北极水声学:一门引人关注的新型学科

北极水声学是一门研究北极及其毗邻海域水声环境效应的学科。研究内容包括海洋环境噪声,特别是冰盖下的海洋环境噪声;北极海区的混响特性;北极及其毗邻海域的水声传播规律、冰盖下的水声通信,以及由于北极海区的独特环境(所谓半声道效应)而给水声信号处理带来的新的研究课题。北极水声学的研究开始于二次世界大战之后,当时的研究内容明显的带有冷战的烙印。近年来由于地球变暖的趋势,北极冰区面积持续减少,北极航道有望开通。又由于北极高纬度地区的丰富的自然资源,引起各海洋大国的高度关注,北极水声学已成为新的研究热点,并注入了新的内容。本文综述介绍北极水声学的研究概况,以及和北极声学密切相关的海洋声学方面的研究课题。自从上世纪90年代以来,我国科学家对探索北极表现了极大兴趣,本文简要介绍我国对北极的5次海洋考察和正在进行的第6次考察。对我国在北极及其毗邻海域水声学研究方面所面临的挑战提出初步的应对措施。

北极冰下双轴声道传播特性研究

本文利用第六次北极科学考察的所得的楚科奇海温盐深数据,开展了北极海域声传播特性研究。通过引入Diachok海冰散射模型,将海冰界面模拟为无限椭圆形半圆柱体在自由界面的随机分布,利用Twersky散射理论计算了海冰的反射系数。使用简正波中的KRAKENC模型,结合海冰参数,进行了传播损失仿真分析。研究表明,北极的双声道波导中表面声道的传播特性与声源频率和收发深度紧密相关。深海声道与北极典型声速结构的传播特性一致,具有频率选择特性,在20 Hz左右时传播特性较为理想。此外,在远程传播时,深海声道的传播特性要优于表面声道。

松花江冰下声学试验技术研究

北极区域极具战略意义与商业价值,随着各国的广泛关注,针对北极地区开展的科考科研活动逐渐增多。其中北极海域的相关研究尤为重要,特别是北极水声学,是保障北极军事存在以及正常科考科研活动的重要支撑。课题组于2015年1月在哈尔滨松花江进行了冰下声学试验,主要内容包括冰下信道测试、冰层散射系数测量以及冰下水声通信试验,实现了冰下半波导现象的初步观测、冰层前向散射系数的测量、基于能量检测器的低信噪比扩频通信、基于时反镜判决反馈均衡技术的高速水声通信以及冰下12用户多址水声通信等内容。本文对本次冰下声学试验情况进行介绍,并给出了相应的试验结果及经验总结。

北极冰下声传播特性实验研究

通过2017年8月6日在北极海域开展的一次声传播实验,开展了冰下声传播特性实验研究。结合Burke-Twersky(BT)散射模型与射线模型,分析了冰下声传播的多途到达结构,研究了接收声强变化规律,解释了接收声强在30 min内衰减20 dB的现象,分析了接收信号的时间相关性,探讨了接收信号相关性较低的原因。实验结果表明,表面接收信号主要由小角度多次反转反射声线、一次海底反射声线和二次海底反射声线依次构成,表面声道到达信号显著强于海底反射信号。试验冰站在试验期间的运动导致了声传播信号强度和相关性的迅速衰减,并通过仿真得到了验证。