负跃层条件下浅海海底单参数反演技术

海底参数反演是获取海底声学特性一种经济高效的办法。近年来,课题组提出用小掠射角下海底反射损失随掠射角的变化率F_dB（dB·rad^-1）作为描述海底的单参数,建立了浅海均匀水层和负跃层水文条件下的海底单参数模型。负跃层单参数模型的建立,为海底单参数反演提供了新的设计思路。文章基于浅海负跃层海底单参数模型,设计海底单参数地声反演方法。首先对负跃层水文条件下浅海海底单参数模型进行简单的描述和介绍;然后在浅海负跃层单参数模型基础上,利用声传播损失对海底单参数进行反演;最后利用实验数据对反演方法的有效性进行了验证。     

浅海海底单参数模型分析与研究

介绍了单参数模型,提出以小掠射角下反射损失随掠射角的变化率Fd B作为描述海底性质的单参数,并分析研究了该海底单参数模型的适用性,分析得到,当频率不低于数十赫兹且海底沉积物类型属于高声速海底时,单参数模型可以用来描述海底性质。还研究了海水声速对于海底单参数模型描述水下声场的适用性的影响,结果表明,当海水声速剖面可以近似等效为均匀水层时,可用海底单参数模型对水下声场进行预报应用。     

浅海相干声场的单参数海底模型建构

海底反射性质在浅海声传播中起着决定性的影响。利用海底反射损失对掠射角的斜率可作为单个参数F dB来描述海底这一前提,对平面波入射液态半无限空间的情况进行推导,提出一种基于简单近似表示反射相位角关系的算法。将单参数F dB以及反射相变作为计算模型的边界条件输入参数,对浅海相干声场进行计算,将适用范围推广到复杂声速和水平变化情况。通过对三种类型海底进行仿真,比较基本参数海底模型及单参数海底模型计算所得传播损失曲线,验证了所提包含反射相变关系的单参数模型的有效性。     

浅海海底单参数快速反演模型研究

根据大量观测数据中小掠射角下反射损失随掠射角近似线性增长的规律,提出以反射损失随掠射角的变化率FdB为反演单参数。利用海底密度等基本参数拟合出单参数FdB,证实单参数假设合理且能反映海底性质。利用简正波理论推导了单参数对浅海平均声场结构的控制公式,确定各个过渡距离和最佳反演尺度。利用接收声信号距离和信号延时的关系,获得了波形衰减规律,为反演声信号中提取底质信息提供了依据。获得的结果证实了单参数反演是可行的,并为下一步的反演研究提供了支持。     

利用匹配场方法反演海底单参数

用海底反射损失对掠射角的斜率作为单个参数描述海底可以简化地声反演过程,快速获得海底的地声性质。基于单参数模型及其相干声场的反射相位近似关系,利用匹配场处理技术反演海底性质。通过Hamilton地声模型中的密度声速关系,同时获得海底的密度和声速值。对2001年中美东海联合实验(ASIAEX 2001)实验数据进行了反演,获得海底地声参数。最后利用反演结果进行传播损失预报及海底沉积物辨别,其效果证实了基于单参数海底模型反演方法的有效性及实用性。     

浅海负跃层平均混响强度的垂直结构

本文对浅海负跃层条件下平均远程海底混响强度进行了计算,并与实验结果进行了比较,计算公式与实验结果符合较好。实验与计算说明,在海面比较平静的情况下,浅海混响强度主要决定于海底的散射强度。当收、发合置于负跃层之上时,远程平均混响强度按t-5(t表示发射后的时间)变化:当收、发合置于负跃层之下层时,平均远程混响强度按t-2.5至t-3变化;当收、发铅直分置于负跃层之上、下时,混响强度是互易的。根据浅海负跃层混响的特点,提取了小掠射角海底反向散射强度。 一、引言 众所周知,混响级是声纳方程的一个重要参数,它对声纳性能预报具有重要意…     

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。     

基于深海声影区海底反射损失的地声参数反演方法

海底的声速、密度、衰减系数等地声参数,在声场预报、目标定位中十分重要。因地声参数原位测量和海底采样在深海中实施困难,需要寻找新的方法来获取地声参数。在深海声影区环境下,直达波会随着距离的增加而逐渐消失,一次反射波及多次反射波是对深海声影区声场起重要作用的多途信号。文章首先对声影区多途达到结构进行分析,利用多次比较法得到随掠射角变化的反射损失,并对海底地声参数进行反演,然后将反演的地声参数代入声场模型得到海底反射损失,将其与实验测量结果进行比较,结果吻合较好。并通过对反演过程的散点图和后验概率进行分析,证明了反演结果的可靠性。该方法可用于深海声影区的海底地声参数的反演。     

基于物理散射的单基地海底混响建模与仿真分析

分析了海底混响包络非瑞利化的原因,将基于物理过程的K分布混响模型和Jackson海底散射模型相结合,建立了基于物理散射的单基地海底混响仿真模型。将海底混响统计特性与声呐波束宽度、带宽、频率、掠射角等系统参数和散射体尺寸、散射强度、分布密度等环境参数联系起来,同时兼顾了海底混响的统计特性和物理形成机制,仿真结果验证了模型的有效性。     

平面波与层状多孔介质海底的反射和透射

针对典型的海底介质结构情况,研究了从海水入射到含有非固结沉积层的层状流体饱和多孔介质海底的平面波的反射和透射问题,分析了沉积层和基岩中纵、横波速度和衰减的频散变化特点,在沉积层厚度和频率变化时,对海水-海底界面上的位移势函数反射系数进行了计算和分析。研究结果表明：在沉积层厚度一定的情况下,较高频率时,沉积层对海水中声场的影响较大,而频率较低时,基岩对海水中声场的影响较大。在以不同的掠射角入射时,由于沉积层中质点的法向共振,广义位移势函数反射系数随频厚积的变化曲线会出现一系列的共振峰,随着掠射角的减小,共振峰个数减少,但共振峰的幅度会增加。     

基于环境噪声的浅海海底单参数反演

利用环境噪声反演浅海海底声学特性一直是学者们研究的热门课题之一,目前绝大多数的噪声场建模方法依赖于多维海底模型,而多维参数的求解过程加大了反演的复杂度。减少反演参数个数可以有效降低反演的复杂性,提高反演的速度,以此为目的开展了基于单个参数海底模型的噪声场建模研究,并计算得到了基于海底单参数的噪声场空间相干系数表达式。通过与传统模型的对比,验证了该计算模型的有效性。结合实验数据,利用该模型对实验海域进行了海底单参数反演,并结合海底反射临界角确定了实验海域的沉积物类型为粉砂质砂,该结论与文献记载相吻合。     

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。     

低频水声声压校准测试系统的设计

水声声压是声学测量中应用最广泛的参数，对声压的测量又是通过测量水听器的声压灵敏度来完成的。声学计量检定系统中对低频水声声压灵敏度的校准有多种方法，应用振动液柱法校准低频水听器的声压灵敏度是常用方法之一。伴随着新型器件、新材料和数据采集器的应用，笔者根据振动液柱法的数学模型，初步设计了一套测试系统。本文给出测试系统实现原理和系统框图，并对其不确定度进行了分析评定，同时给出测试系统能达到的技术指标。     

Empirical model for plasticity‐induced crack closure based on Kmax and ΔK

The mean stress has a significant effect on crack propagation life and must be included in prediction models. However, there is no consensus in the fatigue community regarding the dominant mechanism explaining the mean stress effect. The concept of crack closure has been widely used and several empirical models can be found in literature. The stress ratio, R, is usually the main parameter of these models, but present numerical results showed a significant influence of K_max. A new empirical model is therefore proposed here, dependent on K_max and ΔK, with four empirical constants. The model also includes the effect of material's yield stress, and two additional parameters were defined to account for stress state and crack closure parameter. A comparison was made with Kujawski's and Glinka's parameters, for a wide range of loading conditions. ΔK_eff lies between Kujawski's and Glinka's parameters, and some agreement is evident, although the concepts are quite different. The crack opening model was applied to literature results and was able to collapse da/dN–ΔK curves for different stress ratios to a single master curve.     

浅海信道有效声速估计及其在水声定位中的应用

提出了基于本征声线视在搜索的浅海信道有效声速估计方法。在给定海面海底及垂直声速分布条件下,该方法能快速准确地估计浅海信道中任意两点的有效声速以及有效声速空间分布物理图像。因该方法采用本征声线视在搜索思想,计算量大为减小,易于实际工程应用。随后探讨了其在长基线水声定位解算中的应用。海试与应用结果表明,该方法可以提高长基线定位系统对浅海信道复杂水文的适应能力。