刘进忠[1]2004年在《浅海内波引起声场起伏的规律研究》文中指出声波是唯一能在海洋中进行有效远距离传播的波动形式；浅海声传播环境水平变化取决于海底声参数和水体声速剖面水平变化，海洋内波(潮)是引起环境声速分布结构变化的主要原因之一。海洋内波是活动于海洋内部的一种波动现象，广泛出现在密度分层结构稳定的海水中，海洋内波的存在导致浅海声场的起伏。研究内波存在下的声传播规律一方面具有重要实用价值和军事意义，另一方面利用内波导致的声场起伏信息可以反演内波的特征。 本文主要分为四部分，第一部分(第二章)研究声场数值计算的模型，提出了一种提高声场简正波计算速度的新方法。第二部分(第叁章)对ASIAEX2001东海实验的数据进行了分析，观测到双跃层双非线性内波。第叁部分(第四章)分析了内波引起的环境参数变化与声传播起伏的对应关系，利用局地简正波的波数、简正波群速度、简正波耦合特征等声场参数探讨了高频线性内波、非线性内波和内潮波对声场影响的特征。并初步提出了几种可用于内波反演的方法。第四部分(第五章)提出并检验了叁种反演内波的方法，得出了一些初步的理论观点：第一种是利用内波的传播特征反演简正波耦合系数矩阵；第二种是利用内波对简正波群速度的影响反演内波引起的水体声速起伏；第叁种是利用内波对简正波激发强度的影响反演内波引起的水体声速起伏。
张海青[2]2008年在《AEYFI 05浅海内波场导致的声场起伏规律研究》文中进行了进一步梳理内波做为一种季节性的中尺度海洋现象,它的活动是引起声场起伏不确定性的主要因素之一。浅海内波环境中的声传输起伏研究是近年海洋声学的研究热点之一。本文研究包括叁部分:(一)研究温度数据时空统计特性、内波模态和内波谱提取方法;(二)研究浅海随机内波导致的声简正波传播时间起伏规律及其与局部温度观测数据统计规律的对应关系;(叁)研究一类弱非线性内波导致的声信号幅度起伏机理。在第一部分,处理分析“2005黄海水声传播—起伏(AEYFI 05)实验”中获得的温度数据,提出了一种内波模态提取的方法。常规方法需预先知道浮力频率曲线,借助数值计算得到内波简正模态,经正交分解获取模态系数;而本方法只基于实验数据可以同时提取内波模态函数及其模态系数。第二部分研究“2005黄海水声传播—起伏(AEYFI 05)实验”温度时空相关特性及声传播时间统计特性。结果表明:一号声简正波的传播时间起伏谱可以清楚反映M2潮变化,包含相干结构:并且与跃层附近温度时间序列的功率谱在高频区域(f＞30cpd)呈近似同样ω~(-α)(α(?)1.7-1.8)的幂次衰减。应用简正波传播时间与声速起伏的对应微扰关系式,给出了上述对应关系的理论解释。最后在第叁部分,研究一类非线性内波导致信号幅度起伏机理。实验数据处理发现:部分水听器在个别时段存在明显的“规则”强幅度起伏,这种起伏可解释为“上凸型”弱非线性内波恰好通过接受阵处引起的声场接收灵敏度起伏所导致。基于声简正波理论,给出了内波导致声场起伏特性的一般理论解释。
陈守虎, 吴立新, 张仁和, 李整林, James, F[3]2004年在《南中国海内波特征及其引起的声场起伏》文中认为浅海内波场与声场相互作用是ASIAEX 2 0 0 1南中国海实验的主要内容之一 .文中对这次实验所得到的海洋环境和声场数据进行了处理 ,分析了内波的基本特征及其对声传播的影响 .给出了孤子内波的传播速度、方向、幅度等主要特征物理量 .结果表明 :该海域存在孤子内波现象 ,幅度最大可达 14 0m .内波受到半日潮、全日潮和子午潮的调制 .内波主要由低阶模态控制 .分析了内波对不同频率、沿不同路径传播的声信号的总能量、峰值能量以及延迟时间的影响 .
宋俊[4]2005年在《光纤水听器长线阵应用的水声物理问题》文中认为光纤水听器自身的特点决定了它适于大规模成阵,而采用大孔径阵列可以提高声纳性能,增加目标探测距离。随着阵列尺寸的增大,就必须考虑海洋声场的空间相干性下降对阵列性能的影响。本文紧紧围绕和光纤水听器长线阵的应用密切相关的水声物理问题展开研究。系统阐述了光纤水听器多路复用的主要技术方案,研究了浅海多途传播环境中的声场水平纵向相干规律,水平长线阵在浅海中的性能,以及孤子内波对水平纵向相干和常规波束形成结果的影响,并且提出了一种基于模式子空间的提高长线阵增益的匹配波束形成方法。1.对浅海声场的水平纵向相干特性的研究表明:当频率较高时水平纵向相关系数随纵向间距呈下降趋势;频率较低时,水平纵向相关曲线随纵向间距出现起伏,起伏的周期和简正波的水平波数有关,起伏的幅度和各号简正波的相对强度有关,在一定的频率范围内水平纵向相关曲线有近似相等的振荡结构。2.在浅海多途环境中,当有效简正波号数大于1号时,常规波束形成的指向性相当于多个方向的平面波信号的指向性的相干迭加,因此,当阵列较长时会出现多个峰值的现象。3.理论分析表明,浅海多途环境中,当简正波号数大于1号时,阵增益下降存在极限,这对长线阵的应用是有利的。4.本文提出了一种基于模式子空间投影的匹配测向新方法,该方法能够有效的提高阵增益,与传统匹配测向方法相比,只需要进行一维搜索,大大的节省了计算时间。此外,该方法对海底参数的失配不敏感。5.通过数值仿真可知,孤子内波会引起水平纵向相关系数以及常规波束形成的阵增益随时间出现起伏。
陈鹏[5]2014年在《近海环境下的声传播特性研究》文中提出近海声学环境复杂多变，由于其水深往往较浅，温度受光照、风浪等因素影响明显，岸基噪声丰富、水面船只来往密集，潮汐现象对水位改变较大，这些现象都使得近海声传播的研究经久不衰。非线性内波经常在近海环境中被捕捉到，关于内波引起声场起伏的规律研究在过去的30年理论和实验都取得了进展，对于浅海非线性内波引起的声场起伏的定性描述基本成熟。然而，由于浅海非线性内波描述本身的不完善和浅海声场的影响因素较多，浅海非线性内波引起声场起伏的定量规律描述还需进一步研究，本文针对一些新的实验数据采用一些新的方法和思路进行了研究。在声传播研究中，射线和简正波理论是应用最为广泛的理论，关于两种理论之间联系的研究也是声学研究的重要内容之一。波导不变量可有效地用于描述水下声传播特性，通常采用简正波理论描述和定义。本文在理论部分中针对海洋环境与距离无关或者存在轻微扰动时的声传播，利用简正波水平干涉结构距离上的周期性与射线水平跨距相等的特点，采用简洁方式证明了射线稳定性参数与简正波波导不变量相等，在射线和简正波理论中建立了一个新的联系，并通过简正波干涉声场数值模拟，对简正波的相长干涉形成能量包沿着射线路径传播进行了验证，说明了简正波和射线理论的共通性。文章结合远距离射线模型声传播仿真结果，对射线稳定性参数及射线传播时间稳定性之间的关系进行了分析和讨论。仿真结果表明，射线稳定性参数作为射线理论中一个新的参数，能够反映海洋环境变化，可用于描述声传播特性。本文针对2013年朝连岛附近海域实验所得的温度和声传播数据进行分析，研究温度数据和声传播数据的统计特性，结合实验数据进行理论验证。根据实测数据构建温度场模型，在全时段内对声传播过程进行还原并进行简正波过滤，对发现的声传播规律加以总结。针对实验实测数据，给出了射线稳定性参数曲线和伪彩图，并对照简正波过滤结果进行了分析。结果表明，实验中内波的存在使部分简正波系数（归一化）改变0.1左右。射线稳定性参数（绝对值）主要集中在0-3之间，内波出现时可以达到5或者更大。文章中分析的与简正波对应的射线稳定性参数与简正波系数在遇到内波时其起伏变化规律吻合。分析表明射线稳定性参数的变化与海洋环境密切相关其可以作为一个全新的量可以表征浅海环境变化。
秦继兴, KATSNELSON, Boris, 李整林, 张仁和, 骆文于[6]2016年在《浅海中孤立子内波引起的声能量起伏》文中认为当孤立子内波的波阵面与声传播路径所成角度较大时,简正波耦合是导致声信号起伏的主要因素。研究了浅海中孤立子内波引起的声能量起伏规律,给出声场起伏的耦合简正波表达式,并使用抛物方程模型进行仿真。数值分析表明,接收点声强随时间变化呈准周期性。在频谱图中能够得到声强起伏的主导频率,主导频率与孤立子内波沿声传播路径的移动速度成正比,与无扰动波导中简正波在距离上的干涉周期(对应于射线理论中临界声线的跨度)成反比,与孤立子内波的形状无关。此外,对声强频谱的垂直结构进行了分析,该结构与对声场起伏起主要作用简正波的本征函数相关。
段睿[7]2016年在《深海环境水声传播及声源定位方法研究》文中研究指明冷战结束之后,国际水声界的理论和实验研究偏重于浅海,国内水声界的工作也主要集中在我国周边近海的大陆架浅海环境。但在近几年,随着西太和南海局势的发展,对深海水声技术的需求非常迫切。本文结合课题组参加的多次深海水声调查,研究了深海水声传播特性,并分析了其形成的物理机理。同时,从这些特性出发,提出了若干环境适应性强的稳健被动定位方法,并利用计算机仿真或海试数据验证。本文主要包括叁个研究对象:表面波导、海底反射路径以及可靠声路径,具体研究内容包括:1.研究了表面波导中声传播的特点,从传播损失角度,提出了声呐主动发射和被动接收时的最优深度范围。为提高近海面声呐在深海工作时的性能,利用劳埃德镜原理和简正波模型分析了表面波导中声源-接收点的几何位置对中高频声传播的影响:首先,针对表面波导经典截止频率公式未考虑声源深度的缺点,提出了一种新的截止频率计算方法,用于指导声源的布放深度;再次,针对接收点位置的选择问题,提出了表面波导低传播损失层概念,并给出该层厚度的表达式,用于指导接收点的布放深度;最后,为提高接收阵列在表面波导工作时的输出信噪比,研究了声波的波达角随声源深度和声频率的变化规律,并基于简正波模型揭示了波达角变化的物理机理。2.针对深海中近距离目标探测存在盲区的问题,提出利用低频表面波导能量泄漏探测盲区的概念。声频率在经典截止频率附近或低于经典截止频率时,声波不会被完全限制在表面波导中传播,而是在传播中向表面波导下的声影区泄漏能量,从而“照亮”影区。利用简正波理论和几何绕射理论分析了泄漏声能量的传播特性。同时,能量泄漏引起了表面波导中能量的快速衰减,衰减系数与表面波导厚度和声频率密切相关。利用详细的仿真分析,拟合了衰减系数的表达式,揭示了表面波导厚度和声频率在影响衰减时的强耦合作用。3.针对深海目标探测定位的盲区问题,提出利用海底反射信号的到达结构定位目标的方法。不同于传播的匹配场定位方法,新的定位方法将声源距离和深度分开估计,估计精度更高,环境适应性更强。距离估计利用基于波达角信息的改进加权子空间拟合算法,考虑了阵列倾斜的影响。深度估计利用距离估计的后验信息,结合多途时延匹配给出目标深度信息。4.为提高深海目标探测的信噪比,并实现中近距离无盲区探测和定位,提出了利用深海可靠声路径定位目标的方法。首先分析了可靠声路径传播中多途到达结构随声源位置的变化规律,结果表明基于多途到达角的定位方法在该环境中适用。针对现有方法的复杂和不精确的多途到达角估计问题,本文利用改进加权子空间拟合算法实现目标定位,既使用了到达角信息,又无须估计到达角。5.为简化可靠声路径探测模式的系统配置,提出两种利用单水听器实现目标位置估计的方法。若利用可靠声路径的优点,将阵列布放在深海近海底位置,对阵列的技术要求较高,比较实用的方法是利用单水听器(或带有方向性的刚性平面阵)实现目标状态估计。本文提出利用迭代扩展卡尔曼滤波的方法估计宽带运动目标的位置:假设目标沿接收点的径向方向匀速运动,将目标的距离、深度和速度做为目标状态,构建状态方程;利用射线理论计算任意声源位置处,直达波和海面反射波的时延,作为观测方程;利用自相关函数估计直达波和海面反射波的时延随时间的变化,将其作为观测值。在可靠声路径中,单水听器定位还可以通过挖掘声场的干涉特征实现。当位于临界深度以下的水听器接收中距离声源发出的宽带信号时,将接收信号的频谱随声源距离的变化画成伪彩图,可以观察到明暗相间的条纹,本文定义为可靠声路径条纹。研究了该条纹形成的物理机理,使用简正波的射线描述方法对其进行建模,得到定量计算条纹频率-距离二维分布的方法。利用该条纹的二维分布与声源深度密切相关的特性,提出了两种分别适用于确定性环境和起伏环境情况的声源深度分类方法。
马树青[8]2011年在《浅海孤立子内波对声传播的影响》文中提出海洋内波是广泛存在于海洋内部的波动现象,它的存在会引起海洋深度与距离方向上的温盐结构变化,进而改变声速剖面。因此在海洋内波的传播过程中,如果有声信号通过,将产生声信号幅度与相位的剧烈起伏。因此,研究内波对声传播的影响是十分必要的。我国具有广阔的海岸线,在浅海大陆架海域,常有大振幅浅海孤立子内波的观测报告出现。孤立子内波对石油钻井平台、海底石油管道造成了严重的威胁,也为潜艇的探测提出了更高的挑战。同时,当海洋中存在内波、涡旋、锋面等现象时,这种叁维复杂海洋环境下的声传播模型建模研究,也一直是水声传播研究领域的研究重点之一。因此,本文以叁维复杂海洋环境下声场建模为研究背景,对浅海孤立子内波对声传播的影响进行了系统全面的理论、仿真和试验研究。本文首先简要介绍了海洋内波的研究与发展概况,并对海洋内波对声传播影响的研究进行了简要概括。给出了常见的线性内波与孤立子内波模型,并利用射线理论分析了孤立子内波对叁维声线产生的折射效应,应用耦合简正波理论分析了孤立子内波移动时对声传播带来的起伏,使用抛物方程方法进行数值分析,仿真了不同情况下孤立子内波对声传播产生的幅度、相位及能量的影响。仿真了孤立子内波对不同的波束形成算法以及声矢量场带来的影响。通过海上试验,得到了孤立子内波传播时的温度数据与孤立子内波传播过程中的声信号起伏数据。首先分析处理了试验中测量得到的温度数据与声信号数据,然后使用试验测量的海洋环境参数,利用抛物方程方法对声传播过程进行了仿真,并将仿真结果与实际测量结果进行了对比验证,进一步验证了孤立子内波在移动过程中对声传播过程所产生的影响。本文结果表明,采用抛物方程方法研究孤立子内波对声传播的影响,方法简明有效,文中的一些方法与结论,可以为实际工程的测量与数据分析等应用提供参考。
刘清宇[9]2006年在《海洋中尺度现象下的声传播研究》文中研究指明海洋中尺度现象，是引起实际海洋环境空间分布变化的主要因素，它直接影响到声速剖面结构特征，并进一步影响海区的声传播特性。在我国近海大陆架以及台湾周边海域，海洋中尺度现象高发，对有关的声传播特性进行研究，总结其中的声传播典型规律，并逐步应用到水声装备研制和战术使用当中，具有重要的理论意义和实际应用价值。论文首先对我国周边海域中尺度涡旋、海洋锋面、内波等典型中尺度现象的分布活动情况进行了总结，在对它们的典型参数描述基础上，建立起相应的声速场空间分布结构模型。然后，考虑到海洋中尺度现象的水平非均匀性甚至叁维的结构特性，采用FOR3D抛物近似算法模型来进行有关的声场数值计算。抛物近似作为一种纯数值计算方法，尤其适合复杂海洋环境中的声场计算。最后，以一些典型的海洋环境模型为例，就中尺度现象对声传播特性的影响进行了数值比较计算和分析，包括中尺度涡旋和锋面对深海表面声道效应和会聚区特性的影响、陆架浅海地区锋面结构和冷热水团引起的声传播条件显着变化、内波引起的声场非均匀性分布和时间变化特性等。论文研究内容主要包括：(1)根据现有的文献资料数据，对我国周边海域的中尺度涡旋、海洋锋面、内波等典型中尺度现象的分布活动情况进行了分析总结。中尺度涡旋是一种大的相干旋转水体，在水平平面上具有“封闭”的结构特征，直径在几十到上百公里量级。海洋锋面是不同性质水体交汇形成的，表现为一定水平距离范围内温度的显着变化，具有“线状”的结构特征，实际海洋中锋区宽度一般在几十公里左右。内波是分层海洋内部的一种界面波动形式，包括线性和非线性两种成份，深海以线性内波为主，浅海则以非线性内波为主。相比较而言，内波具有较小的空间尺度，但时间和空间变化特性明显。(2)结合对中尺度现象的典型参数描述，进行了相应的声速场结构影响分析和建模。采用“不同深度上的椭圆形水平截面”来模拟涡旋的结构，具体参数包括涡中心位置、水平空间尺度、涡中心和边缘温度、深度分布范围等。采用锋区水平宽度、温度水平变化梯度、深度分布范围等参数来描述海洋锋面结构，对于锋区声速剖面的插值，可以采用声速等值线的线性插值方式。内波采用等密度线或者等温度线的位移函数来描述，对于线性内波，可以根据GM谱模型来进行建模，对于非线性内波，目前研究最多的就是孤立子波(以及波群)，描述孤立子内波的参数主要包括特征宽度、幅度、运动速度或者观测时刻的位置等。(3)详细介绍了所采用的FOR3D抛物近似算法模型，利用部分标准检验模型和算法程序进行了数值比较计算和检验。同其它抛物近似算法模型相比，FOR3D在叁维声场分析方面更具有优势，它采用有限差分技术来对控制方程进行数值求解，具有无条件的稳定性和垂直深度上的宽角计算能力。(4)研究了中尺度涡旋和海洋锋面结构对深海表面声道和会聚区效应的影响。深海特殊的声速剖面分布形式，为远距离的声传输提供了两个可以利用的条件：表面声道和深海声道。中尺度涡旋和海洋锋面引起声速剖面的水平非均匀性变化，并进一步引起会聚区结构特性的改变和表面声道效应的出现或者消失。中尺度涡旋和海洋锋面主要存在于表层范围内，对表面声道的影响更明显，而对深海会聚区效应影响相对较小。(5)研究了陆架浅海地区中尺度现象引起的声场空间结构显着变化。在陆架浅海地区，一方面，外海水和沿岸水的对峙，形成明显的分界线，划分出显着不同的两种声传播环境，引起传播特性的显着变化。另一方面，外海水以水团形式朝沿岸水体的侵入，能够形成特殊的声传输条件，包括内部声道的出现。声场空间分布结构的变化，也是一些接收深度上出现异常传播损失的重要成因。(6)研究了浅海内波引起的声传输起伏和声场的水平非均匀性分布。同涡旋和锋面相比，内波具有较小的空间尺度和明显的时空变化特性，被认为是引起海洋声传输起伏的主要因素。在声纳作用距离范围内，内波对声传播特性的影响更为重要。内波能够影响跃层结构特性，对跃层上下之间的声能交换带来影响，使得跃层同侧和异侧的声传播损失分布发生变化。孤立子内波作为一种典型的非线性内波，是近年来关注较多的研究对象。在孤立子波包之间，由于声速的显着差异，能够出现声传输的“通道”效应，而穿过内波的那些方位上，声能传输会受到阻挡。内波的运动或者时变特性，在引起声传输的空间分布变化同时，也带来相应的时间变化，形成声起伏，并且这种声起伏特性与频率、内波特性、发射和接收的空间相对位置密切有关。
刘全生[10]2004年在《内波致声传播起伏与内孤立波特征探测》文中认为海洋内部的不均匀性是影响声传播的重要因素。在内波多发的季节里，内波是造成声场起伏的主要原因。海洋内波包括线性和非线性内波，且通常表现为二者的迭加。研究内波引起的声场起伏主要包括两个方面，首先是确定内波模型参数，然后是选择合适的声传播模型。 本文利用CTD数据及线性内波模型，并结合内波的GM谱特性，求得线性内波的垂直位移。根据线性内波的垂直位移与声速扰动的关系，研究存在线性内波时声速的时空变化规律。在此基础上，利用线性内波的模态函数确定孤立子内波模型(KdV方程)的系数，研究存在孤立子内波时声速的时空变化规律。结果表明：线性内波和孤立子内波对声速的扰动都有一定的影响，但对整个声速场来讲，由于孤立子内波的影响范围较小，故线性内波对声速的扰动起主要作用。 结合二维声传播PE模型，对存在线性内波时的声场进行求解，对于线性内波计算出不同声源深度、不同发射频率的传播损失随距离的变化规律，并与无内波时计算结果进行对比，求得线性内波引起的声强衰减的分贝数；对孤立子内波计算了不同的孤立子振幅、不同声源深度、不同发射频率的传播损失随距离的变化规律。计算结果表明：对整个声场而言，因为线性内波的影响范围大，故相对于孤立子来说，它对声传播的影响显着；另外，随着孤立子振幅增大，孤立子引起的声传播损失会变大；由于负梯度跃层的缘故，无论声源位于跃层内部还是外部，在同样的接收距离处，通常跃层以下的声强度要大于跃层以上的声强；对固定的声源深度，发射频率大的声场对应的声强起伏大，且相邻距离处起伏的强度很剧烈；若发射频率较大，当声源位于跃层内部时，海水底部形成一个一定水平距离范围内的影区，当声源位于海水底部时，不会形成影区。 根据海洋声场与内波场的关系，建立了内孤立波特征参数反演模型，结合从SAR图像中提取的孤立子内波部分参数，利用声传播损失的信息进行孤立子内波振幅的反演。最后，对反演模型进行了验证，结果表明该方法是可行的。
参考文献：
[1]. 浅海内波引起声场起伏的规律研究[D]. 刘进忠. 中国海洋大学. 2004
[2]. AEYFI 05浅海内波场导致的声场起伏规律研究[D]. 张海青. 中国海洋大学. 2008
[3]. 南中国海内波特征及其引起的声场起伏[J]. 陈守虎, 吴立新, 张仁和, 李整林, James, F. 自然科学进展. 2004
[4]. 光纤水听器长线阵应用的水声物理问题[D]. 宋俊. 国防科学技术大学. 2005
[5]. 近海环境下的声传播特性研究[D]. 陈鹏. 中国海洋大学. 2014
[6]. 浅海中孤立子内波引起的声能量起伏[J]. 秦继兴, KATSNELSON, Boris, 李整林, 张仁和, 骆文于. 声学学报. 2016
[7]. 深海环境水声传播及声源定位方法研究[D]. 段睿. 西北工业大学. 2016
[8]. 浅海孤立子内波对声传播的影响[D]. 马树青. 哈尔滨工程大学. 2011
[9]. 海洋中尺度现象下的声传播研究[D]. 刘清宇. 哈尔滨工程大学. 2006
[10]. 内波致声传播起伏与内孤立波特征探测[D]. 刘全生. 内蒙古大学. 2004