典型浅海声场环境中的简正波估计

海洋环境的复杂性和多变性严重影响了水下信号处理系统的性能。若能在信号处理之前辨识出海洋环境参数,并将其融入信号处理框架中,则有希望提高信号处理器的性能,得到更好的滤波、检测、定位和跟踪效果。将海洋环境建模为高斯-马尔可夫模型,利用声速梯度数据和由Kraken模型得到的声压场数据,结合扩展的卡尔曼滤波器算法,实现了对简正波的估计。利用该模基处理方法,可以辨识出简正波的模函数和水平波数,并能估计出基阵所在位置的声压场。在两种典型浅海声场环境下进行的计算机仿真证明了算法的有效性。     

以简正波解为初始场的抛物方程算法应用于深海声传播预报

在深海中,环境参数不仅在深度上起伏变化,在水平方向上也会因内波、涡旋、锋面、洋流等现象而发生变化。对于深海声传播的预报,仍是一个值得进一步探讨的问题。简正波方法具有物理意义明确、但仅适用于水平方向环境参数不变的波导的特点,而抛物方程方法能够便捷地处理与深度、距离有关的声速、地形等环境,但其解缺乏清晰的物理意义。采用简正波解为抛物方程法的初始场,利用Ram随距离逐步递推的数值方法计算整个海域的声能量,计算存在涡旋等复杂海洋环境下的声传播特点。结果表明,该方法不仅可以计算各种环境条件下的各阶简正波的传播特点以及能量变化,而且便于深入地分析深海环境中各阶简正波的耦合特点与能量变化,计算效率大大提高且具有很高的准确性。可以作为浅海和深海中高、低频传播的通用模型。     

由矢量水听器阵列反演浅海地声参数

基于矢量水听器能够比传统的声压水听器提供更多的声场信息,文章提供了一种利用矢量水听器阵列（AVS）进行浅海地声参数反演的方法。首先,对声场矢量的传播规律进行了研究;其次,利用矢量匹配场（MFP）方法进行了海底声速的反演：最后利用声压和质点垂直振速的传播损失差反演了海底吸收。基于矢量水听器的海底参数反演方法主要具有下述优点：一是利用矢量匹配场反演海底声速能够有效减小参数估计误差：二是利用声场矢量传播损失差进行海底吸收反演能够排除信号源级起伏对反演的干扰。实验结果表明,基于矢量水听器阵列的海底参数反演能够很好的进行声场传播预报工作。     

浅海内波对环境噪声水平方向凹槽的影响

典型夏季海洋环境噪声垂直指向性水平方向经常出现一显著凹槽。采用三维声速场海洋环境噪声理论模型,分析了各阶简正波对垂直指向性的贡献,指出不同阶简正波的贡献不同,高阶简正波是形成水平方向凹槽的主因,低阶简正波起填补环凹槽的主要作用,无内波时海面噪声源激发低号简正波的能量较低,填补能力较差,水平凹槽显著;内波活动期,内波改变了声信号的传播路径,引起不同阶简正波耦合,低号简正波能量增强,其填补噪声水平凹槽的作用明显加强,高阶简正波能量减少,凹槽变浅。还探讨了凹槽填补程度与内波强度之间的关系,以及有内波时环境噪声垂直指向性随时间的变化。     

关于浅海沉积层对声场影响的讨论

一、引言 水声学通常将海底对声场产生巨大作用的海域称为浅海.在我国南海海域存在着一类比较特殊的浅海海域,如图1所示.它的海深大约2km,象深海一样存在着声道,海面处海水的声速一般比海底处的大.海底有一沉积层,沉积层下面是半无限基底.海面处的海水声速与沉积层的声速接近.在这类浅海中,海水表面附近的声场对海底参数的变化非常敏感.对于这一类的浅海声道,最有效的计算模型是简正波模型.目前流行的简正波模型非常多,每一种模型都有各自的优缺点.这类海域的声场计算需要尤其慎重,必须选择合适的简正波模型.本文首先讨论简正波模型的选择问题,然后利用数值模型的方法研究了沉积层的声学特性对声场的影响.     

浅海低频声场的水平纵向相关性

基于一次浅海声学实验数据,研究了浅海低频声场的水平纵向相关特性。利用简正波干涉理论,对实验结果中声场水平纵向相关的振荡结构与强烈起伏现象进行了分析与解释。声场水平纵向相关的振荡结构是由简正波干涉所致,该实验结果进一步验证了该现象在浅海低频条件下的普遍性。当实验中采用的爆炸声源的标称深度位于声场中某号有效简正波的一个波节附近,声源实际爆炸深度的较小变化引起该号与其它号有效简正波幅度比值的较大变化,从而在有效简正波号数较少的情况下引起了声场水平纵向相关的强烈起伏现象,该现象表明在一定条件下声源深度是浅海低频声场水平纵向相关的一个敏感参数。     

AEYFI 05实验‘温度-声简正波传播时间''起伏特性研究

处理分析AEYFI 05声学实验温度链和声传播数据,研究温度时-空间统计、相关特性及其声传播时间统计特性。分析表明1号声简正波的传播时间起伏的功率谱与温跃层附近温度时间序列的功率谱存在明显的相似：在高频区域f〉30cpd呈ω-β（β≌1.7-1.8）的幂次衰减,包含相干结构。应用简正波传播时间与声速起伏的对应关系式,给出了上述对应关系的理论解释。     

三维耦合简正波-抛物方程理论

引言 海洋中存在着非常复杂的海底地形、底质变化、以及声速剖面的三维变化.这些环境变化会对声传播产生强烈的影响,人们因此不得不考虑三维海洋环境中声场计算的问题.Abawi等[1]将耦合简正波理论和抛物方程方法结合起来,提出了耦合简正波-抛物方程(CMPE)理论.CMPE理论在垂直方向采用本地简正波分析,在水平与方位角方向采用抛物方程方法求解简正波幅度方程,可以充分发挥抛物方程法水平方向计算速度快的优点,并克服抛物方程在频率增高和海深增加时计算速度急剧下降的缺点.彭朝晖等[2]在此基础上,结合我国学者提出的广义相积分(WKBZ)理论[3]和波束位移射线简正波(BDRM)理论[4],提出了一个快速预报声在水平变化海洋环境中传播的数值方法.本文在文献[2]工作的基础上,将二维问题推广至三维(CMPE3D).     

底质坚实的浅海中的声传播

在离开Yucatar半岛的Campeche海堤处的浅海中做了一项实验,此项实验是为了测量简正波幅度函数和衰减系数而设计的。测量是在海堤的两个测位上进行的,该处水深约30米;下面是坚实的石灰石底,其中已测得声速为每秒1900米。所用脉冲连续波信号的频率是400赫,750赫和1500赫。利用海底液态模型而计算得到的简正波幅度函数理论值同测量值符合得很好。为了使所测得的简正波衰减系数同理论值相一致,需要假设该海底的切变速度是每秒钟1000米.此值低于水层中的最小声速,所以海底中传播切变波的产生是引起衰减的主要机制.在两个测位上测得的简正波衰减系数有着显著的差别,这可以用水层底部低速声道的深化来解释.     

空气声源激发的浅海声场的理论研究

研究了将空气中声速分布建模为Epstein分布,水层和海底均为均匀分布的三层介质模型的条件下,空气中点源激发的水下声场。既推导得到了声压场的形式解,通过数值分析,表明空气中点源激发浅水波导,在水层中形成的波导简正波具有实数本征值,可以远距离传播,称其为"水波"。空气层中的Epstein波导简正波在水层中为非均匀波,传播速度取决于空气中声速,称其为"水面波",并指出空气中声源运动产生的水面波多普勒频移大于水波多普勒频移。     

一种非分层海洋中的声线计算方法

在浅海环境中,声速剖面和海底深度在水平方向上的变化都会对声传播产生较大的影响。将声速剖面用前几阶经验正交函数来表示,在一定范围的海域各阶经验正交函数系数可以近似为随水平距离线性变化,提出了一种非分层海洋中的声线计算方法,可以计算到达接收水听器的本征声线和传播时间。该方法计算速度快,计算精度较高,可以用于海洋中的声速剖面快速反演。     

基于矢量水听器的南海海洋背景噪声测试

矢量声压振速联合处理建立在信号的声压和振速相位基础上,海洋环境边界影响将改变矢量声场声压振速的幅度和相位特性．首先根据南海环境条件结合水下目标辐射噪声测量,采用声场矢量简正波理论估算海面非相干偶极子噪声和水下点声源矢量强度随深度的变化,然后设计了可用于深海海域噪声测量的矢量水听器测试系统,获取了南海海域典型深度上的背景噪声矢量强度并进行了特性分析．结果表明：深海背景噪声谱级在500Hz以下基本上不随深度变化,在500Hz～3kHz频段浅深度背景噪声谱级略高于较深深度的背景噪声;振速垂直分量的背景噪声要小于声压和振速水平分量的噪声谱级．     

Bit error rate of a Gaussian beam propagating through biological tissue

ABSTRACT

The scintillation index and bit error rate (BER) of a Gaussian beam propagating in a weakly turbulent soft tissue are formulated and analysed numerically. The scintillation indices are plotted against half of the measured slope in the range of power-law scaling at different tissue parameters, such as the random variations in the refractive index of the tissue, outer scale of the tissue turbulence and the tissue length between the optical source and the detector. Moreover, BERs of Gaussian beams against the signal to noise ratio (SNR) are examined for different tissue parameters. Our graphical results show that the scintillation index and BER increase with larger outer scales, longer tissue lengths and larger random variations in the refractive index of the tissue. In comparison with the spherical wave propagation, it was found that Gaussian beam yields larger scintillation index and BER values.     

基于波恩近似的二维浅海声层析

目前的海洋声层析方法主要针对深海环境或水平不变浅海环境,对于水平剧变的二维浅海声层析问题仍未提出实用有效的方法。提出一种二维浅海声层析方法并讨论其理论可行性。其主要的思路是将一个水平变化的浅海环境等效为一个水平不变的背景环境叠加微弱的扰动,由波动方程推导出声速扰动与格林函数扰动之间的关系式,引用波恩近似解决两者之间的非线性问题,将反演过程简化为线性方程组的求解过程;后期针对该方法的局限性做进一步改进,包括引入迭代思路及使用一定的先验知识并提取经验正交函数(Empirical Orthogonal Function,EOF)。数值仿真实验说明该方法对局部的小幅度扰动甚至是孤立子内波的反演结果都具有较高的分辨率,初步验证了该方法的理论可行性。     

海水吸收对远距离水下声场计算的影响

低频声波在海水中短距离传播时,海水吸收对声场的影响几乎可以忽略.但是在实际传播中,传播距离可能达到数百甚至数千千米,此时海水吸收会对声场带来较大影响.在这种情况下,如果选用的水下声场计算程序忽略海水吸收,则远距离的声场计算结果会存在明显误差.分别比较了全反射理想波导和深海Munk声速剖面环境下几种常用声场计算模型的结果...     

浅海起伏海底环境下的声传播

起伏海底对浅海声传播有着极大影响。文章利用一次东海夏季水文数据,结合蒙特卡洛方法统计分析了浅海长距离起伏海底环境下的声场特性,并利用射线模型分析了海底起伏对声场不确定性影响的机理。结果表明,高频声波对海底起伏的变化更为敏感,传播损失的概率分布更为分散。负跃层环境下,当声源位于跃层下方时,起伏海底对位于跃层下方接收点的声传播影响更为明显。等温层环境下,起伏海底对声传播的影响相比于跃层环境影响更小。起伏海底的倾斜度越大,声传播损失越大。对于相同倾斜度的起伏海底,相对起伏的大小,即起伏海底高度与海深的比值,比起伏周期的变化对声传播的影响更大。     

轨道交通地下站台低频结构噪声预测及其传播特性研究

该研究在对地下车站站台噪声现场试验及分析的基础上,通过对站台结构的精细化模拟,建立适用于站台结构振动辐射噪声分析的声场有限元模型,对轨道交通列车荷载作用下站台内低频结构噪声进行预测,分析了站台空间内低频结构噪声的声场分布特性,并从声模态的角度揭示了低频噪声传播机理。研究结果表明:地下站台低频噪声在50 Hz~85 Hz内存在显著峰值,主要来源于站台板的结构振动;低频结构噪声在站台不同平面位置的声压级水平表现出显著波动性,声压级大小在68.6 dB~80.4 dB,波动范围为12 dB;站台声腔敏感共振频率对低频结构噪声的影响显著,会显著放大车站低频结构噪声,改变声腔的高度可有效改善低频结构噪声对乘客的影响。