海洋声学层析研究现状与展望

海洋声层析是1979年美国科学家W.Munk等人提出的,通过测量传播时间等声传播信号有关参量反演声波所穿越的海洋特征,得到大面积海域中的海洋动力学状态及其变化的估计。声层析方法自提出以来受到各国的重视。在最初的20 a间,以全球测温计划(ATOC)为代表的一系列验证实验推动了声层析的理论研究、设备研制和应用。步入21世纪后,声层析与海洋动力学的数据同化、利用滑翔机等设备的移动声层析以及沿海声层析得到重视,并进行了相关的理论与实验研究。纳入成像旗下的声层析希尔伯特方法、有效低功耗的分布式传感网络声层析,以及被动声层析,或将成为声层析未来研究的重要方向。     

基于声传播时间的二维流场反演数值仿真研究

基于南海1998年夏季调查航次诊断计算的流函数场,选取越南以东偶极子发生海域,进行不同的声层析观测站位设置实验。模拟计算声线传播时间信息,然后应用基函数重建方法进行了流函数场的模拟反演研究,讨论了不同随机观测误差对反演结果的影响。研究结果表明该方法是可行的,在所选取的约833 km×833 km海域内,在观测海域外围配置19个声层析观测站位就能够很好地重构原流函数场,空间分辨率约为63.7 km,可以分辨模拟海域中尺度涡场结构,这是传统的基于海流计(CM)或声学多普勒剖面仪(ADCP)等观测方法所不能企及的。该观测技术和方法可以实际应用于近海大范围流场结构的遥感实时监测,为近海污染物等的扩散研究,海洋环境变化等提供实时观测流场资料。     

海洋声速起伏对声传播及定位精度影响分析

海洋中声速起伏导致水声信道发生变化,进而引起声线到达结构的变化,对水声传播及定位精度产生一定影响。为讨论这一效应,基于TDOA体制建立了考虑声线弯曲的水下目标无源定位模型,分析了声速起伏对水下声传播路径及传播时间的影响,进而研究了声速起伏对水下无源定位测量精度影响程度。结果表明:当水平传播距离较大时,声速剖面起伏对声传播路径及传播时间的影响更为显著;以典型四元阵为例,若基线长度为20 km,接收阵位于水下5 km处,在不考虑其它随机误差影响下,海洋声速起伏造成的声源定位误差量级在0.5 m以内。分析结果有助于更好地利用环境特征优化无源定位测量方案,可为高精度水下无源定位系统设计及精度评估提供依据。     

海洋模态在海洋水声学中的潜在应用前景

如同音分五律、光分七色一样,海洋中错综复杂的流速、声速剖面也可以分解成为数不多的经验正交海洋模态(empiricalorthogonaloceanmode)[1～5].以此为基础,20世纪80年代初在着名物理海洋学家Munk和Wunsch的倡导下,美国在大西洋实施了海洋声层析(oceanacoustictomography)实验.声层析技术最主要的潜力在于其观测的积分性质.每秒一次的声层析观测实质上是通过高速传播的声波对长距离内的物理量取积分,因此它能够在较大的时空尺度下求得活跃的中尺度涡旋场的平均值.     

海洋声学测温及声层析法

海洋声层析法作为检测海洋内部变化一有力手段，正面临着海洋声学大尺度观测新挑战。本文就海洋声传播的绝热近似；声传播时间的非线性偏移；声速剖面的线性及非线性反演等与声学大尺度观测相关的一些水声学问题的发展现状及存在问题等进行了综述性论述。文中还介绍了赫德岛预演实验等利用声层析法观测海洋内部变化的一些具体应用例     

浅海角度-时间灵敏度核特性研究

灵敏度核是声学观测量扰动与声速扰动之间的关系量,为探究浅海声波导中声场的扰动位置对声波到达时间、到达角度等声学观测量的影响程度,用格林函数一阶玻恩近似结合双波束形成的阵处理方法,推导得到角度-时间灵敏度核。对选取的本征声线进行研究,相关结果表明角度-时间灵敏度核包含了更多的空间属性,弥补了传统灵敏度核在声场扰动位置判断上的不足,为灵敏度核在海洋观测中实验站点布设优化及海洋环境参数反演等方面的应用提供了有力支撑。     

海洋内波对水声场的扰动

针对海洋内波对水声传播影响的问题，在简要引出内波方程，水声方程和内波解，射线理论之后，以水深2100m等Vaisala频率的全板造波内波解对双线性水声剖面情况计算了内波和内波对声场及声线传播的影响，结果表明，内波对声线传播的路径和时间的影响是不可忽略的。     

深海RAP下的水声信道特性与通信技术研究

可靠声路径(Reliable Acoustic Path,RAP)是深海声传播的重要通道之一,其受界面影响较小, 传播损失较低,可以传播到较远的距离,而且在临界深度以下,环境噪声较低;其次,可靠声路径有效避开了多途扩展现象,声线以结构稳定的直达声为主。在总结可靠声路径物理机理和声传播优势的基础上,对比分析了几种不同海洋参数条件下 RAP 声传播特性,然后采用射线模型仿真分析了 RAP 声信道内的接收声线结构,之后基于仿真的 RAP 信道进行了单载波通信性能的分析。仿真结果发现：在 RAP 声信道内,直达声能量高,传播损失低,声线结构稳定且多途扩展小,对环境变化不敏感,在 35 km 左右的中远程距离内具有很高的信噪比;相同仿真条件下,RAP 区域的误码率较同距离浅深度的接收低很多,而且 RAP 区域接收信号信噪比高出其他区域 10 dB 左右。该研究结果对于实现垂直方向上深海信息的跨域传输具有重要意义。     

海洋声层析的基本原理和应用

从射线声学和简正波声学的角度，概述了海洋声层析的基本理论，包括射线走时反演、简正波走时反演、简正波相位反演和简正波水平折射层析。海洋声层析以反演海水温度和流速为基础。还总结了声层析在海洋学研究中的应用。     

海洋锋现象及其对水声传播的影响

为了研究海洋锋对声传播的影响,借鉴黑潮引起的台湾海峡南部海洋锋的历史水文观测资料,提出并建立了适合描述台湾海峡南部海洋锋的数学模型及其声速表达式。通过与实测资料对比,建立的海洋锋模型能准确反映客观实际情况,表现出较好的效果。同时,在借鉴了前人研究经验的基础上,采用Argo实测资料,建立了台湾海峡南部海洋锋的数学模型及其声速表达式,利用MMPE水下声场模型进行了海洋声场数值模拟试验,对目标海区典型的声场结构进行了声线路径模拟和传播损失的计算仿真,并将实验结果通过与前人进行的实际大洋声场实验的结果比较,证实了本文的模拟结果是准确可信的,提高了水声数值模拟试验的准确有效性。     

海洋观测方法之研究

本文讨论了海洋观测技术的定义，厘清了其与海洋探测技术和海洋监测技术的关系，并在认识海洋观测数据本质的基础上，从技术性、实时性、经济性和适用性等4个方面，来讨论海洋观测方法。本文研究表明，抓着观测数据的本质保障观测数据的质量；观测手段特别是平台技术决定观测技术的实时性；实时性反映海洋观测任务的需要及观测技术的水平；经济性决定观测技术的选用；适用性进一步决定海洋观测技术的最佳形式，甚至衍生出新的观测技术。     

海水温盐深剖面测量技术综述

温盐深是反应海洋物理学特性的重要参数,是海洋水文观测的基本要素。CTD剖面仪(Conductivity-Temperature-Depth profiler)是进行海水温盐剖面观测的主要仪器,利用CTD剖面仪可精确测得水下不同深度上海水的温度和电导率参数,进而能够推算出海水盐度、密度、声速等相关信息,对于海洋经济开发、海上国防建设、海洋环境保护等都具有非常重要的意义。本文介绍了温盐深剖面测量技术的基本原理与发展现状,对几种典型的温盐深测量设备及各种海洋观测平台中搭载的CTD传感器进行了介绍,论述了CTD传感器的标定和测试技术,并对其发展趋势进行了分析。     

The coupled oceanographic–tomographic analysis and prediction system: A practical means for utilizing high frequency tomography in the world's oceans

Details are presented of a methodology that utilizes acoustic travel time information in an ocean circulation model. Recent developments of this model-oriented tomography are discussed, representing some significant improvements over earlier formulations. More accurate means of determining the arrival times of specific ray paths are detailed, along with a means of estimating possible errors in the calculated travel times. The assimilation of the observed arrival time information into an ocean model is achieved using a Kalman gain, and more advanced expressions for calculating the Kalman gain are presented. A formulation to account for errors in the stated positions of a source and receiver is also presented. It is shown that the methodology performs fairly well in reproducing observed travel time anomalies. However, the model-predicted anomalies along a specific ray path may not always track the observed anomalies for that path when assimilating multiple ray path data. Results indicate that additional work is required to determine a means of handling observed arrival time data without having prior knowledge of the magnitude of errors in the observations. Results from simulation experiments provide estimates of: (1) potential errors when the travel times for ray paths are only sampled at discreet intervals as opposed to continuously and (2) to what degree acoustic data can be expected to “correct” model-predicted fields.     

海洋声层析研究的两个热点问题

综述了目前海洋声层析研究的两个热点问题 ,归纳了用声学方法监测气候变化和反演内波两个领域所取得的研究进展 ,总结了研究过程中存在的问题     

Optimum design of the ocean acoustic tomography system for the Sea of Japan

An ocean acoustic tomography system covering the region of 800×1000 km with the spatial resolution of eddy-resolving scales has been designed on the basis of computer experiments using the hydrographic data collected in the Sea of Japan. The optimum number of acoustic sources required for 20 acoustic receivers was estimated as 13 by changing the source number. The spatial resolution for the optimum system was 41 km smaller than the dominant size of meso-scale eddies in the Sea of Japan. The effect of travel-time errors on tomographic maps is also quantified.