简正波

摘要： 水面水下目标分辨是水声领域中迫切需要解决的难点问题。本文利用浅海负跃层水文条件下水面水下目标声场主导模态差异性,通过波束形成空域滤波器设计方法分别估计接收信号中反转模态能量和传播模态能量,根据能量比估计结果实现水面水下目标分辨。仿真结果表明:当水平接收阵位于跃层内或跃层下时,该方法可以对非正横方位目标进行准确分辨,并且处理频段越宽、基阵孔径越大、临界深度与目标深度差异越大,分辨正确率越高。

摘要： 浅海粗糙海面会引起海面反射损失和声场能量的重新分布,对接收阵的阵增益有着重要影响。本文考虑浅海粗糙海面的因素,结合小斜率近似散射理论和简正波声场模型,分析了不同海面风速下的声场水平纵向相关性。在给定的条件下,随着风速的增加,声场水平纵向相关性提高。通过简正波理论和简正波声场模型给出了解释:随着风速的增加,高号简正波衰减较快,声场中的有效简正波号数减少,导致声场中的简正波干涉减弱,从而提高了声场水平纵向相关性。

摘要： 针对浅海负跃层波导中的声源深度判别问题,通过研究不同深度声源信号到达接收阵的简正波结构特征,提出了一种利用互相关输出峰值迁移曲线的声源深度判别方法.该方法利用浅海负跃层中主导简正波类型由声源深度决定这一先验信息,根据峰值迁移曲线中互相关时延在0时刻的位置进行声源深度判别.首先,利用垂直线列阵波束输出与单阵元接收信号做互相关处理,得到互相关时延—俯仰角输出二维图.然后,在图中提取不同时延上角度维峰值,根据时延小于等于0、大于0的情况对所提取的峰值点进行分段线性拟合,得到互相关输出峰值迁移曲线.最后,以曲线位于互相关时延为0时的位置进行声源深度判断.理论分析表明,曲线受波导中声速随深度变化的影响较小,互相关时延0时刻位置的判别阈值由低阶简正波决定,区分声源深度的区间由跃层的位置和厚度决定,且跃层上下声速差越大越有利于声源深度判别.仿真实验和海试数据分析结果表明,该方法可有效进行声源深度判别,并且无需模态分离、声源相对接收阵移动、精确声速剖面测量等前提条件.

摘要： 水下风成噪声的垂直空间特性包括噪声垂直方向性和垂直相关性,研究海洋环境对其影响规律对提升声呐性能、增加海洋环境参数反演的准确性具有重要意义.本文利用Pekeris割线下的简正波理论描述噪声的传播过程,研究了深海环境下存在表面声道时,表面声道以下噪声垂直空间特性的变化规律及其原因.研究表明,在临界深度以上,表面声道的存在导致噪声垂直方向性在水平凹槽边缘靠近海底方向上的峰值升高,噪声垂直相关性随垂直距离增加先后周期地向正相干和负相干方向偏移;在临界深度以下,表面声道的存在导致水平方向上的噪声能量增强,噪声垂直相关性整体向正相干方向偏移.当表面声道的参数变化时,表面声道的厚度变化对噪声垂直空间特性影响较大,而表面声道内的声速梯度变化对噪声垂直空间特性几乎没有影响.结合各类简正波的变化分析表明,存在表面声道时,噪声源激发的折射简正波阶数增加,强度增强,是表面声道引起噪声垂直空间特性变化的主要原因.

摘要： 为了研究海洋环境参数对Scholte波传播特性的影响,首先在Pekeris海洋声场模型的基础上,建立了含沉积层的两层海底声场模型;然后,基于波动理论给出了Scholte波频散特征的求解方法;最后,分析了两种声场模型下环境参数(纵波声速 、横波声速 、密度 、沉积层厚度 、海水深度)的变化对Scholte波传播特性的影响.结果表明:两种声场模型下Scholte波均存在低频截止和频散现象,且能量主要集中在一个波长深度内,沉积层中横波速度的变化对Scholte波相速度影响最大.

摘要： 针对传统搜根法求解本征值依赖于初值的设定、精度不高且容易丢根等问题,提出了基于多模态展开方法的本征值、本征函数的快速求解方法。用正弦函数作为深度方向声压的正交函数基,对波动方程进行模态展开,将超越方程的搜根问题转化为正交展开系数矩阵的特征值分解,在求解本征值的同时得到本征函数。运用该方法对一些典型的海洋波导进行了数值计算,得到了单层等声速波导、具有声速剖面的波导,以及双层波导的本征值与本征函数结果,并与标准计算结果进行对比,证明该方法是合理且可行的。

摘要： 混响序列仿真作为海上实验的替代手段,可为声呐设计及抗混响技术研究提供数据支撑。借助简正波理论研究海底散射声场,将海底散射场视为海洋传输网络形成的传递函数,在此基础上将海底散射微元按方位角均匀划分,依据阵元间的相位关系给出了水平线阵接收海底混响序列的仿真方法。以负梯度浅海环境为例进行了混响仿真,并对仿真序列的频谱特征、统计特征、空间相关特征进行了验证,结果表明该方法获得的混响序列特性与理论预测相符,可以为抗混响技术研究提供参考。

摘要： 为了解决大型结构体声场重建过程中需要大面积的测点布放难题,提出一种可利用水平直线阵进行声场重建的计算方法.该方法通过结构体表面振速确定直线和圆形虚拟源分布,然后利用波叠加法进行声场重建.在此基础上,通过插值迭代法提高少测点条件下的重建精度.提出基于简正波原理的波叠加技术,修正了浅海信道中能量分布的不均匀性对重建结果影响.从虚拟源形状、收发距离、信号频率、水深等方面分析了声场重建性能.理论及仿真结果表明,提出的声场重建方法在非自由场环境下简单有效,联合虚拟源分布对复杂结构体的适应性较强,为今后水下复杂结构体的声场重建工程应用提供了参考和依据.%Considering that amounts of measuring points need to be laid for reconstructing the sound field of large structure,a calculation method of using a horizontal linear array to reconstruct the sound field is proposed.The distribution of circular and straight-line virtual sources is determined from the vibrating velocity of structural surface,and the sound field is reconstructed by using wave superposition method.On this basis,the interpolation iteration method is adopted to improve the reconstruction accuracy under the condition of less measuring points.The influence of the uneven distribution of energy in shallow water channel on reconstruction is corrected according to the principle of normal mode.The reconstruction performance of sound field is analyzed from the aspects of virtual source shape,transmitting or receiving distance,signal frequency and water depth.The theoretical and simulated results show that the proposed method is simple and effective for reconstruction of sound field in the non-free field environment.The distribution of complex virtual source is more adaptable to complex structures.

摘要： 通过分析浅海波导声源传播中声场幅度和相位起伏对海面波动的依赖关系,探究相同海面波动不同海洋深度声场起伏的差异性,基于简正波理论仿真分析了海面波动对声场起伏的影响.结果表明:近海面噪声源的总声场起伏大于远离海面声源声场起伏.利用近海面声源及环境噪声场起伏大、远离海面的声场起伏较小的差异性,可为水下声信号的探测提供参考.

摘要： 在过去几十年里,对海洋内波的认识,以及对内波与声场相互作用的研究取得了很多进展.当声波传播的方向与内波波阵面夹角较小时,声波会发生明显的水平折射,为清楚了解内波通道的声能会聚效应,本文使用三维抛物模型分析内波影响下的三维声场能量重新分布,结合各号简正波正交特性,求解不同阶简正波的能量分布,使用单号简正波作为初始场,分析孤立子内波引起各阶简正波之间的耦合效应,解释现象发生的物理原因.

摘要： 为了提高对现代安静型潜艇的探测能力，现代声纳体制向低频、大功率、双/多基地方向发展。混响作为主动声纳的特有干扰，是影响双/多基地声纳性能的重要因素。要有效抑制混响，就需要研究混响的特征。实际中，受经费、设备、环境等条件的限制，不可能经常进行海上或湖上试验，使得有效的混响试验数据缺乏。因此，常采用仿真方法产生混响，进行前期性研究。基于简正波理论,通过推导双基地散射元分布及面积计算公式,建立了一种双基地混响序列仿真模型.模型充分考虑平台、散射元运动、阵元指向性、海洋环境等因素,能够满足有关混响抑制处理算法的仿真验证需求.并与实测混响数据和理论分析结果比对,验证了模型的有效性.

摘要： 本文利用黄海实验数据，分析了浅海负跃层环境下的简正波到达时间。根据简正波掠射角θ2(m）范围可把简正波分为两大类:1)掠射角在θc＜θ2(m)＜θb范围内的简正波，将在整个水体中传播，这类简正波到达时间随温跃层深度变化特别敏感。当掠射角θ2(m)比临界角θ稍大时，将主要在跃层上传播，比临界角θ稍大时，将主要在跃层上传播，起伏变化尤其明显。另外，由于不同频率简正波对应的掠射角不同，所以这种敏感性最终与频率密切相关；2)掠射角θ2(m)＜θc的简正波，将主要在跃层下传播在整个水体中传播，这类简正波到达时间随温跃层深度变化较小。两大类简正波到达时间的差异会随温跃层深度变化，进而引起声场频谱随温跃层深度起伏，这是匹配声场反演海水声速剖面的基础。

摘要： 本文重点考虑了浅海海底的声衰减问题,并把浅海海底模拟为粘弹性介质,利用地声模型参数与界面波阻抗之间的关系,结合信道环境中的点源格林函数,建立了基于简正波法的浅海声场传播理论模型.利用本文的理论模型研究分析了粘弹性参数对浅海声传播特性的影响,结果表明:粘弹性海底压缩波衰减对近距离声传播的影响比较小,对远距离声传播的影响比较大,海底介质密度的影响作用则相反;压缩波波速和切变波波速对所有声传播距离都有显著影响,切变波衰减的影响基本可以忽略.

摘要： 海面源产生的海洋环境噪声场与海洋声学环境参数紧密相关.研究海洋声学环境参数对海面源产生的噪声场互谱密度的影响,有助于深刻理解此类噪声场空间分布的物理内涵,为其服务于海洋环境参数反演和目标检测定位奠定基础.基于简正波模型推导了海面源产生的环境噪声场的互谱密度函数,通过仿真计算讨论了不同声速剖面与不同海底参数情况下,采用积分的方法计算各号简正波对海洋环境噪声强度的贡献,并用平面波模型计算相同海洋环境下的海底损失进行验证.结果表明,各号简正波对总声场的贡献同时受到声速剖面和海底参数的影响.其中声速剖面对各号简正波对海洋环境噪声强度贡献的影响较大,而海底参数对各号简正波对海洋环境噪声强度贡献的影响相对较小.对于海底参数而言,声速是影响各号简正波对总噪声场贡献的最主要因素;海底密度次之;海底声吸收对海底损失和各号简正波对总噪声场贡献的影响较小.对声速剖面而言,在负梯度声速剖面下,高号简正波对海洋环境噪声场的贡献较大;在正梯度声速剖面下,低号简正波对海洋环境噪声场的贡献较大.

摘要： 针对200-1000Hz频段海洋环境噪声源深度分布不集中的情况,建立了考虑噪声源深度的环境噪声模型并据此分析了源深度对噪声场垂向特征的影响,仿真结果表明源深度对等效海底反射损失大掠射角部分影响显著,原因在于不同号简正波作用效果不同,与高号简正波对应的大掠射角声线与海底碰撞时,海底反射损失较大,使海面、海底方向传来的声线能量差异明显;随着噪声源深度的变化,其激发的各号简正波能量有所变化,从而导致该结果的出现.

摘要： 本文从声场简正波表达式出发，推导了Pekeris波导环境下声压与质点垂直振速的垂直相关表达式，分析了海面、水体、海底附近声压与质点垂直振速零时延相关的差异性。研究表明，在Pekeris波导环境下，水体中声压与质点垂直振速零时延相关接近0，海面、海底附近的声压与质点垂直振速零时延相关接近1。

摘要： 提出了在水平均匀的浅海环境中利用垂直阵和不同水平距离的两枚宽带引导声源重构声场对目标声源进行定位的一种方法.这种方法主要基于简正波提取技术和声场重构技术两种关键技术,并且避开了传统的匹配场目标定位技术对水声环境的先验知识的高依赖性,同时省去了传统的匹配场目标定位技术在计算拷贝场时需要的大量计算.在仿真实验中,主要针对目标声源与接收阵之间的距离大于引导声源与接收阵的距离的情况.主要采用常规匹配处理器和自适应匹配处理器两种输出分析了目标定位效果,定位效果良好.

摘要： 利用简正波的方法分析了波导不变量的基本理论,将波导不变量视为各个分量βmn的和的形式.波导不变量分量βmn完全是由波导的频散特性决定的,仿真了三种波导环境——等声速波导、负梯度波导、存在温度跃层的波导—下βmn的频变特性,结果表明不同声速剖面类型下的βmn具有完全不同的频率响应,并且同一声速剖面下不同组简正波的βmn在某些频段可能出现根本的差异,这种差异严重时会破坏声场的干涉结构.仿真中还讨论了布放结构(声源和接收深度)对声场波导不变量产生影响的原因,结论是布放结构不是通过影响波导不变量分量βmn而是通过改变βmn的系数来改变声场整体的波导不变量.

摘要： 在对一次试验数据进行匹配场定位处理时发现,选取声速剖面有轻微失配的情形下,水面弱声源显现,水下强声源反而消失.基于该现象研究了声速剖面失配对不同深度声源定位的影响.首先通过仿真实验排除海上试验中不确定因素的影响,进一步得出深处声源定位受声速剖面失配影响较大的结论,并针对夏季负跃层情形进行跃层深度失配的仿真,初步得出,在跃层下边界以下10米附近处的声源对声速剖面失配最敏感.文章最后从简正波的角度进行理论分析,分两点对这一现象进行了合理解释.

摘要： 本发明提出基于射线简正波理论的深海完整声道下焦散线会聚区位置计算方法，本发明在深海完整声道情况下，利用射线简正波理论分析了典型的深海Munk声速剖面情况，计算得到会聚区内声线的水平距离与深度的关系，然后通过声线水平距离随声线出射初始角的关系，得出在某一深度声线水平距离的极小值即为焦散线的位置，最后通过声场计算软件进行仿真，然后将理论公式计算的结果与伪彩图进行对比，从结果证明了本发明所提出的位置计算方法有很好的效果。

摘要： 本发明是一种基于射线简正波的深海完整声道会聚区分类方法。本发明涉及深海完整声道水声道会聚区分类技术领域，本发明基于射线简正波，获得特定声速剖面下声线水平距离与深度的关系；根据确定的声线水平距离与深度的关系，确定深海完整声道中的下反转点会聚区中的声线水平距离，根据海完整声道中的下反转点会聚区中的声线水平距离，确定焦散线的位置；根据焦散线的位置，在伪彩图上画出焦散线的几何图像，并与传播损失伪彩图的会聚效应区域进行对比，完成对深海完整声道中会聚区类型进行分类。本发明针对深海完整声道中的会聚区根据形成会聚区的焦散线类型不同，将深海完整声道中的会聚区分为了三类。

摘要： 本发明提供的是一种利用简正波耦合干涉的海洋环境监测方法。发射宽带声信号，得到海洋环境发生变化时，接收点处的声压场；利用模态滤波方法，将声压场进行模态分解，得到各阶简正波的声压分量；将各阶简正波声压分量和自身共轭相乘，得到各阶简正波和自身共轭的干涉图样；根据干涉图样，利用波导不变量法得到干涉图样中的干涉条纹斜率，并根据这一斜率和海洋环境变化的有关参数的关系，对海洋环境变化进行监测。本发明能够稳定、快速地计算实际中具有时空变化特性的海洋环境下的声场。本发明能够从复杂的声场干涉图样中得到清晰简单且物理意义明确的干涉图样更易于提取海洋环境变化的特征信息，有助于实现海洋环境变化的预警和监测。

摘要： 本发明属于水下声场计算技术领域，具体地说，涉及一种基于全局矩阵耦合简正波的三维声场模型的声场获取方法，包括：根据获取的目标区域的海洋环境参数，对预先建立的三维赫姆霍兹方程应用傅里叶变换，得到针对该目标区域的二维线源赫姆霍兹方程；将水平变化波导离散为若干段水平不变波导；选取某个特定特征值，在每段水平不变波导上的垂直边界上施加对应的边界条件，获得全局矩阵，求解各段水平不变波导对应的简正波系数，得到各段水平不变波导对应的二维声压解；重复上述过程，然后获得每段水平不变波导中的每个特征值对应的二维声压解并求和，之后采用逆傅里叶变换，得到该目标区域的三维声压解。

摘要： 本发明公开了一种基于简正波能量比理论的故障快速检测方法及系统，方法包括：根据声源物理特征进行声源信号模拟重组得到模拟声源信号；根据声源位置信息进行声传播过程模拟得到接收器处声源重构信号的声压值；通过输入声源重构信号的声压值利用简正波能量比理论获取声源重构信号的各号简正波能量分布特征；以各号简正波能量分布特征、故障物理特征为训练集对深度学习模型进行训练；利用训练好的深度学习模型识别真实采集信号的故障类型。本发明利用声源重构技术使得故障物理结构能够与声音信号特征一一对应；利用简正波‑抛物耦合理论实现声音传播中的声场快速计算；采用简正波能量比理论提取特征，实现快速训练模型和快速故障识别。

摘要： 本发明是一种基于射线简正波的深海完整声道会聚区分类方法。本发明涉及深海完整声道水声道会聚区分类技术领域，本发明基于射线简正波，获得特定声速剖面下声线水平距离与深度的关系；根据确定的声线水平距离与深度的关系，确定深海完整声道中的下反转点会聚区中的声线水平距离，根据海完整声道中的下反转点会聚区中的声线水平距离，确定焦散线的位置；根据焦散线的位置，在伪彩图上画出焦散线的几何图像，并与传播损失伪彩图的会聚效应区域进行对比，完成对深海完整声道中会聚区类型进行分类。本发明针对深海完整声道中的会聚区根据形成会聚区的焦散线类型不同，将深海完整声道中的会聚区分为了三类。

摘要： 本发明是一种基于射线简正波的深海不完整声道会聚区分类方法。本发明涉及水声物理测绘技术领域，本发明基于射线简正波，获得特定声速剖面下声线水平距离与深度的关系，根据确定的声线水平距离与深度的关系，确定深海完整声道中的下反转点会聚区中的声线水平距离，根据海完整声道中的下反转点会聚区中的声线水平距离，确定焦散线的位置，在伪彩图上画出焦散线的几何图像，并与传播损失伪彩图的会聚效应区域进行对比，完成对深海完整声道中会聚区类型进行分类。本发明针对目前对于不完整声道中会聚区类型研究较少的特点，利用射线简正波理论分析了各种类型会聚区的形成机理，将深海不完整声道中的会聚区分为了三类。

摘要： 一种基于贝叶斯估计的浅海波导简正波阶数判定方法，针对在浅海波导中传播的接收信号进行时频分析处理，分离得到已有但未知准确阶数的简正波信号，进而对其对应的频散曲线提取。将频散曲线作为贝叶斯估计输入函数，将简正波阶数与海洋环境参数共同作为反演量，由包含海洋环境参数的频散公式计算拷贝场，针对简正波阶数和海洋环境参数建立双重代价函数，对输入函数和拷贝场中的参数根据代价函数进行寻优搜索，最后由后验概率密度对应的最大值作为反演参数值，代入频散公式计算频散曲线，与提取频散曲线进行对比，得到不同简正波信号的阶数。本方法基于单个水听器即可实现，操作方便、成本低，且数据处理量小，计算速度快，具有较高准确度。

摘要： 本发明提出基于射线简正波理论的深海完整声道下焦散线会聚区增益计算方法，本发明在深海完整声道情况下，利用射线简正波理论分析了典型的深海Munk声速剖面情况，得到了声压的表达式，根据声压的表达式计算出声强，并在中心频率三分之一倍频程的带宽内计算了能量平均的声强值，依此计算了能量平均的传播损失值，然后计算了下会聚区焦散线处的球面波扩展损失值，将能量平均的传播损失值与球面波扩展损失值进行了比较，从而求出了下焦散线会聚区处的增益值，从结果证明了本发明所提出的增益计算方法有很好的效果。

摘要： 本发明提出基于射线简正波理论的深海完整声道下焦散线会聚区位置计算方法，本发明在深海完整声道情况下，利用射线简正波理论分析了典型的深海Munk声速剖面情况，计算得到会聚区内声线的水平距离与深度的关系，然后通过声线水平距离随声线出射初始角的关系，得出在某一深度声线水平距离的极小值即为焦散线的位置，最后通过声场计算软件进行仿真，然后将理论公式计算的结果与伪彩图进行对比，从结果证明了本发明所提出的位置计算方法有很好的效果。