三维非均匀海洋环境中的声传播规律与起伏特性

Three dimensional(3D) inhomogeneity of ocean bathymetry, sea bottom and water column in continental shelf has significant effects on sound propagation. Sound signals will fluctuate and redistribute in space with the random activities of ocean. Sonar performance will be greatly degraded in continental shelf. In this project, A 3D sound propagation model with high accurate and efficient will be developed and parallelized. The effects of the random varying characteristics of ocean environments on the sound field fluctuations will be investigated by using the proposed parallel 3D program. The mechanisms of mode coupling and horizontal reflecting caused by sloping bottom and internal waves will be theoretical studied. Based on the previous researches, two experiments will be designed and conducted in the South China Sea. Using experimental data, the sound temporal-space coherence properties will be analyzed and be used to test the theoretical conclusions. The frequency-shift compensation method based on waveguide invariance will be further developed to increase signal noise ratio in continental shelf environment. The progress of the project will be meaningful for sonar development and usage.

我国周边广泛存在着由浅变深的过渡海域，各种海洋动力环境要素时空变化显著。非均匀海洋环境会导致声场随时间起伏并在三维空间分布发生变化，进而使得声纳的探测性能受到影响。本项目拟建立与非均匀海洋环境相适配的三维声传播模型和快速算法，在并行计算平台上进行数值仿真，深入研究南海大陆陡坡条件下的声场三维变化规律和起伏特性，弄清过渡海域三维环境下简正波耦合机理以及水平折射机理。在上述理论研究基础上，在南海进行2次以上大规模综合性海上验证实验，实验分析过渡海域声场规律和时空相关起伏特性，研究基于波导不变量的声场相关补偿技术在复杂环境下的应用方法。本项研究获得的过渡海域斜坡条件下声场分布和时/空/频相干结构变化规律可为声纳的环境适应性使用和优化设计提供理论支持，以实现水下探测能力的跨越式发展。

我国周边广泛存在着由浅变深的过渡海域，各种海洋动力环境要素时空变化显著。非均匀海洋环境会导致声场随时间起伏并在三维空间分布发生变化，进而使得声纳的探测性能受到影响。本项目针对在过渡海域等复杂海洋环境下水声探测与信息传输的应用需求，主要研究了非均匀海洋环境下三维声场模型、过渡海域声场起伏规律、声场时空相干特性及其在水声探测中的应用、声学实验设备开发及验证等内容。研究取得了突出进展，一些亮点成果在装备中获得了实际应用，现简述如下：成功建立了适用于三维非均匀海洋环境的高精度声场模型和时空四维快速并行算法，集成为复杂海洋环境下的声场预报系统，在三大舰队“水文梯度测量与水声环境参数系统”和试验区靶场水声环境保障中得到应用；发展了三维海洋环境声学实验技术和环境监测方法，成功研发出大深度自容式水听器和深海声学接收潜标，实现了深海大深度声传播信号和浅海起伏环境下声信号与水文环境的长期同步采集，打破国外对我国大深度水听器的技术封锁；完成2次浅海实验和6次深海实验，获得了研究所需的海上实验数据，完成了声场模型和定位技术实验验证；建立了宽带三维声传播统计特性分析模型，揭示了存在深海海底山、海底斜坡、海沟等复杂地形环境下的声传播规律以及环境影响机理，并在实验中观测到了海底山环境下的二维耦合和三维水平折射效应；从统计角度分析了中尺度涡旋、内波、海面起伏与海底粗糙度等复杂海洋环境条件下的声场起伏统计特性；进一步开展了声场时空相干特性、声场空频干涉结构特征、海底声学参数反演等多方面的研究；在此基础上发展了基于水平阵海洋环境噪声的被动水声层析方法，实现水文环境声学监测，发展了适用于深海的超远程水声通信技术，提出了适用于复杂浅海及深海环境的主被动水下目标探测方法，为水声探测设备在复杂海洋环境条件下的适应性改进奠定了重要理论与技术基础。