海洋声波导传递函数被动获取研究

Ocean ambient noise is a kind of background sound field eternally existing in the ocean, and contains rich information of ocean environment. Effictive use time space and frequency characteristics of ocean ambient noise can gain ocean waveguide characteristics passively. In this project, we use a single vertical hydrophone array measurement and distributed more vertical hydrophone arrays synchronical measurement to collect ocean ambient noise data, and gain the transfer function of ocean waveguide using noise field correlation characteristics. This passive measurement method for ocean waveguide transfer function does not rely on launch sound sources, so the transfer function can only extract by ocean ambient noise. For demonstration this passive measurement technique, we use theory and ocean experiment to reciprocally authenticate. We use a single vertical hydrophone to obtain the lengthways transfer function, and discuss the application prospects in sea bottom layered measurement, as well as use ditributed more vertical hydrophone arrays measurement to obtain horizontal transfer function in finitude waveguide. This method has a good research prospect for the ocean ambient noise adhibition and ocean waveguide characteristics.

海洋环境噪声是一种海洋中永恒存在的背景声场，包含了丰富的海洋环境信息。有效利用海洋环境噪声的时空频特性可以被动获取海洋环境特性及其波导特性。本项目研究中，利用单垂直阵测量和分布式多垂直阵同步测量等手段获取海洋波导中的环境噪声，根据噪声场的相关特性获取波导传递函数。这种波导传递函数的被动获取方法不依靠发射声源，仅根据海洋环境噪声信号来获得。本项目从理论研究和海试测量两方面来论证海洋波导传递函数的被动测量技术，其中单垂直阵方法用来获取波导纵向传递函数，并讨论其在海底分层研究上的应用前景，分布式多垂直阵同步测量方法用来获取波导水平有限空间内的传递函数。该被动测量方法具有较好的应用前景，可为海洋环境噪声利用和海洋波导特性研究提供了一种新的思路。

本项目介绍了噪声互相关获取时域传递函数的理论论证过程，并对单垂直阵获取波导纵向传递函数及分布式多垂直阵获取波导水平传递函数进行了数值仿真计算。在单垂直阵获取波导纵向格林函数的过程中，根据海底反射产生的互相关函数导数条纹，可以分析获得海底分层结构等信息；多垂直阵获取波导水平格林函数过程中，各阵元到达时间结构可以获取阵列位置声速剖面SSP。项目通过对海上实验记录得到的海洋环境噪声数据进行详细处理，深入研究了浅海海域海洋环境噪声场相关特性：.（1）青岛黄海海域单垂直阵实验，试验过程中包含主动发射源方式反演海底参数：沉积层厚度、沉积层声速、密度和衰减。噪声数据相关处理得到的纵向时域传递函数（到达时间条纹）能够较为明显的反映海底分层，并根据主动方式得到的沉积层声速获取沉积层厚度，对比主动方式反演结果表明被动方式具有一定的可行性。.（2）海南岛陵水附近进行分布式多垂直阵实验，通过对记录的海洋环境噪声数据进行空间相关特性分析，得到分布式多垂直阵位置波导的水平时域传递函数。并根据得到的声线水平到达时间结构利用模拟退火算法反演阵列位置声速剖面，试验中噪声被动反演声速剖面误差较大。.实验处理结果表明噪声场中两点间的互相关函数与两点间的传递函数具有一定的相似性，可以通过对海洋环境噪声的分析，提取海洋环境噪声场中两点间的互相关函数进而获得两点间的传递函数。虽然实践中噪声互相关被动获取声速剖面结果不够理想，但随着被动测量技术的不断完善，得到结果的准确度也会不断提高。这种被动测量方法有别于其他海洋声传播和信道特性研究方法，在信道参数估计、海底分层特性以及波导时空变化等研究方面具有一定的应用前景，为有效利用海洋环境噪声提供一种新途径，特别是在某些重点海区，在无法实施大型水声试验作业的情况下，环境噪声被动测量就显现出明显的优势。