孤立内波对过渡海域声场干涉结构的影响分析

南海北部陆坡海域是孤立内波的活跃区,孤立内波在该海域能够引起水体环境较强烈的水平不均匀性,从而影响声场干涉结构。将描述宽带声信号强度干涉条纹斜率的波导不变量视为一种分布,能更准确地分析声场的距离*频率干涉结构。本文研究了孤立内波环境下过渡海域声场的距离*频率干涉结构,依据实测孤立内波海洋环境,得到孤立内波环境下随距离变化的声速剖面,利用抛物方程方法仿真过渡海域声场干涉结构。在此基础上,利用拉东变换和傅里叶变换结合的谱值分离方法在低信噪比环境下提取波导不变量分布。分析表明孤立内波环境下过渡海域的声场类影区、类会聚区的波导不变量取值更丰富。     

浅海波导不变量计算方法研究

浅海波导不变量的研究是近年来水声学中热门课题之一。波导不变量是表征浅海声场干涉条纹结构一个标量,可利用二维傅立叶变换的方法估计得到,但在试验数据处理过程中会出现多极值点情况以及距离-频率谱图难获取的问题。文中提出采用Gabor滤波提取单条条纹解决前一问题,采用统计方法解决后一问题。     

中尺度涡条件下的深海声场效应研究

通过构建中尺度涡的数学模型,利用射线-简正波-抛物方程(RMPE)声学模型进行传播损失计算,进而分析在深海声道、深海会聚区、海底反射3种传播模式下,中尺度涡对深海声效应的影响。数值仿真结果显示,暖涡对深海声道、会聚区产生下压效果,使会聚区水平距离变大,深海声道深度方向上变宽;冷涡使会聚区上抬,距离变短,对声场散射现象明显。研究结果表明,涡旋环境条件下,声场特征会产生显著变化。试验结果揭示了中尺度涡对深海声场效应的影响,对指导海上运用中尺度涡现象开展的科学研究、工程实践、军事运用具有积极的指导意义。     

深海声速剖面结构变化对会聚区偏移特性的影响分析

应用分层声速剖面模型(LSSPM)和BELLHOP高斯束声场计算模型,对深海声速剖面结构变化引起的会聚区偏移特性进行了分析.结果表明,声速值的整体变化对会聚区影响很小,而混合层、主跃层、深海等温层及声道轴的变化都会使会聚区位置出现不同程度的偏移.主跃层是上层海洋变化的主要体现,混合层变化对会聚区的影响也是通过改变主跃层的形态结构实现的,跃层强度的增大使会聚区向远离声源方向偏移.深海等温层的声速变化体现了深海水团的结构差异,与主跃层引起的会聚区偏移呈反相变化.声道轴附近的声速变化体现了不同类型中层水团侵入和混合的影响,所引起的会聚区偏移反映了声道轴上层与下层梯度变化的综合效应,声速最小值的增加使会聚区向远离声源方向偏移.     

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。     

浅海阵不变量和波导不变量关系的研究

阵不变量和波导不变量在浅海波导被动测距中应用广泛,对于浅海垂直阵阵不变量和波导不变量的关系,可利用简正波理论推导出阵不变量和波导不变量的关系式。利用2009年青岛崂山湾海试实验垂直阵数据提取的阵不变量,以及通过实验真实环境仿真得到的波导不变量,验证了上述关系式。阵不变量和波导不变量关系的明确,理论上可以改善阵不变量测距精度,进一步扩大两者的应用范围。     

深海主跃层环境对会聚区影响的数值分析

应用BELLHOP模式,对声速剖面的声跃层结构变化引起会聚区偏移特征进行了分析。结果表明,声速垂直结构的变化可导致会聚区位置出现不同程度的偏移:跃层强度增加0.01 s-1将使会聚区向远离声源方向偏移1.5~2.0km;跃层厚度增大50m将使会聚区向靠近声源方向偏移0.3~0.5km;跃层位置加深100m将使会聚区向远离声源方向偏移0.5~1.0km。在跃层的三个特征量中,跃层强度起主导作用。跃层强度变化引起的声线在海洋次表层的偏折差异,进而导致进入深海等温层的入射角差异,是使会聚区发生偏移的决定性因素。     

深海主跃层环境对会聚区影响的数值分析

应用BELLHOP模式,对声速剖面的声跃层结构变化引起会聚区偏移特征进行了分析。结果表明,声速垂直结构的变化可导致会聚区位置出现不同程度的偏移:跃层强度增加0.01 s-1将使会聚区向远离声源方向偏移1.5~2.0km;跃层厚度增大50m将使会聚区向靠近声源方向偏移0.3~0.5km;跃层位置加深100m将使会聚区向远离声源方向偏移0.5~1.0km。在跃层的三个特征量中,跃层强度起主导作用。跃层强度变化引起的声线在海洋次表层的偏折差异,进而导致进入深海等温层的入射角差异,是使会聚区发生偏移的决定性因素。     

台风“天秤”对两种深海声道下声传播的影响

将Argo浮标资料与卫星遥感再分析数据相结合,调用基于抛物方程算法的RAM(Range-dependent Acoustic Model)模型,研究了2012年第14号台风“天秤”对不完整深海声道(3 000 m)和完整深海声道(5 500 m)两种水深条件下声传播特性的影响。结果显示:台风对海水的影响局限于表层水体,具体为混合层加厚,混合层内温度梯度接近于零,声速在混合层内正梯度分布;混合层下方一定深度的水体增温,相应的声速也增大。声源在混合层内时,主要对海表层的声传播产生影响,两种水深条件下均出现表面波导声传播模式以及泄漏模式。声源在混合层以下时,不完整深海声道条件下台风使得会聚区向着声源方向靠近;完整深海声道条件下台风对会聚区的位置影响不明显,但声波的翻转深度增加近500 m。     

干涉谱法测量水下竖直运动目标轨迹

以被动测量竖直运动目标轨迹为目的,通过分析多途信号声压场模型,讨论了经过相干多途信道的目标辐射噪声在接收点产生相干干涉的现象。在目标水平距离已知的情形下,给出了干涉频率周期与目标深度的关系,提出了利用多途信道的相干干涉信息来解算目标深度轨迹的方法。时频分析可以得到干涉条纹、条纹粗细变化的规律与目标深度变化有关。通过对实测数据的分析,说明本方法的有效性。     

声跃层结构变化对深海汇聚区声传播的影响

根据射线理论建立了线性声速结构条件下的声跃层强度与深海汇聚区关系模型,用最小位移角讨论了海洋环境变化（如声跃层强度变化、声跃层位置变化及季节性跃层生消等）与汇聚区距离和宽度变化的相关性.结果表明,声跃层的结构变化对汇聚区特征影响很大.声跃层强度增大使汇聚区向远离声源的方向变化,跃层强度每增加0.01 s-1对应的汇聚区位移增大约为3.5～5.0 km.声跃层位置变化对汇聚区的影响小于声跃层强度,与两层结构的声速剖面相比,上行结构使汇聚区向靠近声源的方向变化,声跃层上升200 m对应的汇聚区位移减小约为1.0～1.5 km,声跃层越浅,汇聚区距离越近;下行结构使汇聚区向远离声源的方向变化,混合层加深200 m对应的汇聚区位移增大约为1.0～1.5 km,混合层越深,汇聚区距离越远.季节性跃层的生消使近表层有负梯度、零梯度和正梯度的变化.负梯度结构的变化规律与两层结构条件下的声跃层强度变化类似,但对汇聚区的影响程度相对较小;正梯度结构使汇聚区在近表层出现表面声道,梯度值的增强将使汇聚区向靠近声源的方向变化.     

深海汇聚区的焦散结构与声能分布特征

在深海汇聚区声场中,不同初始角的声线在传播过程中因折射程度差异形成特定的焦散结构。根据射线理论推导了线性剖面条件下用F算子表示的声线轨迹模型,并讨论了焦散结构与掠射角及声源-接收深度配置的变化关系。折射型焦散线由0°~5°的小角度声线构成,为波导结构;反射型焦散线由掠射角为±(5°~10°)的声线构成,为折线结构,且上行与下行声线的焦散线结构明显不同。应用BELLHOP模型分析得出了汇聚区增益与声源-接收深度条件的变化关系,并根据射线到达结构和焦散特征提出了一种确定汇聚区位置和范围的方法。     

基于WOA13数据的海区位置对北大西洋声波导影响分析

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,分10 m表面声源和250 m水下声源,分析北大西洋冬季东、西部海区的声波导情况。在给出不同海区位置的声速场和声波导具体信息的基础上,研究其规律:最小声速值和声道轴深度由直布罗陀海峡向外递减扩散,表层声速值和声速梯度由南向北递减,声跃层存在于低纬度海区,混合层在低纬度通常在100 m以内,在高纬度增加至100 m以上。10 m深度表面声源的汇聚区反转深度随纬度增加逐渐减少,西部海区深于东部海区;西部海区的汇聚区跨度大于东部海区,东西部跨度最大值出现在25°N和15°N,传播损失基本一致。250 m水下声源的汇聚区反转深度浅于10 m深度表面声源时,同样是西部海区大于东部海区,汇聚区跨度呈低-高-低规律,东西部跨度最大值出现在35°N和25°N;东部海区25°N以南、西部海区15°N以南,不同接收深度上的传播损失差异较大,以北差异较小。同时简要叙述了声影区对目标探测的影响。     

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。     

Enhanced Kalman Filter Algorithm Using the Invariance Principle

Target tracking in multistatic active sonar systems is often limited in shallow-water environments due to the high level of bottom reverberation that produces false detections. Past research has shown that these false alarms may be mitigated when complete knowledge of the environment is available for discrimination, but these methods are not robust to environmental uncertainty. Recent work has demonstrated the existence of a waveguide invariant for active sonar geometries. Since this parameter is independent of specifics of the environment, it may be used when the environment is poorly known. In this paper, the invariance extended Kalman filter (IEKF) is proposed as a new tracking algorithm that incorporates dynamic frequency information in the state vector and uses the invariance relation to improve tracker discrimination. IEKF performance is quantified with both simulated and experimental sonar data and results show that the IEKF tracks the target better than the conventional extended Kalman filter (CEKF) in the presence of false detections.      

El Ni(n)o phenomenon in simple ocean data assimilation data

To study how the air and sea interact with each other during El Nino/La Nina onsets, extended associate pattern analysis (EAPA) is adopted with the simple ocean data assimilation (SODA) data. The results show that as El Nino/La Nina' s parents their behaviors are quite different, there does not exist a relatively independent tropical atmosphere but does exist a relatively independent tropical Pacific Ocean because the air is heated from the bottom surface instead of the top surface and of much stronger baroclinic instability than the sea and has a very large inter-tropical convergence zone covering the most tropical Pacific Ocean. The idea that it is the wester burst and wind convergence, coming from middle latitudes directly that produce the seawater eastward movement and meridional convergence in the upper levels and result in the typical El Nino sea surface temperature warm signal is confirmed again.