声速剖面EOF重构的实测数据采样深度研究

经验正交函数（experiential orthogonal functions,EOF）是重构声速剖面（sound speed profile,SSP）的一种有效方法,利用部分实测数据结合历史剖面资料可以重构当前位置的声速剖面。针对实测数据的采样深度难以确定这一问题,本文介绍了一种基于历史声速剖面资料的实测数据采样深度选取方法,根据EOF空间函数的方差贡献率确定数据量,进而采用EOF算法重构全海深声速剖面。实验结果表明：采用该方法得到的数据重构的声速剖面与实测声速剖面具有较好的一致性,基于常梯度声线跟踪法得到的水深数据能够满足0.25%倍水深限差,有效波束比达到了100%,为实际测量作业中声剖数据的采样深度提供了参考。     

联合XBT和WOA13模型盐度信息的深水走航声速准确确定

在走航式海洋调查测量中通过投放XBT仪器来获取海水声速剖面,存在由于缺乏实测盐度信息导致的缺陷,其对深水海域的海水声速测量影响尤甚,并进一步影响到海洋水深测量精度。对国际WOA13模型进行了解析及适用性评估,提出了联合XBT和WOA13模型中盐度信息的深水走航声速准确确定方法。实例结果表明,该模型可有效弥补XBT无实测盐度支持及自身探测深度不足的固有缺陷。多个声剖站的全深度声速推算值与实测值间的互差仅有-0.2~0.35 m/s。     

多波束测量声速剖面采样间隔优化选取

针对多波束测量声速剖面采样间隔合理选取问题,首先介绍了常声速分层声线跟踪法与常梯度分层声线跟踪法基本原理及实现方式,其次基于两种声线跟踪方法分析了声速剖面采样间隔对多波束测深的影响规律,并利用三次样条插值法对声速剖面进行了层化处理以获取不同采样间隔声剖数据,最后结合限差要求,对采样间隔进行了优化选取,实验结果表明,常声速分层声线跟踪法较常梯度分层声线跟踪法对声剖采样间隔更为敏感,在给定限差范围内合理确定采样间隔,既能保证测量的精度又能提高算法运行效率,分析结果对多波束测深数据采集质量的实时监控和实时声线跟踪具有一定指导作用。     

基于WOA13数据的南大西洋声波导诊断分析

应用WOA13季节平均数据和BELLHOP模型,在季节、声源频率等因素确定的情况下,在分析南大西洋1—3月声速场,划分声速剖面类型和海区的基础上,研究5 m深度声源的声波导情况。声速剖面类型Ⅰ和类型Ⅱ均可形成汇聚区声波导,首先应考虑表层声速值的影响,其次应考虑声道轴深度的影响,且总体上,汇聚区声波导跨度由低纬度向高纬度递减,并根据表层声速值和反转深度的不同,给出了汇聚区的跨度范围。声速剖面类型Ⅲ的声传播形式则为表面声波导。同时,分析了不同声速剖面类型在传播损失上的异同。     

西沙海槽海域声速特点分析

通过对西沙海槽海域实测的58个声速剖面进行分析研究,认为区内声速剖面具有典型的三层结构特征-表面层、中间跃变层以及深海恒温层。表面层普遍有声速稳定次层,平均厚度约18.6m,表层声速最大值一般出现在下午3点至4点之间,最小值则出现在早上6点至7点之间。声速极小值出现在跃变层与深海恒温层间的过渡水层,其深度最浅为830.7m,平均深度为1220m,但当水深大于1300m以后,声速与水深成线性相关,声速梯度稳定,平均为每百米1.34m/s。     

基于WOA18的西北太平洋第一、二岛链间声速特征分析

本文基于WOA18温盐剖面数据集,利用声速经验公式计算了西北太平洋第一、二岛链间海区的声速剖面,研究了声速特征信息的诊断方法。通过提取声跃层、声道轴等声速特征信息,分别对表面声速、声跃层、声道轴进行分析,统计表面声速、声跃层和声道轴在各个季节的分布情况,得到了研究海区不同声学要素的季节变化特征。结果表明,表面声速主要在1 520～1 540 m/s区间变化,等值线基本与纬线平行,呈现出自低纬向高纬递减的趋势,声速值随季节变化较大;声跃层平均位置在低纬海区和高纬海区的差异较大,大约在100～650 m区域,低纬海区的声跃层受季节变化影响小,高纬海区的声跃层受季节变化影响大;声道轴深度基本在800m以深区域,总体上呈现南北深、中间浅的分布态势且四季变化幅度较小。     

远海多波束水深测量中声速剖面获取方法研究

声速剖面正确与否直接影响多波束测深系统测量结果的精度和可靠性,为了获得准确可靠的多波束测深数据,必须努力获取正确的声速剖面数据,来对测深数据进行声速校正。为进一步解决如何高效、准确地获取深远海声速剖面问题,在介绍几种声速剖面获取方法及特点基础上,重点对比了几种方法在远海多波束水深测量中获取的声速剖面数据,并给出了声剖数据的质量检查方法和声剖获取的一般要求,可为同类测量工作提供参考。     

对马海流温盐锋的时空变化特征及其附近声场的初步分析

通过对WOA13数据库季节平均数据的分析依次得到锋区内0~1 000 m各层锋轴线的位置,对马海流锋轴线位置由表层的40°N附近随深度增加逐渐南移到39°N附近且位置的季节摆动幅度增大.利用绝对梯度方法对温度锋强度与盐度锋强度的水平分布及垂直变化进行了分析;对比了四季锋强度的差异以及差异比率,得到了不同深度不同季节锋强度强弱分布的规律.对比声速穿过锋线时的差异认为表面声速从南到北逐渐减小,锋轴线南北两侧声速差异主要集中在150 m以内,且随深度增加声速差异减小.此外,还运用BELLHOP模型对锋区内700 m以浅的声道特点以及声传播损失进行了简单分析.     

声速法判断溢油污染物的特征及动态研究

溢油不仅污染了海面,并伴随着水流的流动污染了海底沉淀.利用直接法和间接法同时测量溢油污染物的声速,通过声速平均差值判断溢油的位置及浸没深度,从而跟踪溢油的动态.根据外场试验总结得出溢油的特征及扩散情况:在海流和风流的作用下溢油不断扩散,随着溢油浓度的降低,声速降低,在相对窄的大陆架内溢油存留在10 m的水层内,并扩展到...     

基于WOA13数据的北大西洋声传播分析

应用WOA13季节平均数据和BELLHOP模型,在季节、声源频率、声源深度和掠射角等因素确定的情况下,分析北大西洋冬季(1-3月)声道轴深度、最小声速值、表层声速值的分布,通过仿真计算研究选用位置点5 m深度声源的声传播规律:反转深度随纬度升高而降低,低纬度海岭东西两侧差别不大,15°N以北为西侧大于东侧。55°N以南海区可形成汇聚区波导,海岭西侧的汇聚区跨度大于海岭东侧,有混合层时还存在一定强度的表面波导,汇聚区处5 m、100 m和250 m接收深度上的传播损失差异较小,增益为7～19 dB,55°N以北海区则为有焦散结构的表面波导。以北大西洋35°N为界,以南以汇聚区波导探测有利,以北以表面波导探测有利。     

一种提高深远海全深度声速剖面重构精度的方法

开展多波束水深测量应同步进行声速剖面探测。因海上作业条件恶劣、作业时间受限及设备性能局限等影响,在深远海海域常获取不到全深度的实测声速剖面。尽管利用温盐场模型可将声速剖面直接延拓至实地水深的最大深度,但这种气候态平均声速剖面与实际的声速剖面间存在不可控的系统性偏差,会给声速改正及水深测量成果带来质量隐患。给出了一种提高深远海全深度声速剖面重构精度的方法,即利用有效探测深度附近的实测温度盐度值,对大于有效探测深度的各水层的模型温度盐度值施加程度不一的约束控制。结果表明,经优化后全深度声速剖面的重构精度得到明显提高,其中2个XCTD站点声速剖面的互差SSPD分别由-2.5～1.0 m/s优化为0.0～1.0 m/s、0.0～2.6 m/s优化为-1.5～0.0 m/s; 2个CTD站点声速剖面的互差SSPD分别由-0.5～1.7 m/s优化为-0.4～0.3 m/s、-2.15～0.8 m/s优化为-1.4～0.8 m/s。     

Precise Positioning of Underwater Static Objects without Sound Speed Profile

A new method of positioning underwater static objects is presented based on Global Positioning System (GPS) acoustics. It adopts a model in which the ranging errors follow a quadratic relation with the travel time of acoustic signals. A least squares technique is used to estimate the effective sound speed. The precise location of an object can then be made. The simulation shows that the method is capable of determining the three-dimensional position with an accuracy of 5 cm in a water depth of 500 m. The operating time is respectively 5–10 minutes in 50–100 m depth and 20–30 minutes in 500 m depth.     

受控三轴应力-应变下沉积物声速与物理力学性质的关系

对南海某海域深度100～400 m的海底浅层（约2 m埋深范围）沉积物柱状样在接近海底水压力下进行三轴应变-声学同步测量,结果表明沉积物纵波声速有两个特征:（1）从应变过程开始到结束,沉积物纵波声速不断变化;（2）平均声速随着平均静弹性模量的增加,由大变小又由小变大,存在声速最小值。这些结果与海底浅表层沉积物的物理力学性质、围压、颗粒的结合状态改变有关。此外,沉积物动弹性模量和孔隙度呈良好的负相关性,这与孔隙度增大含水量增大有关;动弹性模量是静弹性模量的10～100倍,这主要与三轴应变试验的应变数量级与声波振动产生的应变数量级的差异大有关。采用本论文实验测量的数据分别建立了双复合参数-声速和孔隙度-声速经验公式,分析结果表明双复合参数-声速公式声速预报误差约是孔隙度-声速公式的1/4,表明双复合参数-声速公式更加有效。     

A Post-Processing Method for the Removal of Refraction Artifacts in Multibeam Bathymetry Data

Sound refraction artifacts are often present in multibeam swath bathymetry data. For a flat array, the artifacts are usually more serious in outer beams than in inner beams. In a 3D topographical mapping they appear as ridges that parallel the tracks of the vessel. To shorten the survey time, the outer beams should be utilized as often as possible. Therefore, the refraction errors should be removed. In this paper, we present a model of reduced sound speed profile that consists of three water layers. The sound speed of the two upper layers has a constant gradient, and the third layer has the same sound speed as the most bottom measured layer. The model parameters can be searched based on the principle of the minimum difference of depth between the overlap of two neighboring swaths. The horizontal position and depth of each beam can be accordingly recalculated using the model parameters. To avoid being trapped in local optimum, the initial search scope is limited according to assumed lunch angle and travel time in each subregion. The method is verified by comparing the simulated and real data.     

西北太平洋副热带模态水形成区声传播特性分析

利用Argo剖面数据和水声学数值模型,分析了西北太平洋副热带模态水(STMW)形成区因季节性环境差异所引起的水声传播变化特征。声场计算结果表明,STMW形成区域的声传播为近表层波导与会聚区的复合形式,其中会聚区终年存在,表面波导在秋、冬两季混合层加深的环境条件下出现,次表层波导在夏季STMW潜沉的环境条件下出现。上层海洋中两类不同形式的波导使表层和次表层的声能分布呈反相变化,波导内与波导外的声能差异可达10~15dB(声波频率为1 000Hz)。STMW的季节性变化还会引起会聚区的位置差异,具体情况与声源深度有关。声源在20m时,夏季会聚区距离最远,秋季、春季次之,冬季最近,夏季和冬季相差6.6km;声源在150m时,夏季会聚区距离缩短了3.1km,其他季节变化不大。     

黑潮流套脱落反气旋涡对声传播的影响研究

黑潮在冬季常以流套的方式入侵南海,并多伴随着反气旋涡的脱落,脱落的反气旋涡将黑潮高温、高盐水带入南海,影响南海东北部水文要素和声速场的空间分布,目前尚未有对黑潮流套脱落反气旋涡声学效应的研究。利用2009～2020年卫星高度计数据和再分析数据,在南海东北部选取了6个冬季黑潮流套脱落反气旋涡,研究了其水文和声场结构,并应用Bellhop高斯射线模型仿真给出了其对声传播的影响。结果表明:(1)6个黑潮脱落反气旋涡平均半径为110～135km,垂向深度可达1 000～1 200 m,最大旋转速度为0.4～0.6 m/s。反气旋涡中心暖水下沉,温度异常均为正异常,暖核位置位于100～250 m处,最大正异常达到2.5°C。中心盐度异常呈现负-正-负的三核结构。反气旋涡在100～900 m深度声速为正异常,最大正异常超过8 m/s,出现在400 m左右。(2)声波从涡外穿过涡旋和从涡内向外传播,当地形不会影响声线的反转时,会聚区的位置发生后移,后移的距离在5～10 km;当地形阻碍声线的反转时,声线与地形接触的位置不同,会聚区可能出现前移或后移,后移最大为29km,前移最大可达23km。(3)当...     

基于高分辨率浅剖与钻孔信息对比的金州湾海底声速的统计特征

声波在海底沉积物中的传播速度是一个重要参数，弄清海底沉积物中声速的变化规律具有极其重要的意义。以渤海金州湾海域为例，在进行畸变校正的基础上，基于高分辨率浅地层剖面与钻孔数据的对比分析，实现了全新世沉积层和基岩界面以上沉积层声速的准确反演，并采用统计学方法分析讨论了研究区内的声速特征和变化规律，结果表明，全新世沉积层平均声速的95%置信区间为1 449.60～1 655.72 m/s，平均值为1 560.34 m/s；基岩界面以上沉积层平均声速的95%置信区间为1 657.96～1 970.80 m/s，平均值为1 765.63 m/s；研究区内海底地层的声速与埋藏深度之间呈现明显的正线性相关关系，声速梯度为4.18 s?1。     

Simulations of Matched-Field Processing in a Deep-Water Pacific Environment

Conventional bearing estimation procedures employ planewave steering vectors as replicas of the true field and seek to resolve in angle by maximizing a power function representing the agreement between actual and replica fields. For vertical arrays in oceanic waveguides the received field depends on range and depth, and it is natural to replace the "look-direction" (theta) by a "look-position" (r, z). Thus an environmental model is constructed by specifying ocean depth, sound speed profile, bottom properties, etc., and a propagation model is employed to construct a replica of the field that would be received on the array for a particular source position. The usual estimators (e.g., Bartlett or maximum likelihood) are then used to gauge the agreement between actual and replica fields and the true source position is identified as that position where the agreement is best. The performance of this kind of matched-field processing is strongly affected by the environment. In particular, we demonstrate through simulations that for a deep-water Pacific environment dominated by waterborne paths, ambiguities or sidelobes are associated with convergence zones. In the absence of mismatch between replica and actual fields we find that a 16-element array performs extremely well in low-frequency regimes. Mismatch caused by uncertainties in phone positions, bottom parameters, ocean sound speed, surface and bottom roughness, etc., causes degradation in localization performance. The impact of some of these effects on conventional and maximum likelihood estimators is examined through simulation.     

The filtering and compressing of outer beams to multibeam bathymetric data

Some errors and noises are often present in multibeam swath bathymetric data. Echo detection error (EDE) is one of the main errors. It causes the depth error to become bigger in outer beams and looks like sound refraction. But depth errors due to EDEs have a trumpet-shaped appearance, instead of a curved appearance that is caused by the sound refraction errors. EDEs, including systematic acoustic signal detection errors and internal noises, cannot be removed during the correction of sound refraction. It causes depth inconsistencies between adjacent swaths and degrades precision of outer beams. Sometimes, the bathymetric errors caused by EDEs do not even meet the requirements of IHO (International Hydrographic Organization). Therefore, a post-processing method is presented to minimize the EDEs by filtering outliers and compressing outer beams of multibeam bathymetric data. The outliers caused by internal noises are removed by an automatic filter algorithm first. Then the outer beams are compressed to reduce systematic acoustic signal detection errors according to their depths, the calculated depth line and standard deviations (SDs). The automatic filter process is important for calculating the depth line. The selection of inner beams to calculate the average SD of beam depths is crucial to achieving compressing goals. The quality of final bathymetric data in outer beams can be improved by these steps. The method is verified by a field test.