海洋环境参数对Scholte波特性的影响

采用半无限海底的Scholte波模型并将其推广至分层海底,在直角坐标系下利用流体和弹性体中的波动方程,提出基于水平分层弹性海底模型的Scholte波的求解方法,结合简正波理论分析了Scholte波的频散特性及其质点运动轨迹和质点位移的传播特性,并分析了海洋环境参数(声速与海底参数)对Scholte波传播特征的影响.结果表明,Scholte波受海底介质中横波声速的影响最大,其频散曲线转折点可用于估算弹性沉积层厚度.     

浅海有限面积源的噪声场空间相关特性研究

本文对有限面积噪声源产生的噪声场的空间相关特性作了讨论，分别研究了接收器处于源区域里面和外面的情形。对一浅海典型声速剖面和Baltic海区的噪声场相关特性及噪声场强度进行了计算，并与无限大噪声源平面的噪声场特性作了比较。同时，为把连续谱考虑在内，引入一虚假深海底，用复模式和来近似计算分支割线的贡献。但当接收器远离源区域时，连续谱经过在下介质中的长程传播，衰减迅速，故其对噪声场的贡献可以忽略，而仅考虑离散简正波场的贡献。结果发现，有限面积源的噪声场结构无论是水平结构，还是垂直结构均是不均匀的，都依赖于接收场点的绝对位置。这与无限大噪声源平面所形成的噪声场的特性是不一样的。     

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.     

航道附近的海洋环境噪声场模型

对青岛海域长时间观测的海洋环境噪声数据进行了水平相关特性分析．结果发现,用已有海洋环境噪声模型无法解释实验水平相关变化特性．究其原因,已有海洋环境噪声模型假设噪声源海面均匀分布,没考虑附近离散船噪声的影响,而实验海域位于航道附近,过往的船只较多．在已有海面噪声场模型的基础上,提出航道附近的海洋环境噪声模型,使得空间任意两点间的噪声场互谱密度既考虑海面均匀分布噪声源,也考虑附近离散分布船噪声的影响．新的海洋环境噪声模型可很好地解释实验水平相关特性．     

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.     

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.     

浅海环境下低频声信号传播特性研究

针对典型浅海海洋环境下的低频声传播问题,以快速场方法为建模手段,以声能流为研究对象,结合具体算例模拟研究了不同浅海环境参数对低频声信号传播特性的影响规律.研究结果表明:矢量场中质点垂直振速传播衰减远大于同点声压与水平振速传播损失;海洋环境参数、声源参数、海底声学参数均对低频声信号传播具有重要影响,其中又以海底声速对声能量传播特性的影响最为显著.     

低频声源海底地震波的时域合成波形分析

在频域快速场模型的基础上进行逆傅里叶变换,得到海底地震波的时域合成波形计算方法,并对不同浅海环境参数下的合成波形进行了计算.结果表明:海底地震波的波动成分为海底表面波和简正波;当声源频率低于简正波最小截止频率时,不存在无衰减传播的简正波,其波动成分主要为海底表面波;随着声源频率增大,各阶简正波逐渐被激发且逐渐增强;声源深度越接近于海底,越有利于海底地震波的激发,波动成分中表面波越发占据主要地位;与硬质海底相比,软质海底更有利于低频声源激发海底地震波,但不利于较高频率声源海底地震波的激发.     

非均匀海底和粗糙界面引起的平面内海底散射

结合Ivakin等的射线管积分法和Hines的复射线/最速下降法, 提出了一个计算随机非均匀海底和海底粗糙界面引起的平面内海底散射模型. 对于一任意给定的入射角, 利用该模型可以很容易地计算出不同散射角时的海底散射强度(这一点对基于简正波理论的浅海混响模型非常重要), 利用已发表的海底散射实验数据对模型进行了检验, 并且讨论了散射强度的频率、角度关系以及海底介质非均匀的物理参数对散射强度的影响.     

联合TOA和DOA的浅海多径定位算法

针对海水媒质分布不均匀的特性,本文提出了一种在非均匀媒质中联合到达时间(TOA)和到达角度(DOA)浅海多径环境下的定位算法.该算法不仅能够克服声速变化引起的路径弯曲问题,还可以减少海水流动对节点拓扑结构产生的影响.首先分别以海面和海底为反射面建立锚节点的虚拟节点(VN),把多径环境下的非视距(NLOS)问题转化为视距(LOS)问题,然后根据声速剖面(SSP)利用费马原理获得声波曲线路径的表达式.又由于海面、海底形状的不规则性,信号在反射点发生散射现象,因此将反射点当作分布式信源,利用散射信号中心波达方向作为DOA,平均波达时间作为TOA.最后利用到达时间和到达角度估计目标的位置参数.仿真结果表明,本方法在定位精度和鲁棒性等方面优于传统的直线传输模型.     

浅海环境噪声垂直相关提取海底反射参数

分析小掠射角海底反射特性与浅海环境噪声场垂直相关的关系,从而提取表征海底反射的参数.对某海域浅水区观测的海洋环境噪声数据进行垂直相关特性研究,并用于反演海底参数.鉴于海底参数之间存在耦合,采用分步反演的方法:首先利用曲线拟合或经验公式的方法获取海底反射相位,然后再反演海底反射幅度,最后将反演结果用于同海区的爆炸声声场预报,预报结果和试验测量相比,相对误差均小于10%.根据本文建立的噪声场垂直相关模型提取小掠射角海底反射参数,不需要限定特定的海底模型,反射损失中还包括界面散射的影响,可以有效地预报声场.     

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.     

东中国海声速剖面的经验正交函数表示与匹配场反演

利用一次浅海声学实验多次测量的声速剖面和声传播信号研究了海水声速剖面的经验正交函数（EOF）表示及其由匹配场处理方法反演的可行性和宽容性.反演中使用了垂直阵和水平阵两种阵形接收的宽带声信号.研究表明：声速剖面可用少数的几阶经验正交函数表示，利用垂直阵信号和水平阵信号都可较好地反演出海水声速剖面，而且对海底声速不敏感，具有较好的宽容性，反演出的海水声速剖面可用于低频信号的匹配场定位.     

基于欠定盲分离的广义逆简正波过滤方法

水声传播信号是多号简正波的叠加,通过简正波过滤分离各号简正波,是水声领域常用的一种技术手段,也是匹配模目标定位、声源信号重构等诸多应用的基础.对于垂直阵接收信号,广义逆方法是最常用的一种简正波过滤方法.广义逆方法的一个关键问题是如何确定接收信号中包含的简正波的号数,采用的简正波号数与实际号数偏差越大,简正波过滤的效果越差.针对上述问题,提出一种利用欠定盲分离技术获取垂直阵接收信号中包含的简正波号数的方法,并且通过在理想波导和夏季波导环境下的数值仿真对该方法进行检验,仿真结果表明:在一定的信噪比条件下,本文方法可以从垂直阵接收信号中准确提取简正波号数信息.该方法有助于减小简正波号数未知引起的广义逆简正波过滤的偏差,在基于简正波过滤技术的目标定位、识别等水声应用领域具有一定的应用前景.     

台风对深海海洋环境噪声的影响

中低频海洋环境噪声受海表面风速的影响显著,台风经过时,海表面风速在短时间内迅速增大,因此海洋环境噪声强度显著增加.本文通过分析两次台风经过垂直接收阵附近时接收器记录的海洋环境噪声,研究了台风条件下,环境噪声强度随风速和频率变化的关系.文中结合风成噪声源级模型和台风激发的水下噪声场模型对台风影响下的深海环境噪声场进行了理论仿真,并将仿真结果与实测噪声数据进行最小二乘曲线拟合,得到噪声源级模型中风速和频率的指数项系数的取值.结果表明:台风对高频噪声的影响更显著,200 Hz以下的噪声受风速变化的影响较小.环境噪声强度近似与风速的三次方成正比,且当风速的指数项为3时,频率的指数项取值在-0.85附近.     

浅海环境中水下物体声目标强度的物理意义

根据简正波理论,推导了基于平均测量法的浅海环境中水下物体声目标强度TS（Target Strength）的解析表达式,深入分析了TS的物理意义.分析表明,在确定的方位角上,TS与分布在一定范围内的垂直入射角i和散射角s所对应的目标散射函数值有关,i和i是离散的,其取值取决于简正波阶数;同时,TS还跟海洋环境和测试距离有关,当测试距离非常大时,约等于自由场声目标强度TSfree.     

海底岩土性质对悬浮隧道所受动水压力的影响——P波

基于锥体动力学理论和位移势函数理论,推导了P波从海底岩土斜入射到与海水的交界面时,作用在锚索刚度较大的悬浮隧道上的动水压力公式．海底岩土被视为半无限弹性体,海水被视为理想流体,锚索被视为刚性约束,悬浮隧道本身被假定为刚体．最后,通过数值算例讨论了海底岩土参数如剪切模量、密度和Poisson比与P波的频率和方向对悬浮隧道所受动水压力的影响．结果表明,除海底岩土密度外,海底岩土剪切模量、Poisson比以及入射P波的频率和方向对悬浮隧道所受的动水压力均有较大影响．     

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.