2005黄海声起伏实验中声场结构的特征分析

2005年9月的黄海声起伏实验中记录了脉冲声传播的实验数据。对数据的初步处理和分析发现接收到的声场数据存在明显的“拖尾”,为进一步分析此“拖尾”产生的原因,根据傅立叶合成法建立了脉冲声传播的宽带计算模型,根据实验中记录的海洋环境数据进行了脉冲声传播的模拟计算。对脉冲声传播的实验数据和模拟计算结果进行了对比,发现“拖尾”主要为耦合的简正波,“拖尾”的相对时间位置与发生声场简正波耦合的相对空间（距离）位置是对应一致的。据此给出了一种利用脉冲声传播的实验数据反演声波导发生较大变化位置或进行水中目标探测的初步方法。     

基于简正波掠射角的声速剖面反演方法研究

针对浅海宽带信号多途的特点,对多途分离的方法进行了研究,提出了一种基于warping变换的简正波分离和简正波信息提取的方法.随后提出了一种基于射线-简正波理论的利用各阶简正波中不同频点信号到达掠射角进行声速剖面反演的方法,最后通过仿真计算验证本方法可以应用于具有一定时间长度的线性调频发射信号的简正波分离,分离后提取的简正波信号经逆运算还原后与原始信号基本一致,分别对每阶简正波的各个频点到达掠射角进行计算,利用各阶简正波的不同频点到达掠射角建立代价函数,进行声速剖面反演.仿真结果证实了该方法的可行性,并分析了反演精度.     

声强干涉结构监测浅海温跃层深度起伏

浅海声场声强谱存在干涉结构,在声源和接收器固定的情况下,声强干涉谱与海洋环境参数存在对应关系.应用声强干涉结构信息监测浅海温跃层深度起伏,在温跃层初始深度已知的情况下(温盐深仪或声速仪测量得到),利用单水听器记录宽带信号干涉谱的时变结构反演得到浅海温跃层深度随时间变化.数值仿真验证了方法的有效性并应用于05黄海内波与锋面声传播起伏实验(AEYFI-05:Acoustics Experiment of Yellow Sea Oceanic Front and Internal Waves2005)数据.考虑传播路径的水平变化特性,引入绝热近似修正使得反演精度明显提高,温跃层深度起伏反演结果与温度链实测结果吻合良好.该方法可用在夏秋季环境下的强温跃层深度时变特征监测.     

北太平洋水下脉冲声传播仿真

由于信号波形中携带环境参数信息,可利用波形或包络结构反演环境参数,掌握信号波形的传输规律是实现信道匹配的物理基础.将WKBZ简正波方法用于水下声道中的脉冲传播波形的计算、群速的求解.并仿真了窄带脉冲在北太平洋水下声道中的传播波形,仿真结果反映出了明显的信号传输的多途效应.分析了简正波群速对脉冲波形的影响,在收发深度均位于声道轴上时,在远距离上实现了简正波的分离;同时分析了收发深度与简正波幅度的关系及对脉冲波形的影响,得出在某一深度不是所有简正波对脉冲波形有贡献的结论.     

海洋声学层析及其研究中的一种新方法

概述了海洋声学层析的基本理论,从射线传播时间、简正波传播时间、简正波相位等角度阐述了海洋声学层析研究中对海洋监测的具体实现方法。针对目前海洋声学层析研究的现状和不足之处提出了一种新的方法,利用声场的耦合简正波理论进行浅海声学层析研究。     

运动点声源声传播模型的数值算法

 从声传播的基础波动方程入手,推导了波导中运动点声源的声传播模型,并将推导结果发展为适用于计算机数值实现的简正波形式.该结果为采用匹配场处理技术对运动目标进行定位奠定了基础.     

浅海远程海底混响的耦合筒正波模型

利用耦合简正波理论，分析由海底不平整所产生的散射形成的海底混响，由此模型得到的关于混响强度衰减及其空间相关特性的理论仿真结果与经典简正波混响模型吻合较好，并得到了海上实验结果的验证．通过理论和实验数据，重点分析了收发间距，脉冲信号带宽对混响强度及其衰减特性的影响，结果表明此模型对于收发合置、分置远程海底混响的分析均适用．     

倾斜海底情况下声矢量场的计算

根据质点运动方程,给出了基于抛物方程法和简正波法的质点振速表达式,并对水平海底和倾斜海底情况下的声矢量场进行了仿真计算.结果表明,抛物方程法能对倾斜海底情况下的声矢量场进行快速预报.     

一种新的浅海目标方位估计方法

针对平面波假设下的目标方位估计方法对浅海中声源的定位存在偏差的问题,提出了一种新的浅海目标方位估计方法.采用可以反映浅海中声的远距离传播现象的简正波声场理论,把观测点处的声压看成是若干阶简正波的叠加,在平坦硬质海底和白高斯噪音的条件下,构造出了均匀线列阵的接收信号的矩阵方程形式,然后通过详细的数学推导给出了方位角的最大似然估计来完成对该方程的求解.该方法比经典的匹配场处理方法形式简洁、计算量小,比平面波条件下的信号子空间方法估计偏差小.仿真数据表明:随着信号入射方向和阵列法线夹角的增大,平面波假设下的MUSIC方法的估计偏差随之线性增加,而新方法的估计偏差并不显著增加;随着信噪比的增加,平面波假设下的MUSIC方法的偏差始终是2°左右,而新方法估计偏差很小且趋于0.湖上试验结果验证了新方法可以有效实现浅海目标波达方向的渐近无偏估计.     

2001南中国海实验温度场与声传播起伏及内潮(波)特征反演

对ASIAEX 2001南中国海声场与水体相互作用实验的温度场起伏数据和声传播起伏数据进行了分析,结果表明:(1) 内波引起的质点垂直平均位移的峰峰值超过40?m;(2) 由声脉冲前沿传播时间平均起伏所表征的声传播起伏,其峰峰值超过100?ms.在此基础上,对温度场起伏数据进行谱分析,得到影响海洋起伏的主要内波分量;声传播起伏数据经Burg法谱分析反演得到的内波主要周期,与温度场的结果一致.比较了垂直于大陆架方向和平行于大陆架方向的温度场起伏谱结构,以及两个方向的声传播起伏谱结构;利用脉冲多途结构和脉冲传播时间分别提取声传播起伏信息的参量,由其表征的声传播起伏谱结构也进行了比较.     

海面波浪对空气中声源激发的浅海声场的影响

耦合简正波方法被用于计算存在海面波浪时空中声源激发的浅海声场特性.该耦合方法采用波束位移射线简正波理论与水平分段耦合处理方法.声场计算时选取Pekeris型浅海模型,声源频率选为100 Hz,高度为100 m,水下接收器深度为30 m,声源与接受器距离在5 km内.计算表明:5 m/s风速下风浪对接收到的平均声压和均方声压影响较小;10 m/s风速下风浪将使接收到的平均声压下降约5 dB,而接收到的均方声压则增加约1 dB.     

侧面辐射声化学反应器的声场研究

目的 研究侧面辐射声化学反应器的声场分布.方法 从三维声波方程出发,根据声化学反应器的声学边界条件,推导其中的声压表达式.结果 声场中声压由多种简正声波和高次同相振动叠加而成.结论 声压幅值的横向分布取决于声源的振动方式,纵向分布取决于反应容器的几何尺寸、声源振动频率、液体中的声速以及液体的深度等.近场区以高次同相振动为主,声压幅值随着纵向距离的增大而迅速衰减;远场区则以简正声波为主,声压幅值随着纵向距离的增大而起伏变化.     

WKBZ简正波方法在深海匹配场定位中的应用

利用快速而准确计算海洋声场的广义相积分（ＷＫＢＺ）简正波方法，研究在深海声道中进行匹配场定位的可能性。使用窄带脉冲声信号和宽带爆炸声以及２７．５ｍ和３２．５ｍ长的垂直短阵在深海声道中进行了实验，实验结果的处理和表明，对几百赫兹的声信号用垂直短阵来实现匹配场定位是可能的。     

基于时间差映射方法的钢板声发射源定位

采用常用的到达时间法进行声发射源定位时,需假设波速恒定且声源与传感器的传播路径连续,然而在实际应用中,板中沿不同方向传播的声发射信号的传播速度可能不一致.据此,本文提出一种基于时间差映射的声发射源定位方法,该方法采用预构建数据库的方法,无需考虑波在板中的传播速度不一致及波的传播模态等问题,对传感器在板中布置的位置不做严格要求.该方法通过人工模拟声发射源,记录信号到达每个传感器的时间,求出不同传感器路径的到达时间差,在生成的时间差等高线图中筛选误差范围内的等时间差值,采用最小差异法寻找实际声源数据和训练映射数据之间差值最小的点,也就是声发射源的位置.本次实验在钢板上布置4个声发射传感器,随机选取8个点进行实验验证.对比到达时间法,时间差映射法的定位误差由1. 41%降至0. 38%,此方法的声源定位更加准确.     

水平变化波导中多声源问题的耦合简正波解

本文提出了一种精确、高效的耦合简正波方法,用于求解水平变化波导中多个声源存在时的声传播问题.为了处理多声源问题,修改了全局矩阵矩阵耦合简正波方法中的线性系统方程.修改线性系统方程所增加的计算量可以忽略不计,因此当多个声源存在于水平变化波导时,通过一次性求解修改后的线性系统方程能够高效地得到声场解.数值结果表明,该方法具有极高的计算精度,并且能够处理现有声传播模型不能高效解决的某些多声源问题.该模型可提供声场的标准解,用于验证其它声传播模型处理多声源问题的计算精度.此外,该模型可应用于三维声传播建模,来处理声源阵产生的波束在实际波导中的传播和散射问题.     

浅海低频混响的振荡现象及其物理解释

在不同底质海区的浅海混响实验中都观测到低频混响具有规则振荡现象, 该现象不能用目前被广泛使用的非相干混响理论解释. 通过对相干混响理论分析, 解释了该振荡现象. 分析表明, 浅海低频混响具有有规律的振荡结构, 其振荡周期由不同号简正波的本征值来确定. 在此基础上进一步提出了一种由低频混响的振荡频率来确定海底声速的方法. 3个不同底质海区的低频混响实验结果表明, 通过该方法得到的海底声速与根据匹配场反演得到的声速基本一致.     

海底声学特性水平变化引起的声异常衰减

海底底质声学参量是影响浅海中声传播的主要原因之一. 基于一次海上实验中的声传播损失异常现象, 提出了海底底质水平变化的海底模型, 并很好地解释了实验中观测到的现象. 研究结果表明, 海底底质在传播路径上的变化对于水中声传播的影响很大, 在进行声传播问题研究及海底反演中海底模型的选取都应对实际海底的水平变化特性予以足够的重视.     

南海北部海水声速剖面声学反演

2009 年6 月在南海北部进行了一次海洋环境和声学同步观测实验. 实验观测到内波活动导致水体声速剖面随时间和空间起伏. 从温度链长期观测数据提取出声速剖面经验正交函数(EOF). 数值仿真研究了水平变化海洋环境下平均声速剖面的声学反演, 结果表明, 反演结果与传播路径上的平均声速剖面具有很好的一致性. 在此基础上, 利用实验中垂直接收阵记录的宽带爆炸声源信号反演海水声速剖面, 并与实验测量声速剖面进行比较, 验证了匹配场声学反演海水声速剖面的有效性和稳定性     

浅海水平纵向相关与海底参数反演

分析了水平纵向相关的振荡结构与简正波本征值、简正波幅度的关系,说明水平纵向相 关系数是复本征值的函数,而复本征值又与海底参数(沉积层厚度、声速、密度、衰减系数)密切相关.给出了海底参数与水平纵向相关系数之间关系的仿真结果,分析了各参数的敏感程度,提出了利用声场的水平纵向相关结构来反演海底参数的方法,并应用于一次海上实验数据的处理,得到了合理的结果.     

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.