空间下的最小误差准则判定目标的类别.应用本文提出的方法对4类目标的海试数据进行识别,结果表明,相较于其他7种对比算法,本文提出的改进方法具有更好的分类性能,而且大多数情况下,本文提出的算法在双基地声呐模式下具有比单基地声呐更高的识别准确率和更低的虚警率.

深海声影区时频谱干涉结构与声源定位

被动声呐探测位于深海声影区的水面舰船辐射噪声时,接收信噪比通常较低,导致声源被动定位方法的性能较差。针对这一问题,提出一种利用接收信号时频谱干涉结构的声源距离和径向速度联合估计方法。首先根据射线声学理论,建立时频谱沿频率轴和时间轴的干涉条纹周期与声源距离和径向速度的关系,然后对接收信号时频谱进行二维傅里叶变换和多频带处理以估计上述干涉条纹周期,最后解算声源距离和径向速度。仿真和海试数据处理结果表明,相比于现有利用接收信号自相关的声源距离估计方法,该文利用时频谱二维傅里叶变换的声源定位方法具有较好的稳健性,比较适用于低信噪比条件下的声源被动定位。

中国近海主要表层沉积物类型的原位声学特性

海底表层沉积物的声学特性对于海洋声传播和声探测有重要影响。不同类型的海底沉积物表现出不同的声学特性。针对海洋声学研究对海底声学特性参数快速获取的需求,本文利用近年来获得的100个站位的声学特性原位测量和沉积物样品测试数据,统计了中国近海8种典型沉积类型的声速、声衰减系数等声学特性和平均粒径、密度等物理性质。通过与已有测量数据和统计结果的对比显示,其与多种原位测量系统获得的数据有很好的一致性,但Hamilton统计的声速比、声衰减因子等参数则显著偏高。基于VGS理论的频散模型计算结果表明:Hamilton统计结果的偏高并非完全由其较高的测量频率引起。对于缺少直接测量数据的海域,本文的统计结果提供了一种基于沉积物类型进行海底声学特性初步估计的方案。

An improved positioning model of deep-seafloor datum point at large incidence angle

The inhomogeneous sound speed in seawater causes refraction of sound waves,and the elimination of the refraction effect is essential to the accuracy of underwater acoustic positioning.The raytracing method is an indispensable tool for effectively handling problems.However,this method has a conflict between localization accuracy and computational quantity.The equivalent sound speed profile(ESSP)method uses a simple sound speed profile(SSP)instead of the actual complex SSP,which can improve positioning precision but with residual error.The residual error is especially non-negligible in deep water and at large beam incidence angles.By analyzing the residual error of the ESSP method through a simulation,an empirical formula of error is presented.The data collected in the sailing circle mode(large incidence angle)of the South China Sea are used for verification.The experiments show that compared to the ESSP method,the improved algorithm has higher positioning precision and is more efficient than the ray-tracing method.