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浅海波导环境不确定性对声源功率估计的影响

张少东 孙超 谢磊 刘雄厚 王宣

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浅海波导环境不确定性对声源功率估计的影响

张少东, 孙超, 谢磊, 刘雄厚, 王宣

Influence of environmental uncertainty on source power estimation in shallow water waveguide

Zhang Shao-Dong, Sun Chao, Xie Lei, Liu Xiong-Hou, Wang Xuan
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  • 匹配场声源功率估计方法解决了传统球面波或柱面波假设下的声源功率估计方法受浅海波导效应影响较大的问题, 但浅海波导环境不确定性会严重影响匹配场声源功率估计结果的准确性. 本文定义声源功率估计性能环境失配敏感度, 量化表示环境不确定时匹配场声源功率估计性能的损失, 推导了声源功率估计性能损失与信道传递函数估计偏差的关系, 利用信道传递函数估计值与理想值的模值偏差和夹角表示. 在此基础上, 研究了环境不确定性影响声源功率估计的机理, 以及海水深度、海水声速和沉积层声速变化对声源功率估计的影响程度. 研究表明, 不同环境参数变化对信道传递函数模值的影响均比较小, 声源功率估计性能下降的主要原因是信道传递函数估计值与理想值的夹角变化较大. 海水深度变化对功率估计结果的影响最为显著, 沉积层声速变化对功率估计结果的影响很小, 除海水深度外, 在高频段范围内海水声速变化对功率估计结果的影响较大.
    The method of estimating matched field power solves the problem that the traditional method of estimating power under the assumption of spherical or cylindrical wave is greatly affected by the shallow water waveguide. However, the accuracy of the matched field power estimation is seriously affected by the environmental uncertainty. In this work, the environmental sensitivity in source power estimation is defined, and the loss of the source power estimation performance is quantified when the environment is uncertain. The relation between the loss of the source power estimation performance and the estimation deviation of the acoustic transfer function is derived by using the modulus deviation and the angle between the estimated acoustic transfer function and the ideal value. On this basis, we study the mechanism of the influence of environmental uncertainty on source power estimation, and the influences of water depth, sound speed of water and sound speed of sedimentary layer on the estimation of source power. The results show that the influences of different environmental parameters on the modulus are small, and the decline of the power estimation performance is mainly due to the fact that the angle varies greatly. The change of water depth has the most significant influence on the power estimation results, and the change of sound speed of sedimentary layer exerts little influence on the power estimation results. Beside the water depth, the change of sound speed of water has a greater influence on the power estimation results at high frequencies.
      通信作者: 孙超, csun@nwpu.edu.cn
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 11974285)资助的课题
      Corresponding author: Sun Chao, csun@nwpu.edu.cn
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11974285)
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  • 图 1  浅海声速剖面示意图

    Fig. 1.  Sound velocity profile in shallow water

    图 2  不同简正波对应的$ \Delta h $示意图

    Fig. 2.  $ \Delta h $ of different kind of normal mode

    图 3  NRL Workshop’93提供的Benchmark标准浅海声速剖面

    Fig. 3.  NRL Workshop’93 Benchmark standard shallow water sound profile

    图 4  环境不确定性对信道传递函数以及声源功率估计的影响  (a) 信道传递函数; (b) 声源功率估计

    Fig. 4.  Influence of environmental uncertainty on acoustic transfer function and source power estimation: (a) Acoustic transfer function; (b) source power estimation

    图 5  海水深度($ d_1 $)变化对各类简正波的影响

    Fig. 5.  Influence of the variation of water depth on different kind of normal mode

    图 6  海水声速($ c_1, c_2 $) 变化对各类简正波的影响 (a) $ c_1 $变化; (b) $ c_2 $变化

    Fig. 6.  Influence of the variation of sound velocity of water on different kind of normal mode: (a) The variation of $ c_1 $; (b) the variation of $ c_2 $

    图 7  沉积层声速($ c_3, c_4 $)变化对各类简正波的影响 (a) $ c_3 $变化; (b) $ c_4 $变化

    Fig. 7.  Influence of the variation of sound velocity of sediment on different kind of normal mode: (a) The variation of $ c_3 $; (b) the variation of $ c_4 $

    图 8  不同环境参数变化时的声源功率估计结果 (a) 整体图; (b) 局部放大图

    Fig. 8.  Source power estimation when different environmental parameters change: (a) Overall; (b) partial enlargement

    图 9  环境不确定性对不同频率声源功率估计的影响

    Fig. 9.  Influence of environmental uncertainty on source power estimations at different frequencies

    图 10  不同环境参数变化对不同频率声源功率估计的影响  (a) 整体图; (b) 局部放大图

    Fig. 10.  Influence of different environmental parameters on source power estimations at different frequencies: (a) Overall; (b) partial enlargement

    表 1  各类简正波对应的水平波数$ k_{rm} $及可传播深度范围$ \Delta h $

    Table 1.  $ k_{rm} $ and $ \Delta h $ of different kind of normal mode

    简正波类型 $ k_{rm} $ $ \Delta h $
    EM $ k_{rm}<\dfrac{\omega}{c_3} $ $ \left[ 0, d_{\mathrm{sed}}\right] $
    FPM $\dfrac{\omega}{c_3}\leqslant k_{rm}\leqslant \dfrac{\omega}{c_1}$ $ \left[ 0, d_1\right] $
    PPM $\dfrac{\omega}{c_1} < k_{rm}\leqslant \dfrac{\omega}{c_2}$ $ \left[ d_{\mathrm{sea}}, d_1\right] $
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    表 2  信道传递函数和声源功率估计的统计结果

    Table 2.  Statistical results of acoustic transfer function and source power estimation

    物理量 最大值/dB 最小值/dB 均值/dB 方差
    $20\lg\left| D_{\rm{Mod} } \right|$ 0.83 –1.49 –0.11 0.24
    $ 20\lg\left| \cos \theta\right| $ –0.02 –30.97 –5.78 28.52
    $\hat{P}_{\mathrm{c} }$ 100 100 100 0
    $\hat{P}_{\mathrm{u} }$ 100.35 69.73 94.11 28.37
    $ S_{\mathrm{em}} $ 0.35 –30.27 –5.89 28.37
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    表 3  不同环境参数条件下各类简正波的阶数

    Table 3.  The number of different kind of normal mode under different environmental parameters

    环境参数条件 PPM FPM EM
    环境参数均为标称值 1—7 (共7阶) 8—25 (共18阶) 26—127 (共102阶)
    $ d_1$ = 105 m (最大值) 1—7 (共7阶) 8—26 (共19阶) 27—129 (共103阶)
    $ c_1 $ = 1502.5 m/s (最大值) 1—8 (共8阶) 9—25 (共17阶) 26—127 (共102阶)
    $ c_2$ = 1482.5 m/s (最大值) 1—7 (共7阶) 8—25 (共18阶) 26—126 (共101阶)
    $ c_3 $ = 1650 m/s (最大值) 1—7 (共7阶) 8—30 (共23阶) 31—124 (共94阶)
    $ c_4 $ = 1850 m/s (最大值) 1—7 (共7阶) 8—25 (共18阶) 26—126 (共101阶)
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  • [1]

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出版历程
  • 收稿日期:  2021-05-06
  • 修回日期:  2021-06-29
  • 上网日期:  2021-08-30
  • 刊出日期:  2021-12-20

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