基于参考点之间水声传播的声速剖面反演

针对海洋声速剖面测量成本高、长期观测困难的难题,文章初步研究了利用水下固定参考点与水面已知位置之间的声信号传播时延来反演海水声速剖面的方法,提出了一种等声速分层模型下的声速剖面反演方法。将海水分层,对声信号传播过程进行建模,推导反演声速的非线性方程组;再利用牛顿迭代法,对非线性方程组进行求解。通过仿真和海试试验数据处理,分层数不同时,反演声速与实际声速之间的误差随着分层数的增加而变小,声速误差最小为0.80 m·s^-1左右,验证了反演方法的有效性与准确性。     

利用残缺样本声速重构声速剖面

用经验正交函数(experiential orthogonal functions,EOF)表示声速剖面受限于样本声速的测量深度,应用该方法重构声速剖面只能计算到样本中最浅剖面的深度。要想进行全海深声速剖面的重构,必须对残缺的样本声速进行合理地外延。为此,首先对样本中温度和盐度进行了外延,然后根据声速经验公式计算得到了全海深的样本声速。在此基础上,通过解多元方程组的办法求解经验正交函数系数达到了声速剖面重构的目的。结果表明,提出的声速剖面外延方法是有效的。另外,只要知道声速剖面变化较剧烈深度上的3个点的声速值就能重构声速剖面,对于文中的数据来说,重构的均方根误差可达到0.872 m/s;增加经验正交函数的阶数能提高重构精度,但5阶以上,阶数的继续增加对精度的提高将不会有显著的影响。     

利用字典学习方法的声速剖面反演研究

针对经验正交函数(Empirical Orthogonal Function,EOF)建模反演得到的声速剖面(Sound Speed Profile,SSP)估计值分辨率比较低的问题,文章采用字典学习方法中的K-奇异值分解(K-Singular Value Decomposition,K-SVD)算法生成声速剖面的非正...     

基于爆炸声传播时间的声速剖面反演

特征声线搜索以及传播时间测定的精确性是基于声传播时间的声速剖面反演的关键。在具有倾斜海底的三维海域,声线在海底的反射会导致水平偏转,给特征声线搜索和声传播时间计算带来了困难。为此,首先提出了一种三维空间特征声线搜索方法。通过对南海海洋环境反演实验数据的处理,分析了声线的水平偏转对声传播时间的影响,并用爆炸声传播时间作为代价函数,用量子粒子群算法作为优化算法进行了声速剖面反演。结果表明,海底坡度较大时,声线的水平偏转对声传播时间影响较大,考虑声线的水平偏转能有效地减小声传播时间计算的误差,进而使得声速剖面反演的精度得到显著提高。     

扩展经验正交函数沿海声层析的声速反演

为了实现沿岸海域声速的实时连续监测,针对目前单收发换能器沿海声层析系统的剖面反演声线不足和接收信号不稳定的问题,提出了双收发换能器沿海声层析（Double-transcever Coast Acoustical Tomography,DCAT）系统。通过计算机进行仿真模拟,结果表明DCAT系统声速反演精度提高了一个数量级,验证了该系统对存在问题的改善及其有效性。在声速反演过程中,通过使用扩展经验正交函数（Extension Empirical Orthogonal Function,EEOF）表示声速剖面,实现了剖面全水深的声速反演。DCAT系统的提出和EEOF方法的应用,为海上实时连续观测系统的建立及数据处理,提供了理论基础和有效的实施方法。     

少量声速剖面时浅海声传播不确定性研究

当只有少量的浅海实测声速剖面时,不能直接利用Monte Carlo法研究声传播的不确定性。基于经验正交函数法,提出扩展向量法对少量实测声速剖面进行扩展,产生与实测声速剖面统计量基本一致的扩展声速剖面,基于MonteCarlo法,利用扩展后的声速剖面计算了声传播损失概率密度分布。结果表明,扩展向量元素服从标准正态分布,扩展后的数据捕捉到了未能测量到、但可能存在的声速剖面,该方法为浅海环境下实测声速剖面数据较少时,研究声传播不确定性提供了一种新的途径。     

多波束测深中声速剖面的分层EOF自适应重构

在海水性质变化剧烈地区利用重构声速剖面进行多波束测深时,传统的经验正交函数(Empirical Orthogonal Functions,EOF)方法在阶次选取时未顾及声速浅水的复杂性和深水的平稳性的特点。针对传统EOF方法存在计算量大、精度低等问题,给出了一种声速剖面EOF重构中分层阶次的确定方法。根据常梯度声线跟踪计算深度,在满足0.25%倍水深限差的要求下,统计有效波束比,采用自适应方法确定出合理的阶次。实验结果表明,该方法相较于传统EOF重构声速剖面测深的阶次选取方法,降低了运算量,提高了精度。     

基于K-means聚类分析与单经验正交函数回归法的南海声速剖面估计方法研究

基于遥感参数和Argo历史数据对水体声速剖面(Sound Speed Profile, SSP)进行重构,对单经验正交函数回归(single Empirical Orthogonal Function-regression, sEOF-r)法在南海的适用性进行了研究。由于南海动力活动的复杂性,SSP扰动相对复杂,同时海域内SSP样本稀疏,相关的SSP统计学估计方法在南海区域还难以有效应用。文章基于K-means对样本进行聚类分析,讨论南海海域正交经验函数模态的一致性。通过扩大重构实验网格解决样本稀疏的问题。利用经典的sEOF-r对南海SSP进行反演,对重构SSP的误差分析说明了该方法在南海海域应用的有效性。SSP重构的均方根误差为2.341 1 m·s^-1,较大误差主要出现在深度40～200 m,其原因是海域内混合层深度发生变化。实验证明在南海区域内利用遥感参数可以有效地估计SSP。     

基于声压反射系数幅度谱匹配分析的薄层厚度和超声纵波声速双参数反演EI北大核心CSCD

针对薄层材料超声测厚过程中回波信号混叠、超声纵波声速未知导致薄层厚度无法测量的问题,提出一种基于声压反射系数幅度谱（Ultrasonic Reflection Coefficient Amplitude Spectrum,URCAS）匹配分析技术同时测量薄层厚度和超声纵波声速的方法。采用相关系数法对薄层试样实测声压反射系数幅度谱和理论声压反射系数幅度谱在超声检测有效频带范围内逐一进行匹配分析,通过反演计算得到相关系数最大值点对应的超声检测参数,最终实现薄层厚度和超声纵波声速的同时表征。利用该方法对铝合金基体上的雷达吸波涂层（Radar Absorbing Coatings,RAC）进行实验测试及信号分析。结果表明：该方法可以有效实现混叠信号中超声特征参量的提取,反演得到吸波涂层厚度与千分尺测量厚度间相对误差为2.53%-3.72%、纵波声速测量相对误差为2.51%-3.75%。     

空气中风和声速剖面对空气声透射入水影响

在研究空气声源激发的水下声场时,通常假定空气为静止、均匀半空间,而没有考虑空气中实际声传播条件(风和声速剖面)的影响。在基于传播矩阵的快速场模型基础上,可得出计算运动介质中声传播的二维快速场模型FFP2DM,和远场近似条件下的一维快速场模型FFP1DM。用这两个模型,对空气中风和声速剖面对空气声透射入水的影响进行研究。结果表明:空气中风速剖面和声速剖面对空气中声传播有很大影响,但对于透射进入水中的声波影响很小。