浅海声速剖面自动分类方法研究

海洋中的声速剖面是影响水声设备效能的重要环境因素之一,声速剖面的自动分类和区划对海洋环境的应用意义重大.依据浅海30分方区按月统计声速剖面,通过归一化处理和Akima差值采样,建立了各方区按月归化后声速剖面的分层梯度样本集,并应用多种系统聚类算法分别对分层梯度样本集进行分析;计算各种算法在不同聚类数水平下聚类结果的总的类内离差和,依据总的类内离差和变化曲线拐点对应的聚类数目,结合分类结果确定浅海声速剖面最优聚类数目.对大量历史统计声速剖面数据的分析结果表明,该方法得到的聚类结果与人工经验分类结果吻合较好.     

模糊ISODATA聚类算法在声速剖面自动分类中的应用

依据中国海浅海区30′按月历史统计声速剖面数据,通过归一化处理和Akima差值采样得到梯度剖面,建立起各方区按月归化后的声速剖面分层梯度样本集,并采用模糊ISODATA聚类算法对声速剖面进行聚类分析.通过对分类结果和类内总方差和的分析表明,聚类参数m值在1.1～2.1之间,并以最远邻系统聚类法结果为初始类中心的模糊分类效果较好.应用该方法对海洋中的声速剖面进行自动分类和区划对海洋环境的战术应用意义重大.     

东太平洋秘鲁海盆海域夏季声速特点分析

通过对海洋六号船于2016年12月在东太平洋秘鲁海盆海域获取的10个全深度声速剖面进行分析研究,获取该海域的声速特征,最终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。参考Argo数据给出的3类剖面的平均声速结构,分析该海域的声速剖面属于热带型、亚热带南部型混合型。表面层平均厚度约50 m,50~800 m为跃变层,当水深大于800 m以后,声速与水深成线性相关,声速梯度稳定。通过与气象温度数据相对比,表层声速变化与温度成正比,符合表层声速受温度影响大的特点。     

西太平洋夏季三类声速环境下的会聚区特性比较

利用Argo剖面数据和水声学数值模型,分析了西太平洋夏季在热带海区(I型)、亚热带南部海区(II型)和亚热带北部海区(III型)三类典型声速环境下的会聚区特性。声场计算结果表明,声速环境的区域性差异及声源深度的变化对会聚区声场特性有明显影响。当声源深度为20m时,热带海区会聚区距离较远,第一会聚区约为65km,超出亚热带海区约5km;当声源深度为200m时,亚热带北部海区会聚区距离较远,第一会聚区约为60km,亚热带南部海区、热带海区依次递减约5km。I型和III型剖面在特定的声源深度条件下出现波导型声场,当声源位于表层时热带海区产生表面波导,当声源位于次表层时亚热带北部海区产生次表层波导,对于1kHz的声波,波导深度范围内的传播损失比波导深度以外高出10~20dB。     

声速剖面EOF表示的第一模态解析

为实现对声速剖面EOF表示后第一模态时间系数和空间函数变化规律的解析,提出了一种简化的声速剖面变化模型,即"拐点"深度值和声速值的变化;声速梯度的变化和表层海水温度周期性变化所引起的海水声速变化,通过将4种因素所引起的第一模态空间函数的变化规律与实际声速剖面簇第一模态空间函数的变化规律对比,分析引起实测声速剖面变化的主要因素,最后,分别用深海和浅海实测声速剖面数据对其进行验证。     

中国近海声速剖面的模态特征

利用WOA05数据集提供的气候态声速场数据,通过模糊C-均值聚类分析,得到了中国近海声速剖面模态特征的区域性分布和季节性变化。结果表明,中国近海的声速剖面结构可分为深海型(D型)、浅海型(S型)和过渡型(T型)三个基本类型。深海型剖面为"季节性跃层/正梯度+主跃层+深海声道+深海正梯度"结构,南海和菲律宾海因所属水系不同呈现出明显差异;浅海型剖面季节性变化强烈,冬季为正梯度或均匀型结构,其它季节为"混合层+季节性跃层+下均匀层"结构,负梯度强度与季节性跃层的变化有关,在夏季达到最强;过渡型剖面形态与邻近的深海型上层结构类似,但因受地形制约产生与深海型不同的声传播特征。海面太阳辐射、海洋环流、混合层以及水团配置的季节性变化导致的温盐场空间分布差异是造成不同海区、不同季节声场速剖面结构差异的根本原因。     

一种适用于深海长基线定位的自适应分层声线跟踪法

在深海定位中,声线传播距离长,声速剖面层数多,采用分层等梯度怕线跟踪法运算量大,会明显降低定位的计算效率。针对这一问题,提出了一种自适应分层声线跟踪法,根据声速梯度的变化情况对声速剖面数据进行自适应分层,保留主要声速层以减少运行时间。实验表明,该方法在保证定位精度的前提下显著地提高了计算效率。     

声速剖面EOF表示对多波束水深数据的影响研究

基于实测数据,将测区内声速剖面进行EOF表示,进而采用常梯度分层声线跟踪法对EOF表示的声速剖面和实测声速剖面进行比对,统计有效波束比。比对结果表明:采用EOF表示的声速剖面进行的水深数据改正能够满足多波束水深测量的精度指标要求,论证了采用EOF方法表示多波束勘测水深声速剖面场的有效性。     

基于分层EOF的深海声速剖面时变特征建模

针对目前局部海域小时间尺度声速场建模方法未顾及不同深度区间内声速变化规律的问题,本文根据实测深海声速剖面的统计特征,提出了声速剖面分层方法,并进一步基于经验正交函数（Empirical Orthogonal Function, EOF）提出了局部小时间尺度的声速剖面分层时变模型构建方法。利用南海实测全海深声速剖面数据,分析了分层EOF第一模态系数和等效平均声速的日变化特征,并比较了不同拟合模型的精度。最后,利用试验海区的温度和潮汐数据分析了声速剖面周期变化的影响因素。结果表明： ①声速剖面分层EOF第一模态系数及等效平均声速具有日周期变化特征,上层声速日周期变化特征不明显,中层声速日周期变化特征较明显,下层声速变化较小但仍具有日周期变化特征;②局部海域小时间尺度声速拟合应考虑长期变化项的影响;③试验海区声速剖面EOF第一模态系数变化与温度显著相关,提取的声速剖面时变特征与海区潮汐周期特征基本吻合。     

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。     

菲律宾海的声速剖面结构特征及季节性变化

应用Argo资料研究了菲律宾海的声速剖面结构特征。通过统计分析选取了合理的跃层标准，分析了主跃层、季节性跃层和表面正梯度层的区域性分布及季节性变化。结果表明，菲律宾海主要受赤道流系和北太平洋西边界流系的支配，其环流结构和水团配置对声场结构影响很大；主跃层的经向差异显著，但季节性变化较小，其平均位置由南向北逐渐加深，强度逐渐减弱；季节性跃层的分布及变化主要受混合层的季节性变化以及北部海区冬季温跃层通风过程的影响，夏季较强较厚，冬季较弱较薄；深海声道轴季节性变化较小，南极中层水和北太平洋中层水的温盐差异是其经向分布差异的主要原因。综合考虑海区声速结构区域性和季节性特征，将其归纳为6种典型结构，得出了各类声速剖面的模态特征及垂直结构参数的统计特征值。     

海水声速直接测量和间接测量结果分析

文中使用了2001～2003年问的海上调查的CTD和声速仪SVP数据,通过直接测量的声速与常用的三种利用CTD计算声速的经验公式所计算的声速剖面进行对比,并采用了相关运算和回归分析,结果表明:在三个经验公式中,Chen-Miller公式与实测声速吻合得最好;表明历史上大量的CTD资料(河口区除外)可直接用来换算声速剖面,进而用于声场预报。     

多波束测深系统最优声速公式的确定

本文对现有的7种声速经验公式，根据其不同的适用范围，不同的水文环境，计算出各自不同的声速和声速变率，并对这些数据进行统计分析，得出了适合不同水层的最优声速公式，该结论在浅水区被验证是正确的。     

Acoustic Ray Tracing Comparisons in the Context of Geodetic Precise off-shore Positioning Experiments

The GNSS-Acoustics (GNSS-A) method couples acoustics with GNSS to allow the precise localization of a seafloor reference in a global frame. This method can extend on-shore GNSS networks and allows the monitoring of hazardous oceanic tectonic phenomena. The goal of this study is to test the influence of both acoustics ray tracing techniques and spatial heterogeneities of acoustic wave speed on positioning accuracy. We test three different ray tracing methods: the eikonal method (3D sound speed field), the Snell-Descartes method (2D sound speed profile), and an equivalent sound speed method. We also compare the processing execution time. The eikonal method is compatible with the Snell-Descartes method (by up to 10 ppm in term of propagation time difference) but takes approximately a thousand times longer to run. We used the 3D eikonal ray tracing to characterize the influence of a lateral sound speed gradient on acoustic ray propagation and positioning accuracy. For a deep water (? 3,000 m) situation, frequent in subduction zones such as the Lesser Antilles, not accounting for lateral sound speed gradients can induce an error of up to 5 cm in the horizontal positioning of a seafloor transponder, even when the GNSS-A measurements are made over the barycenter of a seafloor transponder array.     

Inversion Method for Sound Velocity Profile of Eddy in Deep Ocean

The modal wave number tomography approach is used to obtain sound speed profile of water column in deep ocean. The approach consists of estimation of the local modal eigenvalues from complex pressure field and use of these data as input to modal perturbative inversion method for obtaining the local sound speed profile. The empirical orthonormal function (EOF) is applied to reduce the parameter search space. The ocean environment used for numerical simulations includes the Munk profile as the unperturbed background speed profile and a weak Gaussian eddy as the sound speed profile perturbation. The results of numerical simulations show the method is capable of monitoring the oceanic interior structure.     

Acoustic wave scattering from a rough seabed over a sediment layer with generalized-exponential density and inverse-square sound speed profiles

This paper considers acoustic plane wave scattering from a rough seabed on a transition sediment layer overlying an elastic sea basement. The transition sediment layer is assumed to be fluid-like, with density and sound speed distributions behaving as generalized-exponential and inverse-square functions, respectively. This specific class of density and sound speed profiles deserves special attentions not only because it is geologically realistic, but also renders analytical solutions to the Helmholtz equation, making it particularly useful in the study of ocean and seabed acoustics. Based upon a boundary perturbation approach, the computational algorithm for the spatial spectrum in terms of the power spectral density of the scattered field has been developed and implemented. The results have shown that, while the coherent field mainly depends upon the gross structure of the seabed roughness, e.g., RMS roughness, the scattered field is significantly affected by the details of the roughness distributions specialized by the roughness power spectrum and the spatial correlation length of the rough surface. The dependence of the power spectral density of the scattered field on the various types of sediment stratifications, including the constant and the k²-linear sound speed distributions, is also included in the analysis.     

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。     

改进型经验正交函数海洋声速剖面预报方法

鉴于深海温跃层以下往往声速值缺乏,声速剖面不完整的原因,提出一种声速剖面的预报方法:在传统经验正交函数预报法基础上,首先改进协方差矩阵的求解方法,将原始数据的空间信息和时间信息有效地融合到协方差矩阵中,通过由大量实测数据统计得出的时间函数的经验公式,得到合成剖面,将二者结合,把不完整剖面垂直向下延拓到海底,较为有效地解决了传统方法求解协方差矩阵和时间函数较粗糙的问题,给出了完整的海洋声速剖面的准确预报.实测数据检验结果表明,改进方法的预报精度比传统方法有了很大提高.