水声学

声学的一个分支。它主要研究声波在水下的辐射、传播和接收,用以解决与水下目标探测和信息传输过程有关的声学问题。水声学的研究领域主要包括：新型水声换能器;水中非线性声学;水声场的时空结构（如信号场的相关、简正波场的分离和应用、数值声场预报和信道匹配等）;水声信号处理技术（如最佳时空处理、水声信号的参量估计等）;海洋中的噪声和混响背景、散射和起伏,目标反射和舰船辐射噪声;海洋媒质的声学特性（如沉积层和海底、海面、内波及湍流的声学特性）等水声学     

基于四阶累积量的被动测向声纳高分辨力算法研究

利用高阶累积量的阵列扩展和抑制高斯噪声特性,提出1种基于四阶累积量的逆波束形成算法,并通过滑动平均进一步改善了算法。仿真结果和实验数据表明:逆波束形成算法较常规波束形成方法在空间方位分辨力和噪声抑制能力上明显提高,可以更有效地应用于被动测向声纳中。     

基于反馈迭代和独立分量分析的多次波压制技术研究

随着海洋油气勘探的不断深入和勘探目标的日趋复杂化,如何有效的解决多次波的压制问题是目前海洋地震资料处理中的重点和难点。常规的多次波压制技术是基于输出信号能量最小准则进行匹配压制的,这一准则是基于二阶统计量实现的,不能很好的处理有效波和多次波非正交情况下的多次波压制。针对上述问题,本文将基于波动方程的反馈迭代方法与基于高阶统计量的独立分量分析法(ICA)结合起来实现自由表面多次波的压制。首先基于反馈迭代技术实现自由表面多次波的预测,然后基于高阶统计量的快速固定点寻优独立分量分析算法实现多次波和有效波的有效匹配,最终实现多次波的有效压制。资料试算结果表明,本文方法在处理非正交情况下多次波压制时,既能有效的保持有效波的能量,还能实现对于多次波,特别是中、深层多次波的良好压制。     

射线稳定性参数与波导不变量

基于简正波理论的波导不变量在声传播特性描述中已得到广泛应用,而当环境与距离无关或存在轻微扰动时,基于射线理论的声场特性可以用一个新的物理量—射线稳定性参数来描述。本文通过简正波干涉声场数值模拟,通过分析简正波相长干涉形成的能量包传播路径与射线传播路径相互关系,利用简正波水平干涉结构距离上的周期性与射线水平跨距相等的特点,采用简洁方式证明了射线稳定性参数与简正波波导不变量间的等价性,从而在射线和简正波理论中建立了一个新的联系。对远距离射线模型声传播仿真结果的分析表明,与射线传播时间相比,射线稳定性参数作为射线理论的一个新的参数,可有效用于描述声传播特性,并能够反映海洋环境变化,应用于海洋环境参数声学反演。     

尾流中悬浮拦截弹环境噪声特性研究

尾流自导鱼雷对水面舰艇构成严重威胁。 为了把悬浮拦截弹被动拦截方式从非尾流区域扩展到尾流区，拦截尾流自导鱼雷，需要研究尾流内噪声特点，分析出拦截弹在尾流区的环境噪声特性。 基于悬浮拦截弹对不同吨位舰船尾流噪声进行研究，结合高阶累积量从概率论的角度出发，计算了尾流噪声的斜度和峰度随尾流年龄的变化规律；噪声斜度判断噪声是否满足对称分布，峰度判断噪声是否为高斯信号。 将实测数据与仿真数据峰度和斜度进行比对，得出结论：舰船尾流噪声环境可以近似看作是高斯信号，服从对称分布，且该分布特性与舰船吨位不相关。     

浅海内波及声场起伏数值研究

为探讨声学方法监测(反演)海洋内波的可行性,分析ASIAEX2001亚洲海海洋声学实验定点温度链实验数据,结果表明：实验期间存在M2内潮波、周期10～30min非线性内波现象,并观测到双温跃层同相传播“双非线性内波”。分别对垂直和平行于内波传播方向传播声场进行了数值计算分析。垂直于内波传播方向的声传播计算结果表明：简正波波数时间演化函数的频谱与内波引起的声速剖面变化频谱基本一致;简正波系数(模值)时间演化函数的频谱与内波引起的声源位置处的声速演化函数的频谱基本一致;高阶简正波波数差随时间的变化要比低阶简正波波数差小约1个量级。平行于内波传播方向的声传播计算结果表明：内潮波主要导致相邻简正波间耦合;非线性内波包能够导致跨号甚至垮多号简正波间耦合。讨论了2种海洋内波声学监测方法。     

简正波耦合机理与(广义)射线-简正波转换

结合广义射线 简正波转换、声场强度干涉结构研究了简正波耦合机理。给出了 1种简正波前向耦合矩阵的近似表示形式 ;引入“介质虚像”技法和图解法 ,讨论了简正波耦合的直观物理图象。证明简正波耦合强弱由声场强度干涉结构和环境扰动所决定 ,并解释了一些文献中描述的现象。利用“介质虚像”技法 ,给出了时间反转镜技术原理的简明解释。     

基于窄带混合高斯噪声的最佳检测

论文首先研究高斯柯西卷积噪声模型和窄带混合高斯噪声模型用来对混响建模,前者主要用于仿真分析,而后者因其参数有明确物理意义且可通过样本序列估计得到,因此被用于海洋的工程实现.文章重点研究混合高斯噪声背景下确知信号的非高斯最佳检测器的构造,并对检测器进行了仿真.验证结果表明混合高斯噪声背景下确知信号的非高斯最佳检测器检测性能优于常规的匹配滤波器3～4.5 dB.     

Kraken海洋声学模型及其声传播与衰减的数值试验

针对射线、简正波、PE、FFP等传播模型的算法原理及其适用的海洋环境,建立了以Kraken声学模型计算软件为基础的海洋声场数值预报系统.应用该预报系统对4组典型的海洋声场进行了数值试验,结果表明:在相同的海面和海底边界条件下,声场分布是由声速剖面和声源位置决定的.在负梯度声场中,所有声线都折向海底,在极限声线外产生阴影区.声源位于声道轴附近的温跃层中会产生波导传播.用射线理论解释了上述现象的成因,指出了其实际应用价值.     

BDRM理论在双轴海洋声道中的应用

由于表面声道与深海声道间的耦合效应,声波在双轴海洋声道中的传播比较复杂,因此求解双轴海洋声道中的声场就比较困难。在 WKBZ 本征函数的基础上,推导出了参考界面相位修正的一致表达式,并将浅海声传播的波束位移射线简正波(BDRM)理论应用于计算双轴海洋声道中的声场,进行了数值模拟并与传统简正波方法进行比较,结果表明应用 BDRM 理论计算的传播损失具有很高的精度和速度,可以对双轴海洋声道内声传播问题进行分析和预报。     

基于BELLHOP 模型的宽带信号波形预报

为解决信号级声纳仿真系统的水声传输信道宽带信号波形预报问题,采用射线模型的基本原理,推导了基于射线的宽带水声信道响应函数.并在Pekeris环境条件下,分析比较了基于BELLHOP射线模型的时域宽带模型与基于BDRM模型的频域宽带模型波形预报结果.结果表明,水声信道具有典型的时域数字滤波器特征,其本质是对脉冲信号进行延迟、加权和求和,这种延迟求和会导致系统频域幅度响应函数呈现“梳状滤波器”形状.在一定条件下,射线模型与简正波模型具有同等计算精度,由于射线模型通过一次计算就能得到所有本征声线的幅度和延迟,相对于简正波模型来说,计算效率更高.同时利用射线模型,能够方便地选择接收特定角度出射的本征声线.     

耦合Galerkin简正波解的抛物方程方法水下声传播计算

研究水平变化的海洋环境下声传播的计算方法.把Galerkin方法的简正波解应用于耦合简正波抛物方程,可同时考虑海水和海底声场计算,对水平变化的海洋环境问题的数值计算表明,在包含海水和海底的声场计算中该方法的计算结果都具有较高的精度.     

Kraken声场建模下目标辐射噪声模拟技术研究

水面目标辐射噪声模拟技术是测试被动声呐系统、目标识别定向及水声软对抗的关键技术。通过对辐射噪声信号特性的描述及分析,建立了水面目标频域线谱及连续谱分量的数理仿真模型。针对水声信道影响因素,将Kraken简正波声场模型与信号本身特性有机结合。以1/3倍频程滤波带宽算法为基础,完成了对宽带FIR滤波器组的设计。采用现在应用广泛的GPU(Graphic Processing Unit)并行加速平台,实时实现了目标噪声模拟器整体架构,大大降低了系统硬件资源的消耗。通过对模拟器输出信号进行数理分析,证明了该模拟器能较好地实现水面目标的辐射噪声特性,具备良好的科研应用价值。     

中层冷水环境下的声场特性分析

中层冷水是出现在我国东海西北部和南黄海西部海区的一种特殊海洋现象,其分布规律及形成机制已有较清晰的认识,但这种现象引起的水声传播效应却尚不明确。应用KRAKEN简正波模型对1996-05一处实测中层冷水环境下的声场进行计算与分析,并与均匀声速环境下的声场进行比较,发现声波在冷水层中传播时在较强的陷获作用下能够形成波导型声场,使传播损失相对于常规环境明显减小,对于1kHz的声波2种声场的传播损失差异可达15~20dB。与深海波导不同的是,中层冷水环境引起的浅海波导是特定区域和季节条件下出现的一类特殊现象,其声场特性明显受到海面和海底制约,波导效应引起的声场能量变化与温跃层和逆温层的厚度以及梯度大小有关。     

深海海面目标单水听器被动测距方法与验证

基于射线理论分析了在深海情况下海面声源产生声场的频率-距离干涉结构,给出了影区内声场频率-距离干涉结构的近似理论表达式,分析得到影区内声场频域干涉周期随收发距离的增加而增大、随着接收水听器深度的增加而减小。因此由单水听器记录的声场干涉结构即可实现被动声源距离估计。在南海深海实验中观测到海面宽带噪声源在声场影区形成的声场干涉结构,对实验获得声场干涉结构的处理结果验证了深海声场影区干涉结构用于被动声源距离估计的有效性。与传统的匹配场被动定位方法相比,该方法不需要已知海底声学参数和大规模的拷贝场计算。     

任意阵列形状的欠定多目标方位估计

随着人类社会对海洋认识和探索的深入,对水下监测和探测设备提出了更高的要求,探测阵列模型和阵列信号处理算法决定了监测和探测设备的复杂度。 针对特定水下多目标定位平台的复杂环境,建立了一种任意空间阵列数学模型,介绍了四阶累积量算法,分析了阵列信号处理中四阶累积量的阵列扩展特性。 基于四阶累积量的 MUSIC 算法的空间谱分析,建立了任意阵列形状的欠自由度多目标方位估计的理论基础。 计算机仿真结果表明了算法的正确性和有效性。     

基于高阶累积量的自适应波束形成

常规波束形成器仅限于利用信号的二阶统计特性。作者采用高阶累积量估计期望信号的导向矢量 (Steering Vector) ,实现了一种基于高阶累积量的自适应波束形成器 (HCAB)。该波束形成器利用信号的更高阶统计特性 ,减少了对阵列流型的依赖 ,具有较好的容差性 ,能自动跟踪信号。数值模拟实验表明该波束形成器工作良好。     

单通道低功耗大容量海洋声信号测量仪的设计与实现

海洋环境噪声是海洋声场的背景场,通常被当作干扰项,许多国家纷纷投入力量,开展海洋环境噪声数据获取、分析及噪声场建模工作。针对海洋环境噪声的测量,同时为了满足设备在水下较长时间工作,设计了一种基于ARM芯片的海洋声信号高速数据采集系统,即单通道低功耗大容量海洋声信号测量仪,集成温度传感器、压力传感器和同步模块,具备定时和连续两种工作方式。采用ARM Cortex-M3微控制器LPC7168控制24位AD芯片ADS1271实现声信号采集,最高采样速率可达50 k,采集的AD数据以文件格式存储在SD卡(容量256 Gbyte)中。采用单片机PIC12F509作为值班电路,PIC12F509在控制系统工作时作为看门狗使用。经过实验室试验和湖试,验证系统工作稳定,数据采集存储正常,在消声水槽完成与DSG比测试验,通过对回放数据的分析,验证采集数据一致性较好。试验证明声信号测量仪是获取海洋环境噪声的重要设备。     

浅海有限面积源的噪声场空间相关特性研究

本文对有限面积噪声源产生的噪声场的空间相关特性作了讨论。分别研究了接收器处于源区域里面和外面的情形。对一浅海典型声速剖面和 Baltic海区的噪声场相关特性及噪声场强度进行了计算 ,并与无限大噪声源平面的噪声场特性作了比较。同时 ,为把连续谱考虑在内 ,引入一虚假深海底 ,用复模式和来近似计算分支割线的贡献。但当接收器远离源区域时 ,连续谱经过在下介质中的长程传播 ,衰减迅速 ,故其对噪声场的贡献可以忽略 ,而仅考虑离散简正波场的贡献。结果发现 ,有限面积源的噪声场结构无论是水平结构 ,还是垂直结构均是不均匀的 ,都依赖于接收场点的绝对位置。这与无限大噪声源平面所形成的噪声场的特性是不一样的     

水下信息感知系统及其关键技术

水下信息感知是指水下系统通过声、光、磁、电等传感器接收海洋环境和目标信号，经过信号处理，获得海洋环境和目标特征信息的过程。由于声波能在海洋中远距离传播，水下声场信息感知受到格外重视。水下信息感知的最终目的是发展大范围海洋水下监测系统，通过信息感知，掌握海洋环境变化的规律， 建设透明海洋，为人类开发利用海洋服务。