内波、潮导致的声简正波幅度起伏及其深度分布

分析2005黄海声传播—内波实验传播起伏数据,观察（1）号声简正波幅度起伏及其深度分布特征。非线性内波（IW）通过接收阵可以导致脉冲峰值约5 dB起伏,幅度起伏垂向分布与简正波本征函数的微分分布吻合良好,（M2）潮致信号幅度起伏也满足相同深度分布特性。然而内波和潮致起伏的垂向相位变化明显不同:前者本征函数峰值两侧起伏信号反相,而后者近乎同相。前者由接收器与简正波分布的相对移动决定,而后者取决于简正波和水听器位置变化的复合效应。      

孤子内波导致海洋环境噪声垂直指向性异常分析

依据近场波数积分、远场耦合简正波相结合的二维噪声场模型,侧重理论研究孤子内波所在扇区,环境噪声垂直阵响应的变化,分析了某些孤子内波情形下垂直阵环境噪声水平凹槽变深这一异常现象的原因:孤子内波离垂直阵较近时,远离内波的海面噪声源多,其激发的简正波能量由低号耦合到高号,在垂直阵处高号简正波能量对环境噪声场贡献增大,导致环境噪声水平凹槽加深;对于大尺度、多波包孤子内波,其范围相对较大,内波所在区的局部简正波本征值和本征函数产生的变化影响显著,使低号简正波衰减变快,而高号衰减慢,导致接收阵处高号简正波能量增加,低号简正波变弱,这样,无论孤子内波群靠近或离接收阵远,都将使垂直阵环境噪声水平凹槽加深。      

孤立子内波引起的高号简正波到达时间起伏

在新泽西附近海域进行的浅海实验(Sw'06)观测到了大量的孤立子内波.利用SW'06海洋环境资料分析了有无孤立子内波存在时的脉冲声到达时间起伏.发现当孤立子内波出现时, 1号简正波到达时间较为稳定,而一些高号简正波到达时间比第1号简正波提前,且随着温跃层深度变化而起伏.经射线理论分析表明:由于孤立子内波出现,导致温跃...     

利用声场频谱频率漂移监测内波的算法改进和实验验证

声场频谱的频率漂移曲线可以用来监测内波。由于简正波幅度剧烈起伏带来的干扰,目前尚无从实验数据中提取频移曲线的有效算法.提出了一种依据实测声学传播数据提取频移曲线的算法。借助于简正波过滤技术,该算法利用相关法从简正波相角之差中提取频率漂移曲线。利用该算法提取的频移曲线与内波导致的跃层起伏具有很高的相似性,这在2011年黄海实验中得到了验证。该算法的优点是可以保留简正波相位差变化导致的频移曲线信息,同时又能有效地抑制简正波幅度起伏带来的干扰,但是需要良好的接收阵阵型来保证简正波分离。      

低频混响信号中的简正波衰减系数提取方法

提出一种从低频混响信号中提取简正波衰减系数的方法。利用简正波过滤技术对垂直阵混响信号进行分析,获得单阶简正波混响声场。假设海底反向散射矩阵可分离,从单阶简正波平均混响强度中提取出有效海底反向散射矩阵元素,最后利用不同距离上的有效海底反向散射矩阵元素计算出简正波的衰减系数。利用该方法从混响信号中提取出的简正波衰减系数预报的声传播损失和相同海域实测声传播损失一致。该简正波衰减系数提取方法有效避免了海底散射衰减和简正波传播衰减耦合的问题,同时对海底参数反演和水声环境的快速评估也具有重要的意义。      

海面随机起伏对噪声场空间特性的影响规律

对于1 k Hz以上声波,海面起伏会对浅海声传播产生显著影响,现有的噪声预报模型在建模过程中基本没有考虑海面起伏的影响.针对这一问题,本文基于传输理论建立了随机起伏界面下噪声场垂直相关性和指向性模型,仿真分析了海面起伏对噪声强度、垂直相关性与指向性的影响.结果表明,对于表面噪声,海面随机起伏使声波能量从中间阶简正波向低阶和高阶简正波转移,而对噪声强度起主要贡献的一般是中间阶简正波,所以海面起伏使得噪声强度减弱;简正波之间能量的耦合导致垂直平面上不同掠射角方向上到达的声波响应发生变化,经由海面反射大掠射角到达的声波响应以及中小角度到达的声波响应变弱,而经由海底反射大掠射角到达的声波响应变强;海面随机起伏还会扰动各阶简正波相位,使不同阶简正波互相关性变弱,致使噪声场的空间相关性也变弱.     

水平阵信号压缩感知用于简正波分离

针对水平阵信号简正波分离过程中常规波束形成分辨率低以及warping模态滤波不适用于复杂声信号的问题,提出水平阵信号压缩感知用于简正波分离的方法。利用压缩感知在方位估计中的高分辨特性,通过估计水平阵接收信号在频率方位角上的二维分布,分离得到各阶简正波的方位谱,并逆Fourier变换得到时域波形。仿真孔径1 km、阵元间隔10 m水平阵接收20~200 Hz伪随机声信号和脉冲声信号,所提方法分离出的各阶简正波与理论波形的相关系数在0.97~1.0。对2011年北黄海声学实验中的海底28元水平阵接收的气枪信号,在合成至1 km孔径后使用压缩感知方法分离简正波,其与warping模态滤波分离得的前5阶简正波相关系数在0.82~0.93。仿真与实验都说明了水平阵信号压缩感知简正波分离方法的有效性。      

利用简正波频散特征映射方法进行海洋环境参数反演

浅海波导中传播的脉冲信号可以通过频散特征映射方法(warping变换)进行简正波的有效分离,这使得频散曲线的获取更加容易和准确.利用简正波频散特征映射方法分析2010年南海声层析实验中单个阵元接收的声学信号,有效分离出各号简正波,并进一步通过Wigner-Ville分布处理提取出波导中各号简正波的频散曲线.将提取的频散曲线与理论计算到达时差进行匹配,实现了利用单水听器信号的海洋环境参数反演.实验结果表明:将简正波分离与Wigner-Ville分布相结合可有效消除Wigner-Ville分布在估计多分量信号时的交叉干扰,提取的频散特征可很好地用于同时反演海水和海底声速剖面。为评价反演结果的有效性,对反演结果进行了后验概率分析,并将一小时内的海水声速剖面反演结果与温度链实测值作对比,二者符合较好.      

激冲次声信号简正波的分离

由于大气层的不均匀性,次声波分解成不同的简正方式来传播,它们有各自的相速度和群速度。当由一个声学阵接收次声波时,不同的简正波在声阵上产生不相同的时间延迟。本文根据各个简正波的主要能量分布在不同的频率区间,从理论上导出计算简正波相速度的平均数值和平均方位的方法,利用速度滤波估算出各个简正波的频谱,通过Weiner-Hopf滤波,从一个声阵接收到的数据中,估算出空间任何一点某个简正波的波形。最后给出了计算机模拟计算,其结果与理论上设定的十分接近。     

浅海中孤立子内波引起的声能量起伏

当孤立子内波的波阵面与声传播路径所成角度较大时,简正波耦合是导致声信号起伏的主要因素。研究了浅海中孤立子内波引起的声能量起伏规律,给出声场起伏的耦合简正波表达式,并使用抛物方程模型进行仿真。数值分析表明,接收点声强随时间变化呈准周期性。在频谱图中能够得到声强起伏的主导频率,主导频率与孤立子内波沿声传播路径的移动速度成正比,与无扰动波导中简正波在距离上的干涉周期(对应于射线理论中临界声线的跨度)成反比,与孤立子内波的形状无关。此外,对声强频谱的垂直结构进行了分析,该结构与对声场起伏起主要作用简正波的本征函数相关。      

声简正波传播时延起伏特征:AEYFI05实验

分析处理黄海锋面和内波声学实验(AEYFI05:Acoustics Experiment of Yellow sea Oceanic Front and Internal Waves 2005)数据发现:1号声简正波传播时延起伏存在10～50 min,幅度2～10 ms的"高频相干"成分,对比简正波传播时延起伏量与接收船位置等温线起伏量发现:两者的高频起伏部分存在明显的延时对应关系.根据实验地形数据,本文给出了传播途径中的地形胁迫激发内波导致声传播时延起伏的物理假设,合理地解释了两者的高频起伏部分存在明显的延时对应关系.     

由简正波群延时及幅度反演海底参数

由简正波过滤技术得到1号与2号简正波群延时及幅度。通过匹配简正波群延时差来反演海底的声速、密度等参数,衰减系数由简正波的幅度反演得到。遗传算法用来在参数域内搜索待反演的参数。在 200～500 Hz频率范围内海底衰减系数随频率的变化关系为α=0.29f1.9dB/m（f的单位为 kHz）。最后给出由反演出的参数计算得到的传播损失与实验的声传播损失数据的比较,结果符合的较好。     

浅海中单个简正波的分析

在跃变层之下的等温层中进行了爆炸声传播实验,获得了频率0.32—1.0kH2的单个简正波的记录。通过对简正波脉冲传播时间的分析,确定所记录的波形为第一号简正波。根据第一号简正波的传播特性,分析得到了频率0.32—1.0千赫的小掠射角海底反射系数。     

反演声场简正波耦合系数矩阵

研究了有内波传播时声场的耦合简正波形式,分析表明各阶简正波系数的时间信号包含多个频率成分,各成分的频率为对应的两地波数差与内波速度的乘积,各频率成分的振幅与对应简正波之间的耦合系数成正比。因此即使内波的波形不随其传播而变化,接收器处的各阶简正波系数仍然具有多频的复杂结构。由此并根据简正波耦合强度与声场简正波系数起伏强度的对应关系提出了一种反演简正波耦合系数矩阵的方法;并用实验中获得的内波数据,反演了声场;计算结果表明:该方法有效地反演了内波传播情况下的简正波耦合系数矩阵。     

指向性辐射器的简正波声场

本文讨论比较一般的指向性辐射器在分层介质中的声场,并将指向性概念应用于简正波计算。结果表明,对无方向性点源的简正波表示式补充以指向性激发函数,就可得到指向性辐射器的简正波声场,而指向性激发函数与辐射器的位置及指向特性有关。文中还分别计算了具有垂直对称性、反对称性、单边指向性以及尖锐指向性的辐射器的简正波声场。对于均匀水层中的垂直线阵,若源的分布函数正比于某一简正波的本征函数,则指向性激发函数的零点正好对应于其他简正波的本征射线的方向。 关键词：     

利用简正模态相位关系的浅海声源深度分辨方法

针对浅海波导声源深度分辨问题,本文提出了一种利用简正波的相位关系进行声源深度分辨的方法。该方法通过对垂直阵接收到的信号进行简正波分解,得到简正波系数,在已知声源距离的情况下通过对简正波系数项的处理得到各阶简正波的相位关系,根据相位关系估计声源的深度区间。该方法在阵元数较少时依然可以分辨声源深度,而且对宽带信号、窄带信号、连续信号和脉冲信号均适用。理论分析和数值仿真的结果说明:只有近水面处声源激发的简正波满足相位一致的特性,利用此特性可分辨水面水下目标。仿真和海试结果证明:在海水声速随深度不变或缓变的水文环境下,该方法可以准确的分辨声源深度区间,并且在深度采样不充分的情况下仍然适用。      

消频散阵不变量距离估计方法

针对传统阵不变量方法在低信噪比和远距离测距性能差的问题,提出了消频散阵不变量测距方法。该方法首先对垂直阵接收信号进行消频散波束形成,消除频散影响,压缩脉冲宽度,提高简正波到达时间分辨率;然后,对得到的角度-时间谱采用反卷积处理提高简正波俯仰角度分辨率。通过消频散和反卷积处理,减小了简正波相对到达时间和俯仰角在角度-时间谱图中的聚焦范围,有利于准确的提取阵不变量和估计目标声源的距离。计算机仿真证明了该方法在低信噪比条件下的鲁棒性;2009年崂山湾实验数据处理结果表明:相比于传统阵不变量测距方法,该方法距离估计误差减小2.5%。      

识别与提取简正波的一种简化方法

本文提出了一种识别与提取浅海简正波的简化方法。海上实验时我们利用同一个水听器,在不同深度接收固定距离上的爆炸信号,实验室回放时爆炸声信号经高频(8kHz)与低频(<0.8kHz)带通滤波,并用高频信号作为低频信号时间采样的起点。理论与实验表明,这样得到的不同接收深度的低频信号相当于一个垂直水听器阵接收的结果。对不同接收深度的低频信号分别按简正波本征函数或按本征函数的符号加权相加,较好地分离出前二号简正波。     

浅海波导中简正波相干分量的奇异值分解提取方法

浅海波导中的简正波相干特性是水声学研究的重要对象之一。提出了一种不需任何先验信息即可从一定带宽声信号中分离、提取各简正波相干分量的方法。首先利用信号功率谱数据构造一个厄米特矩阵;然后对该矩阵作奇异值分解,所得诸奇异向量即分别惟一地对应了声场中某2号简正波的相干分量。推导证明了本文方法的基本原理,通过数值仿真和海上试验验证了其有效性,最后讨论了简正波相干分量提取结果在声源被动测距方面的应用。      

Pekeris声波导情况下海深不确定性对简正波群速度反演海底声速的影响研究

简正波群速度广泛应用于海底参数反演,海深不确定性对反演结果有较大影响.为了减小海深测量误差对反演结果的影响,本文通过理论分析和仿真计算对Pekeris声波导情况下正则简正波群速度随海深和海底声速的变化规律进行研究,结果表明当所选取的频率处于某号简正波的Airy频率附近时,该号简正波的群速度对海深变化不敏感,而比同频率的...