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。     

声速不均匀修正对水声定位系统测距精度的影响

已知动目标水声定位系统的定位误差由测距误差决定。在高精度水声定位系统中测距误差常为0.01m量级。这类系统对于由声速不均匀和声线弯曲引入的斜距误差常采用(全程)平均声速修正,但这种修正仍保留了一定的剩余误差,对此应予认真考虑。为修正声速不均匀和声线弯曲,本文提出采用数值计算二分法解超越方程,按一定精度计算斜距的方法。 实例计算表明,本文的计算方法与程序均正确;要使声速不均匀和声线弯曲计算满足高精度测距要求(小于0.01m),方程根的精度应取为E_p=10~(-4)(°)。对大量不同声速分布斜距的计算表明,当斜距较大时,在进行平均声速修正后保留的剩余误差远大于测距误差。本法可满足高精度定位要求,但有一定的计算量。     

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。     

负梯度声速下特征声线与传播时间快速求解方法

求解特征声线最直接的方法是采用"扫描-插值-迭代"的声线跟踪法,过程较复杂,计算速度较慢。将负梯度声速环境下特征声线的起始掠射角表示为声速、海水深度、声源与接收点相对位置的方程,通过采用量子粒子群算法求解方程直接获得掠射角,进而确定特征声线和传播时间。与声线跟踪法相比,所提出的方法由于不存在数值累计误差和角度插值误差,因此精度更高,另外速度也更快,适合浅海负梯度环境下特征声线与传播时间的快速求解。     

几种沉积层参数对声线到达结构的影响

本文基于Bellhop声线模型研究了沉积层密度、声速、传播损失系数等几种主要参数对声线到达结构的影响。采用反射系数描述声线与沉积层的相互作用,仿真研究了声线到达结构随沉积层参数变化的关系。结果表明：在水中的声速剖面先验已知的条件下,几种主要沉积层参数值在一定范围内改变时,对声线到达结构的影响较小。     

超声骨密度仪声速测量的不确定度评定

超声骨密度仪校准结果的不确定度评定,主要内容就是评定声速测量的不确定度。本文分析了影响超声骨密度仪声速测量值的不确定度因素,主要包括:测量重复性、温度误差对测量声速的影响、模体声速引入的误差,进而引入这些因素对超声骨密度仪声速测量进行不确定度评定,为超声骨密度仪的校准提供参考依据。     

测量海底沉积层声速的射线参数法

Ｂｒｙａｎ提出的测量海底沉积层连的射线参数法可以推广到平行倾斜情况下使用。本文给出了计算地层声速和厚度的表达式，并且对于在实用中一些需要考虑的问题（如地层回波的数据处理，由射线参数和地层倾斜角的不确定性引起的声速测量误差等）作了分析，从而为测量系统的设计提供了依据。     

用PC机构成的声线轨迹仪

本文简述了用普通的PC机构成声速梯度仪和声线轨迹仪的原理和方法。文中所用的模型和算法,克服了常规分层模型在分界面处声速梯度不连续所带来的缺点,计算精度较高。它的性能可和专用声线勃迹仪媲美,而造价却低得多。     

海水声速测量方法及其应用

在水声研究和海洋工程中,广泛地需要测量海水声速。纵观水声技术的发展历史,声速及其测量方法和手段一直是水声研究的基本问题。从水下声传播速度的物理特性出发,介绍了典型海洋声速剖面的特征,以声速剖面对声传播的影响为关注对象,示例说明了其对声纳最佳探测深度及声纳探测距离的影响,以及声速测量在大洋测温中的应用。在声速剖面测量方法方面,介绍总结了国内外的声速测量设备的原理、技术发展趋势以及主要产品。最后给出了海洋声速剖面测量的发展展望。     

InSAS干涉测深系统误差分析

对由海水折射引起的InSAS干涉测深误差进行了分析。在分析InSAS测深原理的基础上,采用射线声学理论分析了两种典型的中国海浅海声速剖面条件下,距离深度比对测深精度的影响。结果表明,对于典型的中国海浅海声速剖面,在水深为40m的情况下,当距离深度比达到5～10倍时,InSAS干涉测深系统将带来5～20m的深度测量误差和1～3m的水平距离误差。因此,为提高InSAS干涉测深系统精度,必须要进行声速补偿。     

声速经验公式的适用范围分析

声速经验公式是海水中温度、盐度和静压力的函数,通过对直接测量声速和间接测量声速的分析,并应用近年来收集的南海声速剖面仪SVP和CTD数据,对九种声速经验公式计算的声速与直接测量声速的差异进行了分析,得出了声速经验公式的计算差异范围,结果表明各个声速经验公式各有优势,不同的公式适用的范围也不一样,并给出了在不同的范围内应用何种声速经验公式能获得较高精度的结论。     

分层海洋介质中声线轨迹的改进算法

在用声线模型计算水声传播的过程中。海面和海底的存在使得声线的计算变得复杂。对于分层海洋介质,且海底是平面的情况,文中将海洋介质按照声速剖面对称的规律分别向上向下无限扩展,先在假设的扩展了的海洋环境中来计算声线轨迹,再将海深以外的声线按照某种规律换算到海深范围之内即可,在提高计算效率的同时还保证了结果的准确性。     

基于最小方差的声线跟踪自适应分层算法

针对高精度水声定位系统中定位精度与计算量相互矛盾的问题,提出了基于最小方差的声线跟踪自适应分层算法。该算法根据声速在有限范围内规律变化的特点,对声速剖面全局搜索,通过各段声速散点到其拟合直线的总方差表示拟切分段与原始声速剖面的差别,利用最大差别找出最佳切分点,保留原始声速剖面特征,实现对声速剖面的简化。实验结果表明,该算法在保证定位精度的同时能够提高计算效率,具有良好的工程应用价值。     

倾斜海底反射时声线水平偏转问题研究

三维浅海环境下,声线在倾斜海底反射时,会在水平方向上发生偏转。在远距离传播问题中,由于累积效应,接收声线的方位角与发射声线产生较大的偏差。若忽略不计,将会给声源定向等工作带来较大的误差。因此,研究声线在倾斜海底反射时的水平偏转问题,并总结其规律具有重要意义。采用射线声学的方法系统地研究了不同参数情况下倾斜海底声线水平偏转的问题,得到了在海底变化较缓时的近似公式,并进行了数值仿真分析。结果表明,声线的水平偏转的大小和方向由海底深度梯度和入射声线方位角与掠射角共同决定。     

抽油井套管内声速变化规律分析

根据大量现场测量数据,计算出多口井的前十节油管相应区段内的平均声速,然后采用曲线拟合的方法,得到了反映抽油井套管内声速变化规律的拟合公式,并利用该地区的前30个接箍回波均清晰可辨的某口井的实测数据进行了验证,发现该公式较为吻合,利用该公式可计算出抽油井套管内任意位置处的声速,结果还表明,对于某一地区而言,该地区的套管内的声速的变化规律基本一致,从而为该地区抽油井液位测量中的声速的准确确定提供了可能,进而可提高抽油井液位的测量的准确度,并且井口声速基本反映抽油井套管内声速大小水平。此外,还讨论了不同抽油井的声速分布规律。     

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。     

利用临界折射纵波检测钢轨应力

重点叙述了利用临界折射纵波(critically refracted longitudinal wave(LCR波)来检测钢轨应力的实验办法。该方法如果用于实际测量，可以提高钢轨检测的工作效率，节约存铁路维护上的开支，加速实现铁路的高效运营。文中详细介绍了整套实验系统以及实验数据采集．并根据应力与声速的线性关系进行分析，其实验误差小于5％。该结果证明了超声波测量钢轨应力的可行性。     

一种声速-位置联合估计的水声导航定位方法

长基线水声导航定位方法利用各信标到水下航行器的信号传播时间和等效声速来估计水下航行器的位置,但各信标到水下航行器的等效声速估计存在误差,导致定位误差较大,且随着导航距离的增加,定位误差呈增长趋势。针对这一问题,提出了一种基于粒子滤波的水声导航定位方法,将等效声速和水下航行器的位置作为估计状态参量,通过测量信标信号到水下航行器的传播时间,建立粒子滤波模型对其位置进行估计,准确地估计并跟踪等效声速变化,从而提高定位精度,减小估计误差。仿真结果表明,在水下航行器初始位置未知的情况下,与常规方法相比,文中所提方法的定位精度提高了4倍左右。     

用20MHz静电换能器精密测量超声波声速和声衰减系数

用静电换能器对小尺寸固体试样作了高精度超声测量,由于静电换能器非接触的特点,避免了耦合层及换能器本身对测量引入的误差。当超声波频率为20MHz时,通过衍射修正后,声速测量的精度优于10^-5,声衰减系数测量的精度小于2%。由此得到的声学参量较正确地反映了试样的声学特性。     

分层浅海海洋环境噪声场的射线预报方法

海洋环境噪声场是一个随地域、时间变化的复杂的场，现场快速预报对于环境匹配的声纳系统有重要意义。文章中利用射线声学模型计算了等声速分布、负梯度声速分布、正梯度声速、及任意声速分布条件下分层浅海海洋环境噪声场的指向性、噪声强度和相关函数随深度变化的规律。研究表明：分层浅海海洋环境噪声场与海底特性及声速分布有很大关系；利用射线预报方法可以快速预报分层浅海海洋环境噪声场。