起伏声场，拖曳线列阵目标定位

该文讨论了起伏声场下,拖曳线列阵目标定位问题。首先得到了声速起伏下的拖曳线列阵接收的散射声场方程,利用简正波滤波方法和MV-SPC波束形成方法,通过短线阵的水平移动,实现远程目标深度及距离的定位。数值仿真结果表明,拖曳线列阵,利用简正波滤波方法和MV-SPC波束形成方法可以很有效地实现对目标深度及距离的估计。

水面和水下目标起伏声场差异性研究

为了探究声源深度起伏对水面和水下目标简正模声场影响的差异性,基于Kraken模型,针对浅海Pekeris波导环境,仿真研究了声源相对接收点静止和运动两种情形下由声源深度起伏造成的各阶简正模能量的波动特性,并构建了起伏统计量ESI加以描述,结果表明,水面目标的深度起伏使得各阶简正模的ESI都相对较大,而水下目标只有当其平均深度位于某阶简正模的波节位置时才会使得该阶模的ESI较大。该文研究内容可以为水中目标的深度分类研究提供一种思路。

利用声场简正波幅度起伏反演内波传播速度

针对内波参数声学反演方法缺乏有效的试验验证问题,本文对Rouself等推导的单一内波环境下非线性内波速度与声场简正波起伏周期成正比关系的适用条件进行了讨论,提出多种内波共存环境下内波传播速度的声学反演方法,当非线性内波引起声场简正波耦合时,可通过提取单阶简正波起伏周期来反演内波速度。利用2011年黄海内波(内潮和非线性内波)与声场起伏同步观测数据,成功实现了黄海内波传播速度的声学反演,验证了多种内波共存环境利用简正波幅度起伏反演内波传播速度的可行性。

海面波动引起的声场起伏特性研究

通过分析浅海波导声源传播中声场幅度和相位起伏对海面波动的依赖关系,探究相同海面波动不同海洋深度声场起伏的差异性,基于简正波理论仿真分析了海面波动对声场起伏的影响。结果表明:近海面噪声源的总声场起伏大于远离海面声源声场起伏。利用近海面声源及环境噪声场起伏大、远离海面的声场起伏较小的差异性,可为水下声信号的探测提供参考。

大陆坡内波环境中声传播模态耦合及强度起伏特征

大陆坡海域内波普遍存在,其陆坡地形和内波过程都会引起显著的声场起伏.已有研究工作主要关注内波或大陆坡单扰动因子对模态耦合和强度起伏的影响,少见将内波和海底地形起伏同时作为影响因子进行研究.文章考虑孤立子内波和海底地形对声传播的双重影响,首先构建海洋波导模型,然后基于简正波理论数值对比分析各波导模型条件下模态的耦合规律,进而研究声场强度起伏特性及其物理机理.研究结果表明,当声波朝向或远离内波中心传播时,模态耦合在内波与大陆坡的共同作用下出现耦合增强或衰减,高号模态耦合系数振荡;内波扰动的作用使得能量由低号模态耦合至高号模态,提高了声场强度衰减;斜坡的作用使得声波下坡传播时,波导模态数增加、模态强度衰减降低;大陆坡内波环境中的模态强度总和大于内波环境、小于大陆坡环境,且模态组间的能量转移比只有内波或者大陆坡时更强,高号模态从耦合中获得更多能量,使得跃层以上水层能量增强.

浅海内孤立波动态传播过程中声波模态强度起伏规律

内孤立波是一种常见于浅海海域的非线性内波,具有振幅大、周期短和流速强等特点,它通过扰动水体中的温盐分布使声速剖面产生明显的距离依赖性,进而影响水下声传播特性.内波自生成后通常以1 m/s量级的速度传播,运动的内波使声传播路径上的声波模态能量在空间和时间上剧烈起伏.本文定义模态强度为模态系数模值(模态幅度)的平方,并用其衡量各阶模态所含声能量的大小.文中基于耦合简正波理论,推导了内波运动时声波模态强度起伏的表达式,将模态强度表征为振荡项和趋势项的线性叠加.以往的工作大多局限于单独从时域或频域研究内波运动时声波模态强度的时变规律,本文则结合短时傅里叶变换在时频平面上揭示了模态强度的起伏机理.理论推导和数值仿真均表明内孤立波使各阶声波模态之间发生能量交换,即模态耦合.内波的动态传播进一步引起模态干涉,这种干涉效应表现为模态强度中的振荡项并使模态强度随时间快速起伏.受模态剥离效应(不同阶模态之间衰减系数的差异)的影响,趋势项的幅度随时间不断变化,进而对模态干涉引起的振荡叠加了时变的偏置.模态强度的整体走势和振荡项中各频率分量振幅的时变特征均与模态衰减密切相关.同时,本文使用深度积分声强作为总接收声场强度的度量,研究了内波运动时模态强度起伏对接收阵位置处声能量的影响.结果表明,能量较大且起伏剧烈的模态强度将主导总接收声强的变化.

南海东沙海域线性内波引起的声场统计特性

海洋内波对声传播及水声探测具有重要影响。利用南海东沙附近海域一次低频声传播起伏实验同步获取的声学与水文观测数据,从水文连续观测数据中提取了内波特征参数,验证了修正线性内波频谱公式,用蒙特卡洛方法统计分析了存在线性内波条件下的声场起伏特性,并用射线理论解释了声源与跃层相对位置对声场起伏的影响机理。结果表明:随着频率、平均能流密度和收发距离的增加,最大概率传播损失(TL)增大;受线性内波活动的影响,与“上发下收”相比,“下发下收”情况下传播损失的概率分布更发散;随着收发距离的增加,内波的累积效果更加显著,在“下发下收”情况下,40 km处传播损失概率分布最大可增加至8 dB;在负跃层环境下,内波的扰动更有利于声线穿越温跃层。

一种基于声起伏特性的水面干扰抑制方法

利用水面目标和环境噪声起伏较大,而水下目标的声信号起伏较小的特性,可以有效抑制水面干扰,提高水下目标的检测概率。对于单基元频谱分析采用非线性滤波器,进而针对阵列信号处理提出一种基于非线性滤波的连续时间方位历程水面干扰抑制方法。最后,对Swell96的实验数据进行了处理,单基元信号处理结果表明,振幅非线性滤波器和复声压非线性滤波器对于稳定线谱的信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)增益可达15 d B和30 d B;阵列信号处理结果显示所提出的方法能够有效抑制水面声源的航迹,提高水下声源的发现概率。

孤子内波模拟及其声场影响研究

相对理想的孤子内波模型和局部性特征的实测数据,使得孤子内波影响声传播的研究相对滞后。通过美国麻省理工学院开发的MITgcm海洋模式,结合物理海洋和海洋声学领域的相关理论,对孤子内波进行了模拟和分析,并基于此进行了内波对声场的影响研究。相比传统方法,该方法能够得到更为合理和全面的孤子内波数据,为声场方面研究奠定基础。

浅海环境中应答器法测量水下平台声目标强度的理论分析

应答器法是在浅海环境中测量水下运动平台声目标强度的常用方法。根据简正波理论分析浅海点源声场的空间特性,指出不同号简正波之间的相互干涉是导致声场空间起伏的主要原因。对基于应答器法的水平平均测量法(HAM法)进行了理论分析,并提出一种新的浅海环境中水下运动平台目标强度的测量方法,即垂直平均测量法(VAM法)。对比了HAM法和VAM法的有效性、物理意义、试验效率和技术难度,分析表明二者物理意义相同,VAM法比HAM法具有更高的有效性和试验效率,不过其技术难度更大。