水声射线传播的黎曼几何建模·应用——深海远程声传播会聚区黎曼几何模型

会聚区是深海水声传播重要的物理现象,对其准确建模和计算是深海远程水声探测与通信的基础.但深海会聚区缺乏明确的数学描述,特别是对于地球曲率所导致的系统误差,目前主要采用近似计算与曲率修正相结合的方法,尚无精确会聚区数学模型.本文基于水声射线黎曼几何建模基础理论研究,在弯曲球体流形上开展深海会聚区建模,在分析总结会聚区物理特征的基础上,给出深海会聚区黎曼几何描述,得到深海会聚区位置、距离的分析形式和基于黎曼几何概念的计算方法,为深海会聚区——这一重要的深海声学现象探索赋予黎曼几何学意义.以Munk声速剖面为例,对比分析深海会聚区在曲率修正和采用黎曼几何方法在球体流形上建模两种情形的时空分布,验证了本文提出的深海会聚区黎曼几何模型的有效性,结果显示近海面处的会聚区宽度随声传播呈现先变大后变小的规律,最大约20 km,最小约4 km.

基于ROMS模型的水声信道建模仿真

复杂多变的海洋环境是影响声呐性能的主要因素,水下声场的计算对声呐布放、航路规划等反潜工作具有指导意义。本文基于ROMS模型对海洋数据进行模拟,并使用并行化技术改进后的BELLHOP模型对其进行仿真,实现对水下声场的快速预报。文章通过实验验证了该方法的可行性以及结果的准确性,利用并行化技术改进后的计算速度也有显著提升。仿真实验表明,此方法可以快速准确地预报水下声场,对声呐设备的工作具有评估和指导作用,为后续反潜作战方案制定提供了数据参考。

三维声传播模型BELLHOP3D的信息传递接口并行优化

近些年,我国对海洋不断深入的探索对复杂环境中声场的快速预报提出了越来越高的需求。BELLHOP3D是一种基于射线法的三维声传播计算模型,在海洋声学中应用十分广泛。BELLHOP3D的计算效率比其他常用模型高,但是仍然有非常大的提升空间。该文使用信息传递接口对BELLHOP3D进行粗粒度的并行优化,并行后的程序计算结果稳定可靠,并行效率高,更适合在实际应用中实现快速的声场预报。并行BELLHOP3D程序可以在https://github.com/nj-zyq/BELLHOP3D_MPI.git下载。

运动声源简正波模型稳相点的射线多普勒近似算法

从航空声源水下声场建模出发,提出了运动声源稳相点的近似算法。由于Hawker给出的运动声源声场简正波模型计算方法不适用于高速运动声源,针对速度相对较大的低空运动声源辐射噪声激发的水下声场建模,采用虚源概念,基于射线声学理论得到近似多普勒频率,结合简正波理论求解稳相点,较好地解决了高速运动声源声场的解算问题。几种波导环境下两种方法数值计算比较结果表明该算法的有效性。

基于射线理论的海洋声场模型的计算

利用射线法对海洋声环境场进行建模,并对相关声场参数进行了计算。考虑了海水对不同频率声波的吸收、声波在海底的反射损失、不同的海底构造等因素,能快速搜索出发射声源在特定海域传播至接收点的本征声线,并在此基础上对浅海的模拟海底进行了声传播数值的计算。

一种改进的水下爆炸声混响模型

为了研究水下爆炸声脉冲引起的混响,基于射线理论,利用椭球的几何性质,建立了改进的三维近程双基地混响平均强度模型,推导出爆炸深度任意的双基混响平均强度预报公式。计算分析了爆炸深度和脉冲宽度对混响强度的影响,并与实验结果进行了比较,结果表明:爆炸深度对混响强度的影响相对较小,脉冲宽度越大,混响强度越大。

端振动共振腔与混浊──(Ⅰ)射线模型

在射线近似下，单壁振动一维共振腔的相位变化数值模拟表明：当参数MN大于一定阈值时，相位变化呈混沌行为。文中还讨论了阈值同共振腔最低阶共振频率与壁振动频率之比的关系。

基于BELLHOP模型的水中目标回波亮点特征建模与分析

水中目标回波亮点的时空特性是主动声呐进行目标检测、跟踪与识别的主要依据,由于水声环境复杂多变,回波亮点结构受环境因素影响较大。建立了主动声呐目标回波的5亮点模型,并利用BELLHOP模型仿真复杂的水声传播环境。在浅海正声速梯度、浅海负声速梯度和深海声道3种信道条件下,提取并分析了不同舷角下目标回波亮点的时空特性。仿真结果表明,该模型反映了不同声传播环境下的目标回波亮点特征变化情况,可为主动声呐的目标检测与识别提供支撑。

深海地形对声呐探测影响研究

声呐探测与水声环境息息相关,不同声源深度和海底地形对声呐探测的影响截然不同。针对潜艇活动的海区,使用射线传播理论和仿真模型,通过改变声源深度和海底地形进行声传播损耗仿真计算,为声呐探测提供参考。结果表明:1)在深海环境中,不同地形对声呐探测也有较为明显的影响。海沟地形和阶梯地形的影响汇聚区能量增加,同时使汇聚区的间距缩小。海山地形的后侧可以使声呐探测的效能降低。2)改变声源和海山之间的相对深度后,可以降低海山后侧的声传播损失,从而提高声呐探测能力。

基于WOSS的NS-Miracle水声信道模拟方法扩展

将世界海洋仿真系统(World Ocean Simulation System,WOSS)与声射线模型Bellhop结合并引入海洋噪声经验公式对NS-Miracle仿真系统的水声传输信道模拟方法进行扩展。为了验证扩展后的仿真系统,实验采用了基于水声信道特征经验模型、Bellhop射线模型及WOSS结合Bellhop射线模型的3种仿真方法对5个节点集中式拓扑结构的水下传感器网络进行了计算机仿真。结果表明,在相同的网络环境中,利用Bellhop信道仿真模型的两组实验的平均吞吐量、平均延时非常接近,而利用经验信道模型的第一组仿真得到的平均吞吐量和延时与后两组数据的差别稍大,三者的平均误包率非常接近。同时实验仿真了3个不同海域相同结构水下传感器网络的运行情况,分析引入WOSS后对仿真结果的影响。结果显示:在不同海域引入WOSS的系统仿真结果比未引入WOSS的系统仿真结果更具有实时动态性,扩展后的NS2/NS-Miracle仿真系统能够更准确地模拟实际水声网络的相关特性。另外,实验还利用扩展后的系统对ALOHA-CS、CSMA/CA和DACAP三种MAC协议进行了仿真和分析,结果显示,CSMA/CA协议相较于其他两种协议更适合集中式结构的水下传感器网络。

海洋混合层结构对表面声道中声传播特性的影响分析

利用WOA05气候态数据集和北黄海调查数据,应用BELLHOP高斯束射线模型分析了我国近海及西太平洋典型海区的混合层结构对表面声道中声传播特性的影响,结果表明:我国近海的混合层结构有显著的区域性和季节性变化;深海中主要表现为混合层深度变化,这种变化直接影响表面声道的空间分布,声波在混合层中的表面声道中传播与在混合层外的影区中传播产生的能量场差异较大;浅海中混合层深度与声速梯度的空间变化都很明显,声速梯度的增大和混合层的加深都能使更多声线以反转的形式传播,使表面声道声场增强。两组海上实验数据表明,在真实海洋中混合层可在短时间内出现生消变化或在局部海域出现非均匀分布。在浅海温跃层环境下,海-气边界特定的物理过程能够使混合层发生间歇性的变化,当表面声道出现时近表层声场明显增强。

白令海西部小区域声传播特征研究

白令海是连接太平洋、北冰洋唯一要道,经济、军事地位极其重要。利用中国第5次北极科学考察CTD（Conductivity,Temperature,Depth）数据,在分析白令海西部小区域水文环境基础上,结合大陆坡地形,利用UMPE（University of Miami Parabolic Equation）抛物方程模型模拟声传播特征,并利用Bellhop射线声学模型分析其形成的物理机制。陆坡区域受流混合影响,50~350 m形成低温、低盐水团。声波沿陆坡向深海传播时,声能向500 m以上汇聚,次表层50 m左右形成声道,深层为声影区;声波沿陆坡向浅海传播时,50 m左右出现声道,深层传播损失较大,无声影区;＂斜坡增强效应＂使得声源置于浅水海域时,50 m声道强度大于声源置于深水海域。

台湾海峡近海水声信道传递函数仿真研究

水声信道传递函数特性对水声通信系统的性能有着重要的影响。采用美国海军GDEM(generalized digital environmental model)中全球气候态月平均声速数据,基于BELLHOP射线传播模型,对台湾海峡近海北、中、南部三个站点在不同季节的声速剖面下的传递函数进行了仿真研究。仿真结果表明,台湾海峡近海浅海声信道的传递函数为锯齿状,间断出现子通带。平均子通带宽度与声速剖面和海水的深度的变化密切相关。

浅海混响背景下吊放声呐主动方式探潜研究

浅海混响估算是研究吊放声呐主动方式搜潜作战使用的关键环节。首先分析声能声呐方程各项的定义,研究最大允许传播损失的计算方法;然后采用Bellhop模型计算吊放声呐与海底散射元之间的传播问题,依据Jackson模型推导海底反向散射强度的计算方法。结合海底散射面积的估算与吊放声呐主动工作满足小掠射角的特点,对负梯度和负跃层声速梯度下的浅海混响进行仿真和分析;结合信号余量的估算,研究2种典型声场条件下工作深度对浅海混响和吊放声呐探潜的影响,并提出相应的吊放声呐工作深度的选择方法。

深海海底山引起的混响杂波联合预报方法

针对深海复杂海域的主动探测混响杂波干扰的联合工程预报问题,本文基于三维射线-简正波理论建立了深海海底山引起的混响杂波联合预报方法,将海底山当作一类具有强散射特征的体积散射源,提出了对海底山的体积散射函数在水平和垂直维度上进行网格划分的数值积分方法。研究了不同水平方位,不同地形条件下的海底混响和海底山杂波强度特征。实现了小起伏水平海底和海底山地形的深海海底混响和海底山杂波的统一预报。研究结果表明:海底山的体积散射源经过水平和垂直维度的划分后,可以和水平海底的小尺度散射过程形成有效耦合,而海底山杂波的时间尺度和包络强度分别受海底山的水平宽度和垂直高度影响。通过海上实验数据比对,验证了本文所提预报方法的准确性。

一种基于声传播时间的海流垂直剖面求解方法

基于射线声学理论建立了运动介质中的三维声线传播模型作为正演模型,在利用双向声传播时延差计算海流流速分量时,对目前已有的时延差计算海流的方法进行改进,考虑了海流对本征声线影响,改进后的计算方法可在收发双方本征声线不同的情况下计算出海流流速,同时可以获得声传播方向上的流速垂直分布结构.最后通过仿真验证了海流计算方法的可行性.

复杂介质的射线轨迹计算

从声波波动方程出发,在波动理论的高频近似下,导出了有限差分射线走时计算方法,并利用声传播的可逆性和费马原理建立射线路径,经理论模型验证,证明了该方法的正确有效性。

多层奥氏体钢中超声相控阵辐射声场分析

针对一维线性超声相控阵透过楔块,在多层不同晶轴取向的奥氏体钢中的声场辐射问题,结合高斯声束等效点源模型以及基于时间最小原理的射线追踪法,给出了各层介质中透射声场的计算方法。将奥氏体钢近似为横向各向同性介质,计算了相控阵透过楔块,在晶轴取向为0°的奥氏体钢中的无延时纵波声场,计算结果与COMSOL仿真结果相吻合,从而验证了所用方法的正确性。通过加入不同的延迟法则,仿真计算了三层含有不同晶轴取向(0°,30°,100°)的奥氏体钢中的纵波声场,实现了相控阵声场的偏转与聚焦,分析了偏转声场与聚焦声场的传播特性。仿真结果表明,不同的晶轴取向将导致不同的声束偏转以及聚焦效果。通过延迟激励各阵元,虽然可以控制声束偏转或聚焦到预定位置,但是晶轴取向仍会对声束宽度以及幅值产生一定的影响。

吊放声呐扩展螺旋阵搜潜效能评估改进方法

针对反潜直升机吊放声呐搜潜效能评估过程中把探测范围等效成半径为定值圆的问题,为了提高效能评估的逼真度,文中以吊放声呐扩展螺旋阵数学模型为基础,建立了吊放声呐探测距离模型。依靠射线声学理论模型,以深海负梯度声速为例,通过BELLHOP仿真得出了吊放声呐探测距离随温深曲线变化的关系,发现吊放声呐的探测距离在真实情况下是随着声速梯度的变化而改变的。同时,针对潜艇在逃逸过程中沿直线航行的问题,建立了潜艇规避模型,得出了潜艇规避仿真图。将探测范围等效成半径为定值圆的模型称为第1模型;在第1模型的基础上引入吊放声呐探测距离随温深曲线变化模型,称为第2模型;在第2模型的基础上加入潜艇规避模型,称为第3模型。使用蒙特卡洛方法对3种模型分别仿真5 000次,结果表明,加入射线声学理论探测距离模型和潜艇规避模型后,搜潜效率大大降低。文中方法对提高吊放声呐阵型搜索效能评估逼真度具有一定的军事意义和参考价值。

深海高频内波对潜艇水声通信和探测的影响分析

内波的存在会对水声信号传播产生极大的影响,从而严重影响潜艇使用声呐进行水声通信和探测。深海高频内波对声呐效能的发挥产生的影响较大,对深海高频内波对水声信号产生的具体影响效果进行分析,对未来战场上声呐的战术使用以及作用的发挥具有极为重要的意义。基于此,通过Bellhop射线模型计算软件,对深海中存在高频内波时声信号的传播情况进行仿真,得到仿真图,与不存在内波时的仿真图像作比对。结果表明,深海高频内波会增大水声信号传播损失,加重多径效应;降低潜艇水声通信效果,增加误码率;削弱被动声呐探测效果,可能会提高其探测概率但会使探测精度大大降低,其中,高频信号受影响尤为明显。