孤立内波对过渡海域声场干涉结构的影响分析

南海北部陆坡海域是孤立内波的活跃区,孤立内波在该海域能够引起水体环境较强烈的水平不均匀性,从而影响声场干涉结构。将描述宽带声信号强度干涉条纹斜率的波导不变量视为一种分布,能更准确地分析声场的距离*频率干涉结构。本文研究了孤立内波环境下过渡海域声场的距离*频率干涉结构,依据实测孤立内波海洋环境,得到孤立内波环境下随距离变化的声速剖面,利用抛物方程方法仿真过渡海域声场干涉结构。在此基础上,利用拉东变换和傅里叶变换结合的谱值分离方法在低信噪比环境下提取波导不变量分布。分析表明孤立内波环境下过渡海域的声场类影区、类会聚区的波导不变量取值更丰富。     

混响环境中声场重构的实验研究

针对混响环境非自由声场中声源测量的问题,本文以消声水池和混响水槽为实验环境,以换能器辐射的声场为研究对象,以水听器阵列为测量前端,进行了混响环境非自由声场中声源对象的测量、分析和重构的实验研究。通过单层水听器阵列对非自由声场进行声压分布测量,并对测量结果作声波分离处理,将分离前后的声压分布和在消声水池中测量的声压分布进行比较,给出了声源频率为5 000 Hz和7 000 Hz时,声场重构的误差分析结果。结果表明,基于单层水听器阵列声压测量的声波分离方法,能够较精确地对混响环境中的声场进行重构。     

海面噪声场条件下声压与振速的空间互相关函数

介绍了海面噪声场条件下的声压与质点振速的时空相关函数。论证了海面噪声场垂直与水平方向噪声的各向异性程度。结果表明,在垂直于海平面的方向上,噪声场表现为各向异性;在与海面的水平方向上,噪声场表现为各向同性。结果表明,各向同性噪声场条件下基于矢量水听器被动检测的声纳系统目标水平方位角估计是基本可靠的,但垂直方位角的计算需要修正。     

浅海环境水声传播数据实测与仿真分析

搭建了一套水下录音记录系统,在复杂浅海环境进行了水声数据采集实验;对于水声采集数据进行了距离、频率谱分析,利用MIT开发的声学计算程序OASES针对声场进行了仿真分析。通过模拟结果和实测结果的比较,优化调整仿真程序的环境参数,分析发现影响声场分布的主要因素为沉积层压缩波声速与声源深度。通过这种方式,优化了仿真软件的环境参数,初步建立了比较准确的浅海水声环境仿真模型,取得了预期实验效果。     

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.     

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。     

测量海底声学参数的匹配场反演方法

在测量海底声学参数的实际海洋环境中，声源和接收位置的距离这两个参数常常无法准确测量，在这种情况下，需要采用匹配场反演方法来估计海底的声学参数。一般情况下，匹配场反演方法可以归纳为2个组成部分，即海洋声场的声学预报模型和搜索控制策略。文中采用受控制的穷举方法作为搜索控制策略，对1996年中美远黄海试验的实验数据进行了匹配场反演试验，用以测定海底参数，由此得到的海底声学参数与实验中测量的声场衰减进行对比，一致性很好。     

浅海波导不变量计算方法研究

浅海波导不变量的研究是近年来水声学中热门课题之一。波导不变量是表征浅海声场干涉条纹结构一个标量,可利用二维傅立叶变换的方法估计得到,但在试验数据处理过程中会出现多极值点情况以及距离-频率谱图难获取的问题。文中提出采用Gabor滤波提取单条条纹解决前一问题,采用统计方法解决后一问题。     

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。     

深海会聚区波导不变量特征研究及应用

为了解决深海会聚区目标及其运动态势难以判断的问题,在研究会聚区形成条件和其声场传播规律以及波导不变量理论的基础上,对典型深海环境不同位置的声强距离-频率分布图中的干涉条纹特征进行理论分析和仿真验证。结果表明,深海会聚区存在与其他区域不同的干涉条纹特征,其对应的波导不变量?值为负。本文提出了利用会聚区特有的干涉条纹特征,对会聚区目标及其运动态势进行初步判断的方法,仿真结果和试验数据表明,判断方法具有可行性和有效性。     

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。     

LOAPEX: The Long-Range Ocean Acoustic Propagation EXperiment

This paper provides an overview of the experimental goals and methods of the Long-range Ocean Acoustic Propagation EXperiment (LOAPEX), which took place in the northeast Pacific Ocean between September 10, 2004 and October 10, 2004. This experiment was designed to address a number of unresolved issues in long-range, deep-water acoustic propagation including the effect of ocean fluctuations such as internal waves on acoustic signal coherence, and the scattering of low-frequency sound, in particular, scattering into the deep acoustic shadow zone. Broadband acoustic transmissions centered near 75 Hz were made from various depths to a pair of vertical hydrophone arrays covering 3500 m of the water column, and to several bottom-mounted horizontal line arrays distributed throughout the northeast Pacific Ocean Basin. Path lengths varied from 50 km to several megameters. Beamformed receptions on the horizontal arrays contained 10–20-ms tidal signals, in agreement with a tidal model. Fifteen consecutive receptions on one of the vertical line arrays with a source range of 3200 km showed the potential for incoherent averaging. Finally, shadow zone receptions were observed on an ocean bottom seismometer at a depth of 5000 m from a source at 3200–250-km range.      

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。     

Hydroacoustic Field of a Point Source in an Inhomogeneous Marine Medium Containing a Cylindrical Body Floating on the Surface

We study the problem of determination of the sound field of a point harmonic source in the coastal zone and the influence of a cylindrical body floating above the source on the sound field formed in the marine medium. A numerical-analytic method is proposed for the determination of the velocity potential. According to this method, the unknown coefficients in the general solution of the problem are determined from the corresponding infinite system of linear algebraic equations by the method of reduction. We present results of numerical calculations for a special case of a waveguide whose parameters are typical of the coastal part of the sea and perform the comparative analysis of the data obtained as a result of variation of the indicated parameters.     

海洋混合层结构对表面声道中声传播特性的影响分析

利用WOA05气候态数据集和北黄海调查数据,应用BELLHOP高斯束射线模型分析了我国近海及西太平洋典型海区的混合层结构对表面声道中声传播特性的影响,结果表明:我国近海的混合层结构有显著的区域性和季节性变化;深海中主要表现为混合层深度变化,这种变化直接影响表面声道的空间分布,声波在混合层中的表面声道中传播与在混合层外的影区中传播产生的能量场差异较大;浅海中混合层深度与声速梯度的空间变化都很明显,声速梯度的增大和混合层的加深都能使更多声线以反转的形式传播,使表面声道声场增强。两组海上实验数据表明,在真实海洋中混合层可在短时间内出现生消变化或在局部海域出现非均匀分布。在浅海温跃层环境下,海-气边界特定的物理过程能够使混合层发生间歇性的变化,当表面声道出现时近表层声场明显增强。     

中尺度涡条件下的深海声场效应研究

通过构建中尺度涡的数学模型,利用射线-简正波-抛物方程(RMPE)声学模型进行传播损失计算,进而分析在深海声道、深海会聚区、海底反射3种传播模式下,中尺度涡对深海声效应的影响。数值仿真结果显示,暖涡对深海声道、会聚区产生下压效果,使会聚区水平距离变大,深海声道深度方向上变宽;冷涡使会聚区上抬,距离变短,对声场散射现象明显。研究结果表明,涡旋环境条件下,声场特征会产生显著变化。试验结果揭示了中尺度涡对深海声场效应的影响,对指导海上运用中尺度涡现象开展的科学研究、工程实践、军事运用具有积极的指导意义。     

EOF重构声速剖面对深水多波束的声速改正分析

声速误差是多波束水深地形测量主要误差源之一,通常采用现场声速剖面测量的方式加以改正,但在深远海多波束水深地形测量时,现场获取全深度的声速剖面并非易事。针对这一问题,利用东南印度洋海洋调查工作中采集到的17个站位的CTD数据,将所有站位声速剖面拓展到全深度,采用经验正交函数分析法(Empirical Orthogonal Functions,EOF)构建调查区声速剖面场,可获得声速剖面场内任意一点的声速值。然后通过EOF重构声速剖面场获得的声速值对测区内多波束水深地形数据进行改正,并与实测声速剖面对多波束水深地形数据的改正结果进行对比,结果表明,5000 m水深范围内2种声速改正结果相差很小,EOF重构法对深水多波束的声速改正满足水深测量的要求。     

Seasonality of foraminiferal flux in sediment traps at Chatham Rise,SW Pacific: implications for paleotemperature estimates

Analysis of sediment traps located either side of the Subtropical Front east of New Zealand reveals a strong association between water masses and foraminiferal assemblages. The composition and timing of foraminiferal productivity is distinct between waters north and south of the front, and these differences are also reflected in the assemblages of nearby core-tops. The sediment trap data indicate highly seasonal flux patterns in this region, so sedimentary records may represent flux during a particular season, rather than throughout the annual cycle. This pronounced seasonality has implications for our estimates of the annual temperature range based on faunal assemblages. This study shows that despite strong flux seasonality the annual sea-surface temperature (SST) range is reliably estimated from the sediment trap foraminiferal assemblages by the modern analog technique. The successful estimation of the annual SST range also indicates that the annual flux obtained from these sediment traps is representative of the longer term flux preserved in surface sediments. Core-top assemblages from this region can therefore be directly related to modern sea-surface conditions, providing an analogue for interpreting past environmental change from fossil assemblages.     

A circular passive synthetic array: an inverse problem approach

Based on the general concept of the inverse acoustic radiation problem, the temporal scanning of a stationary acoustic field along a closed contour is used to simplify the measurement approach for obtaining information on source directionality. The mathematical formulation is derived from a model of the two-dimensional acoustic field. The formulation of the inverse problem is also investigated to establish a methodology for improving the angular resolution of the array processing. The fundamental relationship between the sound sources and the circular passive synthetic array is explored, utilizing existing mathematical methods, in order to develop the processing algorithm. Other subjects of practical interest, such as directional ambiguity, effect of Doppler frequency, interference noise, and processing gain are discussed. It is concluded that the results can be used to establish guidelines for engineering design and deployment of this type of synthetic array, and to further exploit the new array signal processing technique