全球海域最优声速计算模型的综合选定(二):精度分析及实际应用

基于经核实的多个常用声速计算模型开展了精度比对,提出了全球海域最优声速模型选定的基本要求,证明了Del Grosso、Chen-Millero、C.C.Leroy2008及Coppens式适用性更强。优化了现行海道测量规范中由水文资料计算声速改正数的方法,设计并开发了适用于全球海域水深测量的声速剖面计算及改正新软件。     

淡水湖泊声速算法改进

针对常见的海洋声速算法Delgrosso、Wilson、Chen-Millero、Mackenzie、Leroy对淡水湖泊计算不准的问题,利用水下滑翔机在千岛湖测量得到的温、盐、深与声速仪数据,采用最小二乘法研究改进Mackenzie声速算法,主要通过调整初始声速值、(S-A1)及深度二次方变化项这三项的计算系数来提高对淡水湖泊的声速计算精度。结果表明,改进算法对淡水湖泊声速计算效果较好,平均偏差控制在0.5m/s。     

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.     

三种常用声速算法的比较

在近几年的西太平洋调查中使用了SV Plus声速测量仪,共获取了46个站点的声速剖面,并基于同步观测的CTD数据,利用3种常用的声速算法计算了这些站点的声速剖面。所有这些站点的测深度均超过1500m,而且调查时间为3个不同的季节。CTD数据计算得到的声速剖面与声速测量仪器观测的声速剖面的比较表明,在三种算法中,Chen和Millero算法在积分平均意义上是最好的。当定点比较时,在水深大于800m或者小于200m的范围内,Wilson算法较好;在其他水深范围内,Chen和Millero的算法的计算结果和实际测量结果较为一致。     

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.     

一种等效声速梯度的迭代计算方法

等效声速剖面法将实际复杂的声速剖面用一个简单的声速剖面等效替代,在声线跟踪时可以提高计算效率。但在多波束测深系统归位计算中,由于地形的起伏,对每ping各个波束使用单一的等效声速剖面会影响计算精度。通过仿真实验分析了地形起伏对等效声速剖面法计算精度的影响,提出了一种等效声速迭代算法,通过实验发现,相比于常梯度声线跟踪算法,迭代算法可达到同等精度水平,并有更高的计算效率。     

深远海声速资料对比及校正方法研究

为准确获取深远海海洋声速资料,充分了解深水声速规律,选取了西太地区两个水深超过5000m的S1和S2站位的声速资料为研究对象,以SVP(声速剖面仪)实测资料为参考标准,通过对CTD资料利用Chen-Millero、Del-Grosso以及Wilson的3种经验公式计算的声速与SVP资料进行对比分析,得出Del-Grosso经验公式计算的声速误差最小。为进一步提高声速资料精度,对Del-Grosso公式进行修正,并利用另外3个站位数据进行验证,发现利用校正后的公式计算的声速资料精度明显提升,这为其他深远海区利用CTD或其他温盐深资料获取高精度声速资料提供参考。     

随机动态声速重构方法研究

海洋环境对声传播具有重要的影响,海洋温度、盐度、压力决定声速的大小,研究随机动态声速剖面的最优重构可以为声场模型的计算提供良好的基础,为舰艇行动提供最优的辅助决策.然而声速剖面的重构却是一个复杂的过程,涉及到大量的时空分布不规则的数据的计算和处理,提取出合理的时空间系数能够提高声速重构的精度.实验证明,利用合理的时空分...     

有效声速泰勒级数逼近的适用条件

在水下高精度声学定位和声纳水深测量中,需要高精度的有效声速参量。在实际中,精确计算有效声速需要声线跟踪算法,但计算成本较高。有效声速的泰勒级数逼近作为一种有效声速的近似逼近方法,可避免大量计算成本。讨论了有效声速泰勒级数逼近公式的不同阶数逼近情况,特别是给出了两类有效声速泰勒级数逼近公式的适用条件,以及他们随高度增大适用性和逼近精度的变化。研究表明,当声速剖面稀疏时,宜采用谐波平均声速下的泰勒级数改正公式;当高度角小于50°时,有效声速泰勒级数逼近精度出现明显的衰减。     

海洋声速剖面的自动聚类研究

以海区30'网格方区多年月平均统计的声速剖面作为原始数据集,提取声速剖面的表层、主跃层和深海等温层分层结构特征,把我国近海及其邻近海域预分为Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ类区。对Ⅱ,Ⅲ类区声速剖面,应用有序样本聚类算法分别进行表层分离。根据各类区的表层声速剖面数据,通过归一化处理和Akima差值采样得到梯度剖面,建立起按月归一化后的声速剖面分层梯度样本集,并应用系统聚类法和SOFM神经网络方法分别进行聚类分析,再根据分类结果并结合各类型海区的声学特点,得到各类型海区声速剖面的典型类型。通过对大量历史数据的分析结果表明,该方法为自动分类海洋声速剖面提供了一条有效路径,弥补了长期以来海洋声速剖面主要依靠人工分类的不足。     

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。     

An Improvement of Long Baseline System Using Particle Swarm Optimization to Optimize Effective Sound Speed

Abstract

In long baseline (LBL) positioning system, errors due to uncertain sound speed are the major facts to its positioning accuracy. In this study, the problem is solved by setting acoustic signal travels between the target and different hydrophones with different sound speed and using particle swarm optimization algorithm to solve the multi-parameter optimization problem to obtain the sound speeds. Presented simulation results show that the proposed algorithm can effectively improve the positioning accuracy of the LBL system compared to existing algorithms and its computational efficiency is high enough.     

Correction for effects of temperature and pressure on sound speed in shallow seafloor sediments

Abstract

Three types of sediments were selected to measure their sound speed under changing temperature and pressure conditions in laboratory. The effects of temperature and pressure on sound speed in sediments and their trends were analyzed. The results showed that, with increasing temperature and pressure, the sound speed exhibits an increasing trend in all selected sediments. For each sample, the ratio of the sound speed in sediments to that in seawater almost remained unchanged at different pressures and temperatures, with a maximum fluctuation of 1.09% for temperature dependence and 0.68% pressure dependence. Combining the analysis of experimental results and sound speed correction procedure given by Hamilton, specific correction formulas of sound speed for temperature and pressure were presented. The laboratory-measured sound speed in the experiment and the sound speed obtained in the South Yellow Sea were corrected to reduce the effects of temperature and pressure using the correction formulas. The results show that the correction formulas with constant sound speed ratio are effective for correcting the sound speed measurement errors caused by changes in temperature and pressure. As a further consideration, the effects of the fluctuation of sound speed ratio on sound speed correction were analyzed.     

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。     

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。     

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。