陆架斜坡海域声场空时特性与声基阵处理性能研究

Continental slope is a kind of typical sea bottoms stretching from the shallow water to the deep ocean around China coast line. Compared to the flat sea bottom, the sound propagation mechanism in this environment is much more complicated and has significant influence on the performance of the sonar equipment working in the slope region. However, the research on these issues are relatively deficient, especially those related with the practical applications. This project focuses on some typical continental slope regions in South China Sea and will conduct researches in these areas in following aspects: 1) the spatial and temporal properties of the acoustic field, 2) the sound transmission properties to the first convergence zone and their dependence on parameters including the frequency, source/receiver depths, and etc., 3) the array gain of a large aperture horizontal line array and its relation with the bottom properties, the frequency, the array length, and distance to the source, and 4) the detection performance of sonar systems. Besides, the research will consider both situations with the deterministic acoustic environment and the influence of uncertainties in the underwater parameters. The main goal of this project is to figure out the causes and innate laws resulting in performance degradation of sonar systems working in the slope region, and also the regularity of the sound propagation characteristics in this certain scenario, which will help provide valuable reference to the usage of underwater equipments.

在我国周边海域浅海与深海之间是典型的过渡型海域，相对于平坦浅海环境而言，构成了更加复杂的水声传播信道，海洋环境对声呐等水声装备实际使用性能的影响更加显著。但是，相关基础性研究却非常缺乏。本项目从我国海洋权益保护和国防安全大的需要背景出发，针对南海某特定陆架斜坡海域声场环境及海底底质特性条件，开展声场时空分布与相关特性、传播特性、大孔径基阵处理增益、声呐系统检测性能等方面系统性研究工作，具体包括大尺度内声场水平分布特性，远至第一会聚区的上坡/下坡声传播特性，传播损失随声源深度/工作频率的变化关系，大孔径水平基阵处理增益与地形/底质/频率/阵长/距离等因素的关系，以及海洋环境不确定性对上述各种特性与参数变化关系中的影响，旨在了解和掌握陆架斜坡过渡海域水声传播规律和空时特性，揭示实际海洋环境中声呐系统性能下降的定性原因与定量变化，形成陆架斜坡海域声传播特性与规律研究成果，为装备使用提供实际参考

陆架斜坡在我国周边海域具有广泛性和典型性，但有关其中声传播特性和基阵处理算法的研究到目前为止还十分缺乏，这严重制约了我国在该海域内开展各项军事、民事活动。本项目围绕南海某特定陆架斜坡海域，从信号（声传播）——噪声——阵处理算法三个方面，对该海域内的声场时空相关特性、上/下坡声传播规律，环境噪声垂直空间特性和非线性时间特性，水声传播对基阵处理增益的影响机理、定量描述、波束形成改进方法，以及复杂波导环境中的目标检测性能分析和提高方法进行了全面深入的研究，并开展了三次大型声学航次调查试验以推动研究的开展和成果验证。各项研究取得成果如下：1）建立了陆架斜坡海域声场统计模型，推导了该海域内声场时空相关性的简正波表达式，明确了海水声速、底质特性和声源频率等参数对声场时空相关性的影响规律；2）阐明了下坡“泥流效应”和上坡“声能量急剧下降”现象的形成机理，并提出了对应的定量分析方法；3）推导了深海环境噪声垂直空间特性表达式，分析了噪声垂直空间指向性的特征规律，阐明了深海表面声信道和涡旋对噪声垂直空间特性的影响机理；4）利用实测噪声数据，分析了噪声非线性时间特性，证明了环境噪声同时包含混沌和随机过程，两者分别对应了航船噪声和风成噪声；5）推导得到水下声信道传递函数与阵增益之间的理论表达式，证明了传统阵增益计算公式是该表达式的特例；6）提出了补偿相位以恢复声场相关性，进而提高阵处理增益的波束形成方法；7）针对信号空间相关性衰减、不确定海洋环境和相关噪声等检测场景，相继提出了基于子阵处理、模态空间检测和子空间检测的多种检测器，显著提升了水下目标检测性能。本项目形成了针对陆架斜坡海域的声场时空特性、声传播机理和规律、基阵处理性能和算法改进等方面的系统性研究成果，不仅弥补了我国在该类型海域水声物理理论研究上的不足，同时还为工作在该海域中的实际声呐系统性能评估和算法设计提供了有力支撑。