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。     

季节因素对大西洋声传播的影响分析

以分析季节对大西洋声传播的影响为研究目的,应用WOA13季节平均数据和Mackenzie声速经验公式,分析了大西洋声道轴和表层声速值的四季分布情况,再利用BELLHOP水声学数值模型,在设定的声源频率1 000 Hz和掠射角15°～-15°情况下,仿真计算选用位置点5 m深度声源的四季声传播情况,研究结果表明:按照实际的季节,大西洋会聚区波导的反转深度,冬季最小,春季增大,夏季最大,秋季再减小.在中低纬度的典型声速剖面下,夏季会聚区跨度最大,秋季和冬季递减,春季最小,第一会聚区的四季跨度差在1 km内.在高纬度的正梯度声速剖面下,夏季声传播距离最远,秋季减小,冬季最近,春季增大,且传播距离的差别较大.各变化规律均以四季循环更替的形式出现.     

北极冰下水平变化双声道波导声传播特性

针对北极部分海域中的双声道波导现象,研究了冰层覆盖下水平变化双声道波导中的声传播。使用微扰法推导并确定了粗糙下表面的冰层反射系数,结合Bellhop射线模型,计算并分析了实测海域中双声道波导水平变化时的声传播特性,并研究了声源深度、声源入射角以及声源频率对水平变化的双声道波导中声传播的影响规律。结果表明,在北极,深海声道中的声传播大多被限制在深海声道的上、下边缘之间;声源与水平变化的深海声道轴处于同一深度时声传播损失较小,当声源位于深海声道边界以外时,水平变化的声速剖面相比于水平不变时具有更低的声传播损失;入射角对双声道波导中声传播影响较小;随着声源频率的增加,表面声道中声传播损失也随之增大,但是对深海声道影响不明显,在相同频率下水平变化的声速剖面更利于声传播。     

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。     

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。     

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.     

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。     

声速垂直结构变化引起的汇聚区偏移

应用Munk模型和BELLHOP模式,对不同声速垂直结构类型条件下的汇聚区声传播特征进行了分析。结果表明,近表层水温、温跃层强度、温跃层厚度以及声道轴深度的变化将导致汇聚区位置发生不同程度的偏移。温跃层是上层海洋变化的主要体现,跃变强度的增加会使汇聚区向远离声源方向偏移。表层水温增加1℃可使汇聚区向远离声源方向偏移0.6～0.7km;温跃层强度增加0.005℃.m-1可将使汇聚区向远离声源方向偏移1.5～2.0km;温跃层厚度减小100m将使汇聚区向靠近声源方向偏移0.4～1.2km。声道轴位置变化则体现了温跃层和深海等温层的共同影响,两者作用相互抵消,使汇聚区偏移很小,声道轴加深100m将使汇聚区向靠近声源方向偏移约0.1km。     

联合WOA2018温盐模型及实测温盐资料重构全深度声速剖面(一):需求论证及技术方案

海洋环境中温盐度剖面在时间和空间上复杂多变,造成海水中声波传播的速度剖面也具有同样特点。对海洋测绘领域中获取全深度声速剖面的技术难点、制约精度因素和影响结果进行了分析,设计了利用历史温盐信息并结合不同类型设备观测的温盐资料重构全深度声速剖面的技术方案,提出了对工作深度临界点处的温盐模型值应施加约束和控制,以提高声速预测值的精度。     

基于Argo数据的吕宋海峡东部海域的会聚区特征分析

利用2010-2013年的Argo浮标观测资料,对吕宋海峡东部海域(19°~23°N,123~127°E)的会聚区特征进行综合分析。研究结果如下:(1)吕宋海峡东部海域4个季节表面的声速从大至小依次为夏季、秋季、春季和冬季,夏季最大为1 543.5m/s,冬季最小为1 533.4m/s;混合层深度从大到小依次为冬季、秋季、春季和夏季;(2)采用WOA13气候态数据对声速剖面进行深海延拓,获得全海深的声速剖面,分析4个季节的声道特征。声道轴深度和声速较为稳定,声道轴深度在1 000~1 040m之间,声道轴处的声速为1 482m/s,4个季节的平均声道厚度都超过4 500m,利于会聚区形成;(3)研究区较易发生会聚现象,发生会聚现象概率高于50%的占70.6%;会聚现象的发生概率季节变化明显,春季、冬季极易发生声场的会聚现象,夏季最小;(4)运用RAMGeo声场模型对研究区4个季节的声传播损失进行仿真,分析会聚区的季节变化特征。当声源深度100m,接收深度10m时,第一会聚区,离声源的距离在61~64km左右,夏季离声源最近,春、冬季较远;会聚区宽度上,夏季最宽为10km,春季最窄为4.6km;会聚区增益分布特点与会聚区宽度刚好相反,春季最大为14.6dB,夏季最小为8.5dB。     

基于WOA18的西北太平洋第一、二岛链间声速特征分析

本文基于WOA18温盐剖面数据集,利用声速经验公式计算了西北太平洋第一、二岛链间海区的声速剖面,研究了声速特征信息的诊断方法。通过提取声跃层、声道轴等声速特征信息,分别对表面声速、声跃层、声道轴进行分析,统计表面声速、声跃层和声道轴在各个季节的分布情况,得到了研究海区不同声学要素的季节变化特征。结果表明,表面声速主要在1 520～1 540 m/s区间变化,等值线基本与纬线平行,呈现出自低纬向高纬递减的趋势,声速值随季节变化较大;声跃层平均位置在低纬海区和高纬海区的差异较大,大约在100～650 m区域,低纬海区的声跃层受季节变化影响小,高纬海区的声跃层受季节变化影响大;声道轴深度基本在800m以深区域,总体上呈现南北深、中间浅的分布态势且四季变化幅度较小。     

浅海双跃层脉冲声传播

利用在东海测量的双跃层声速剖面和修改的单跃层声速剖面,数值模拟了2种跃层条件下不同收发深度声脉冲传播的波形。模拟结果表明,当声源或接收器位于上混合层时,信号波形在2种条件下都出现梳状多途结构。当声源和接收器都位于下混合层时,信号波形在2种条件下均相似。当声源位于中间均匀层时,信号波形在除上混合层以外的4层都有显著差异。用简正波的深度-简正波号域的幅度和相应的群速度解释了双跃层和单跃层声速剖面条件下信号波形特点以及异同的原因。     

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。     

夏季白令海声速剖面分布特征

利用中国第5次北极科学考察CTD数据,分析了白令海夏季声速剖面结构特征。对比Chen-Millero、Delgrosso、Wilson 3种声速计算方法,其中Chen-Millero方法计算的声速值居中。将白令海夏季声速剖面结构总结为5类。其中白令海盆区域,受次表层低声速水团影响,夏季声速从表层向下先减小后增大,双跃层结构明显,南北差异较大,主声跃层位于133~200 m,强度在0.38 S-1左右,季节跃层强度约为-0.77 S-1;海盆向陆架过渡区域,声速水平变化剧烈;白令海峡以南受不同性质海流的影响,西南部声速比东南部小、跃层强,强度分别为-2.4 S-1、-2.0 S-1;9月份陆架海区表层声速开始减小,从表层向下声速先减小后增大。     

西北太平洋中尺度涡合成结构及其对声传播的影响

中尺度涡普遍存在于大洋中并会对声传播产生影响。利用2000—2018年AVISO卫星高度计资料和Argo浮标资料,通过涡旋合成方法构建了西北太平洋黑潮延伸体和亲潮延伸体海域中尺度涡的多年平均三维结构,对其垂直温、盐异常和声速特征进行分析,并采用Bellhop射线声学模型对中尺度涡背景下的声传播进行了模拟仿真。结果表明：1)冷涡背景下,温度异常为负,盐度异常在上层为负,在下层为正,声速等值线抬升;暖涡背景下,温度异常为正,盐度异常在上层为正,在下层为负,声速等值线下沉。2)冷涡背景下,声传播会聚区向声源方向偏移,会聚区宽度缩小;暖涡背景下,会聚区远离声源,会聚区宽度增大。声会聚区宽度在黑潮延伸体海域较在亲潮延伸体海域更大,距离声源也更远。3)冷涡背景下,声传播的反转深度变浅,暖涡背景下,反转深度加深;在黑潮延伸体海域,反转深度总体随经度增大而变浅,在亲潮延伸体海域则相反,反转深度随经度增大而变深。     

南海西部中尺度暖涡环境下汇聚区声传播效应分析

应用高斯束射线模型对南海西部中尺度暖涡环境下的汇聚区声传播效应进行了分析.结果表明,暖涡引起的声速场环境变化和海底地形变化的双重效应使汇聚区声道出现了复杂的变异.当水深大于临界深度时,涡引起的环境变化起主要作用.对于暖涡结构,涡中心产生的汇聚区距离最远;声波从涡中心向外侧传播时,汇聚区距离逐渐变小;声波从涡外侧向中心传播时,汇聚区距离逐渐变大.当水深小于临界深度时,海底地形变化起主要作用,地形变浅使汇聚区声道出现"截断效应",声道中的能量迅速衰减.在暖涡西侧,声速场的水平非均匀性与陆坡式的地形对声传播起着相反的效应.与声速结构不随距离变化的情况相比,暖涡环境使陆坡地形临界深度附近的汇聚区声道结构发生了明显的变异.     

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.     

海洋声速起伏对声传播及定位精度影响分析

海洋中声速起伏导致水声信道发生变化,进而引起声线到达结构的变化,对水声传播及定位精度产生一定影响。为讨论这一效应,基于TDOA体制建立了考虑声线弯曲的水下目标无源定位模型,分析了声速起伏对水下声传播路径及传播时间的影响,进而研究了声速起伏对水下无源定位测量精度影响程度。结果表明:当水平传播距离较大时,声速剖面起伏对声传播路径及传播时间的影响更为显著;以典型四元阵为例,若基线长度为20 km,接收阵位于水下5 km处,在不考虑其它随机误差影响下,海洋声速起伏造成的声源定位误差量级在0.5 m以内。分析结果有助于更好地利用环境特征优化无源定位测量方案,可为高精度水下无源定位系统设计及精度评估提供依据。     

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。