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.     

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。     

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。     

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。     

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.     

一种新的声速剖面结构参数化方法

在Munk模型和GDEM模型的基础上,提出了一种新的声速剖面结构参数化模型,即分层声速剖面模型(LSSPM).模型用含9个参数的四层分段函数分别描述混合层、主跃层、深海声道层和深海等温层的声速结构,形式简明、直观.数值实验结果表明,LSSPM模型对声速剖面的拟合可达到较高的精度,且对于中国周边的深海和浅海区域有较好的适...     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于压强和深度的两种不同声速计算方法比较

首先描述了Del Grosso算法和C.C.Leroy算法计算海洋声速及其特点(貌似不通);然后利用美国国家海洋数据中心发布的WOA09数据,分别采用Del Grosso算法和C.C.Leroy算法计算西太平洋海域某点的海洋声速剖面,结果表明两种算法具有相同的个位数字精度。与Del Grosso算法相比,C.C.Leroy算法效率更高,不需要深度与压强的转换。     

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.     

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。     

Basis functions for shallow-water temperature profiles based on the internal-wave eigenmodes

The shallow-water temperature profile is typically parameterized using a few empirical orthogonal function(EOF)coefficients. However, when the experimental area is poorly known or highly variable, the adaptability of the EOFs will be significantly reduced. In this study, a new set of basis functions, generated by combining the internal-wave eigenmodes with the average temperature gradient, is developed for characterizing the temperature perturbations. Temperature profiles recorded by a thermisto...     

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.     

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。