导致声场干涉条纹模糊和展宽的两种物理过程

Waveguide invariant β is the research hotspots in underwater acoustics, and is widely used in source localization, array processing and inversion of waveguide parameters. These applications need the acoustic interference pattern to keep clear, but because of the complicated environment in the ocean, the interference stripe obtained in the experiment often became wider and steeper, or even became blurred, which is quite disadvantageous for the application ofβ. This project would mainly discuss the physical processes and mechanisms that may lead to the unusual changes of the acoustic interference stripe, and give the indicators that could quantify these changes. Two major contents were involved:(1) explain the characteristic of the acoustic interference intensity when the coupled normal modes, and reveal the coupled normal modes’ mechanism in the unusual changes of the interference stripe, and discuss the impact of the parameters of coupled modes, such as the strength and the position of coupling. (2) analyze the random fluctuation of acoustic modes caused by the random internal waves and explain the blur of the interference stripe caused by the acoustic modes’ decoherence, discuss the relationship of the maximum range that the acoustic filed keeps coherent with the internal waves’ parameters, such as the spectrum and the vertical structure. The project would not only explain the reasons of the unusual changes in the interference stripe, but may also provide possible ways to get rid of the changes. Therefore, this study has both theoretical significance and wide foreground of application.

波导不变量是水声学中的研究热点，它被广泛应用在声源定位、阵处理以及波导参数反演等方面。这些应用都需要保证得到清晰的声场干涉条纹，然而由于海洋环境的复杂性，海上试验中得到的干涉条纹往往出现模糊、展宽、斜率异常增大等现象，这对于基于波导不变量的应用非常不利。本项目主要讨论导致声场干涉条纹异常变化的物理过程、机理，量化条纹异常。主要研究内容包括:（1）分析包含简正波耦合项时干涉声强的特性，揭示简正波耦合在干涉条纹异常变化中的作用机理，讨论耦合位置、耦合强度等因素对干涉条纹异常变化的影响。（2）分析随机内波导致的简正波相位随机起伏，研究声场退相干导致的干涉条纹模糊现象，给出声场保持相干的最大距离与内波参数，如内波谱、垂直模态函数等之间的关系。本项目的研究内容不但能解释干涉条纹异常变化的原因，还为去掉这种异常变化提供了可能的方向，具有重要的理论意义和应用前景。

声场干涉条纹是浅海海域内非常稳定的结构，其在声源测距定位、阵列信号处理、环境参数反演等问题中有着重要的应用。然而学界对声场干涉结构的讨论主要是在水平均匀波导中，或者在绝热近似成立的波导中，对于绝热近似不再成立的波导环境（如有孤子内波的情况）讨论较少。在实际试验中经常可以发现条纹结构远比水平均匀波导复杂，这给基于干涉条纹的应用造成了重大影响。本项目的目的就是研究水平变化波导中声场干涉条纹畸变规律，并尝试给出解决方案。具体开展的研究内容包括孤子内波环境和线性内波环境中声场干涉条纹畸变的物理机理、量化指标、决定性因素研究，以及复杂海域中基于声场干涉条纹定位算法研究。.本项目的研究表明，线性随机内波主要会导致声场干涉条纹（频率、距离坐标）位置的漂移，而孤子内波的影响则复杂的多。孤子内波可以等效为二次声源，其“发出”的声波与声源的直达声波叠加在一起，结果导致声场干涉条纹结构变得非常复杂，这对基于干涉条纹的声源定位算法应用来说是非常不利的。为了保证干涉条纹定位算法的稳定性，开展了复杂环境条件下基于波导不变量β谱的声源定位算法研究，波导不变量β谱分离算法可以实现不同条纹成分的有效分离，根据分离结果，结合项目组提出的前向模型可以实现声源和孤子内波的同时定位，海上试验证明了算法的有效性，测距误差在8%。本项目还借鉴图像处理中的深度学习算法，开展了声场干涉条纹的恢复算法研究。深度卷积网络的训练需要大量样本数据，本项目基于环境非均匀性对干涉条纹影响机理创新性地提出了随机模态耦合矩阵模型，其可以快速大量制备带标签的训练数据，仿真结果表明了条纹恢复算法的有效性。.本项目相关的研究成果可以为基于声场干涉条纹的应用提供理论支持，尤其是在复杂海洋环境中的水下目标定位算法，本项目的研究可以提供新的研究思路和技术路线。