深海会聚区目标强度特性分析

深海中当声源位于海表面附近时,在远离声源处会形成高声强焦散的会聚区。在现代水声技术应用中,可以利用水下声道中的会聚区来实现深海目标的远程探测。本文对会聚区的形成条件和会聚区目标相对声强的特性进行分析,结果表明:只有当声速极小值存在并且声线出射角满足一定条件时才会形成会聚区效应;会聚区中相对声强水平分布具有双峰结构;当接收深度与目标深度相同时相对声强会出现峰值,这为深海目标的深度判定提供了一种方法。     

深海中声信号会聚区传播特征仿真研究

会聚区传播是声信号在深海中的基本传播方式之一.本文对声源在不同深度时的会聚区传播特征进行仿真研究,声源深度从20 m变化到1 050 m,研究发现声源深度变化对会聚区特征影响很大,随着声源深度增加,第一会聚区出现的距离、会聚区跨度、会聚区深度范围都逐渐越小;随着声源深度持续增加直至声道轴附近,各会聚区出现的距离及会聚区跨度不断减小,直至无法区分各会聚区,深度方向上,会聚区深度范围不断减小直至集中在声道轴上下一定深度范围内传播,声信号在声道轴附近传播时,声信号损失最小,信号可以传到更远的距离上;第一会聚区附近的海底反射信号很强,可用于信号检测.     

深海会聚区目标探测机动方法研究

介绍深海会聚区形成条件及会聚区态势判断方法基础上,研究了不同态势下会聚区目标机动探测过程,建立了会聚区目标探测模型,定量分析了舰艇搜索目标和摆脱跟踪的机动方法,通过研究表明:在接近态势下,采用最大可听测舷角航向并适当增速有利于搜索,采用最小可听测舷角航向并适当增速有利于摆脱跟踪;在远离态势下,转向最小可听测舷角航向并增速有利于跟踪,转向最大可听测舷角航向并增速有利于摆脱跟踪,并通过仿真和试验验证了方法的有效性。     

基于波导不变量的深海船舶噪声特征研究

深海环境复杂多样,船舶噪声信号特征受环境影响较大,不利于目标位置及运动态势判断。文章在深海声道形成条件及其声场传播规律研究基础上,基于波导不变量理论,对典型深海环境不同位置船舶噪声距离-频率干涉条纹特征进行理论分析和仿真验证。理论分析和仿真结果表明,深海声道会聚区及反射会聚区船舶噪声信号存在干涉条纹特征,且对应的波导不变量β值不同,故两者干涉条纹特征不同。文中提出了利用深海船舶目标噪声的干涉条纹特征,对不同位置深海船舶目标及其运动态势进行判断的方法,仿真结果和试验数据表明,该判断方法可行有效。     

水中近场目标位置确定方法仿真研究

通过分析目标源深度变化时聚焦波束形成二维声图法定位的特点,提出2种目标声源的深度动态扫描方法,即过阵过程深度探测法和正横时能量最大深度探测法。在理想情况下,目标声源深度的测量不仅可以实现目标声源的二维精确定位,还可实现目标声源的三维精确定位。利用理论仿真分析2种深度探测法的准确性与适用范围,并给出三维精确定位的结果。     

基于简正波模态的浅海声传播的最佳深度规律研究

在给定距离情况下,声能量在深度方向上的分布并不均匀,体现在声传播损失在不同深度之间的差异可达20dB,因此研究深度方向上的声传播损失最小点即最佳深度对水声通信和探测有一定帮助。采用简正波方法对最佳深度的影响因素进行研究,得出声源频率、声源深度和海水深度对最佳深度的影响最大,并在理想液体波导中研究了海水深度和声源频率主导的简正波模态阶数对最佳深度影响,得出在给定声源深度情况下,简正波阶数是影响最佳深度的唯一因素。当海水中简正波阶数从1逐渐增大时,最佳深度也从海水层中部逐渐向海面和海底移动,当简正波个数足够多时,最佳深度稳定在声源深度和声源的对称深度。     

界面对弹性球壳声辐射的影响分析

深海和浅海信道均为有界空间。为计算界面对有界空间中弹性结构振动及声辐射的影响,本文利用虚源法和Graf加法定理,建立了理想界面附近点力激励下球壳振动声辐射的解析模型。分别计算了不同边界、不同下潜深度和激励位置下球壳的声辐射阻抗、辐射声压和声功率,解释了辐射声场的形成机理,并给出了声压频率谱中干涉条纹的简单预报公式;以辐射声功率为评价参数定量讨论了不同类型边界对球壳声源特性的影响规律。计算结果表明,对于相对壳厚h/a=1%～5%的薄球壳,当无因次频率ka≥2且归一化下潜深度Hr≥3时,界面对球壳辐射声功率的影响小于3 dB,可以忽略。     

浅海波导中水平时反线列阵布放深度选择研究

  目的  为提高实际海洋环境中不同季节时的水声通信和声呐探测能力,对浅海声传播的最佳深度现象进行研究。  方法  运用简正波方法,针对不同季节的典型声速剖面,计算典型声速剖面下不同频率和不同接收点深度的非相干声传播损失随距离和深度变化的伪彩图,研究不同声速剖面对声传播最佳深度的影响。  结果  结果显示：低频时,最佳深度不随声速剖面和声源深度的变化而变化,始终位于海水层中层附近;高频时,当声源位于等梯度海水层或负跃层下较深海水的等温层时,最佳深度位于声源深度和声源在等声速层内的对称深度,正梯度和负梯度下的最佳深度位于声源深度处。  结论  研究结果可为水声通信的接收点深度和被动声呐位置的选取提供参考。     

基于矩阵特征分解的水下声源匹配场定位

水下声源定位问题是水声信号处理领域的重点和难点,基于计算声场和接收声场相关性辨识目标距离、深度的匹配场定位方法具有广泛应用。针对Bartlett处理器宽容性好但分辨率低、最小方差处理器分辨率高但对失配敏感的问题,将空间谱估计中基于矩阵空间特征分解的目标定向算法引入匹配场定位。对水下单声源定位、双声源定位、环境失配处理等条件,对比3种定位算法的性能。仿真数据表明,与Bartlett处理器相比,基于矩阵空间特征分解的定位方法具有更高的目标定位准确度。与最小方差处理器相比,该方法在双声源定位时能够分辨相近声源,尤其对深度辨识更准确。实验数据表明,基于矩阵空间特征分解的处理器能够实现表面强干扰条件下的水下弱目标定位。     

一种会聚区声场基于参数化表征的方法研究

针对会聚区目标判定缺乏有效的特征判据问题,论文给出了一种利用参数a、b、c作为会聚区声场特征因子表征会聚区声场的方法,通过理论分析及仿真计算,当用a,b,c三参数来描述声场的水平特征时,a,b,c三参数有明确的物理意义,计算出的声场传播损失和用kraken软件计算出的结果吻合良好,说明声场参数化表征方法可很好地描述会聚区声场特征。在实际应用中,如能够根据实际会聚区声场特征,获得特征因子a、b、c,表征会聚区与非会聚区声场特征差异,可为会聚区的判定提供参考标准。     

深海矢量噪声场声传播特性研究

矢量声压振速联合处理是建立在信号的声压和质点振速相位基础上,海洋环境边界对声传播的影响将改变矢量声场声压和质点振速的幅度和相位特性。文章根据南海环境条件和水下目标辐射噪声测量采用矢量简正波理论估算海面非相干偶极子噪声源和水下点声源矢量场的幅度和相位随深度的变化,并对矢量水听器测量系统获取的南海典型深度上的背景噪声数据进行了分析。结果表明:深海背景噪声声压谱级在500 Hz以下基本上不随深度变化,在500 Hz-3 kHz频段浅深度背景噪声声压谱级略高于较深深度的背景噪声声压谱级;背景噪声的垂直质点振速谱级要小于声压和水平质点振速谱级。     

沉积层面貌和温度主导的声速变化对有限水域试验场声传播特性影响的仿真研究

  目的  海底和海面边界条件不同导致声场能量分布不均匀,浅海声传播的最佳频率在深度方向也存在较大差异。为了研究最佳频率在深度方向分布的规律,  方法  采用简正波方法研究浅海声传播最佳频率的深度特性,通过改变海水深度、海底参数、海面粗糙度和声速剖面,研究声源位于海水中间层及其他位置时不同深度接收点的最佳频率的变化规律。  结果  结果表明,当声源位于海水中间层附近时,海水中间层存在一段最佳频率随接收点深度变化且保持不变的区域,该区域厚度在海水深度变化时近似为海水深度的一半,与海底参数和海面粗糙度关系较小。  结论  研究结果说明浅海存在一个梯形区域,该区域内的最佳频率不随声源和接收点相对位置的变化而变化,所得结论可以对水声通信技术和潜艇隐身性能的发展提供一定的帮助。     

海洋声场预报及战术应用

随着科学技术的飞速发展,对海洋声场做出合乎要求的快速精确预报显得尤为重要。射线模型、抛物线模型、简正波等模型适合于不同具体的海洋声场环境,这些传播模型可以实现声场数值预报的实时性。基于上述模型建立的海洋声场预报系统及对其战术应用进行的研究,对声呐的设计、使用及舰艇作战有着重要的意义。本文在上述模型基础上利用Matlab和Fortran Powerstation工具建立了海洋声场预报系统,使用声场预报系统对典型的海洋环境,即海洋锋、涡漩的声场能量传播规律进行了研究,并提出了在反潜作战中对海洋锋、涡漩、深海会聚区和影区等海洋环境的战术应用。     

马氏体镍钢用于制造全海深载人舱的可行性初探

为进一步探索深渊海沟,需要研制全海深载人潜水器。在给定设计深度下,潜水器的成功研制取决于对载人舱选材的合理性。合理选材使得载人舱的重量较小,同时,材料具备良好的综合性能使其能够承受非常高的外部压力及适应严峻的环境条件。在全海深载人舱设计过程中,马氏体时效钢以其较高的强度、良好的韧性、较好的可加工性能及热处理性能而备受关注。其中,18Ni系马氏体时效钢因具备较好的综合性能而作为全海深载人舱的备选材料,因此在载人舱设计之前需要对备选材料的综合性能进行合理的评估。该文对载人舱材料选择标准进行了探讨,以此为基础,针对18Ni系马氏体镍钢的重要性能指标进行了分析,分析结果将为后续的材料试验研究和载人舱初步设计提供理论指导。     

浅海典型声速近程海底混响数值仿真

浅海混响以海底混响为主.本文选取对浅海近程海底混响贡献较大的声线采用射线声学理论,数值计算浅海3种典型声速分布下的海底混响时域信号和混响强度,分析声速分布、脉冲宽度及负跃层声速条件下声源深度对海底混响衰减的影响.计算结果表明:浅海近程混响强度随着时间振荡衰减,不同声速、不同声源深度下混响强度具有相似的衰减特性,但振荡衰减的"波峰"和"波谷"会随着声速分布、声源深度变化而变化.     

Numerical investigation of transmission of low frequency sound through a smooth air-water interface

It is the traditional belief that sound transmission from water to the air is very weak due to a large contrast between air and water impedances. Recently, the enhanced sound transmission and anomalous transparency of air-water interface have been introduced. Anomalous transparency of air-water interface states that the sound generated by a submerged shallow depth monopole point source localized at depths less than 1/10 sound wavelength, can be transmitted into the air with omni-directional pattern. The generated sound has 35 times higher power compared to the classical ray theory prediction. In this paper, sound transmission through air-water interface for a localized underwater shallow depth source is examined. To accomplish this, two-phase coupled Helmholtz wave equations in two-phase media of air-water are solved by the commercial finite element based COMSOL Multiphysics software. Ratios of pressure amplitudes of different sound sources in two different underwater and air coordinates are computed and analyzed against non-dimensional ratio of the source depth (D) to the sound wavelength (λ). The obtained results are compared with the experimental data and good agreement is displayed.     

水下拖体在回转操纵中的运动仿真模拟

水下拖曳系统为各种内河航道工程,近海港口工程前期的勘探活动提供了一种有效途径,当要求对某个目标进行详细探测时,需要拖船进行回转机动操纵,因此拖体运动轨迹准确位置的预报关系到能否完成对目标的探测。文章采用凝集质量法建立水下缆-体系统模型,编制计算机程序,程序模拟了不同回转半径、不同拖速回转操纵下的拖船与拖体运动轨迹,分析了回转操纵中影响拖体稳态及拖体深度的参数。同时,计算机程序仿真模拟了一个"8"字形拖曳操纵,仿真算例与相关文献进行比较,结果表明此计算机程序具有一定工程实用价值。     

海洋环境对UUV作战使用影响研究

UUV的航行安全和所装载的武器、探测设备作战效能受海洋环境影响很大,是确定 UUV航线和深度等具体方案时需重点考虑的因素。从海流、海况、内波、声场特征和密度跃层5个方面论述它们对 UUV的影响,建立海流对 UUV航速和航向影响的数学模型,并对模型进行计算分析。结果表明,对海洋环境加大研究至关重要。     

An outline of R/V Kairei and recent activity of the multichannel seismic reflection survey system (MCS) and ROV Kaiko

The deep-sea research vessel Kairei was built in 1996 to carry out general deep-sea research, and is now active throughout the world. Kairei is the mother ship for the remotely operated vehicle (ROV) Kaiko, which is also equipped with deep-sea research systems. The role of the Kairei is to conduct detailed research on the tectonics of subduction zones and the sea bed in the deep ocean. A multichannel seismic reflection survey system (MCS) was developed in 1997 to investigate the focal mechanism of the huge earthquakes that occurr in subduction zones around Japan. In 1999, a new system was introduced into the MCS system. It took almost a year to improve the new towing assembly for the air gun array. Kaiko is currently the only ROV that can reach a depth of over 10 000 m. The system's ability was proved in various operating conditions, and Kaiko has continued to make new scientific discoveries. The Kairei's deep-sea observation system has become very powerful and stable. These systems will pursue the challenge to understand the unknown global deep-sea frontier. Received: February 5, 2001 / Accepted: April 26, 2001