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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)
    [1]

    蒋国庆, 孙超, 刘雄厚, 蒋光禹 2020 哈尔滨工程大学学报 41 1493Google Scholar

    Jiang G Q, Sun C, Liu X H, Jiang G Y 2020 Journal of Harbin Engineering University 41 1493Google Scholar

    [2]

    吴国清, 王美刚, 陈守虎, 马力 2007 声学学报 32 398Google Scholar

    Wu G Q, Wang M G, Chen S H, Ma L 2007 Acta Acustica 32 398Google Scholar

    [3]

    高原, 时胜国 2010 声学技术 29 80Google Scholar

    Gao Y, Shi S G 2010 Technical Acoustics 29 80Google Scholar

    [4]

    方尔正, 杨德森 2009 声学技术 28 91Google Scholar

    Fang E Z, Yang D S 2009 Technical Acoustics 28 91Google Scholar

    [5]

    孙贵青, 杨德森, 张揽月 2002 声学学报 27 429Google Scholar

    Sun G Q, Yang D S, Zhang L Y 2002 Acta Acustica 27 429Google Scholar

    [6]

    向龙凤, 孙超 2014 声学学报 39 570Google Scholar

    Xiang L F, Sun C 2014 Acta Acustica 39 570Google Scholar

    [7]

    Baggeroer A B, Kuperman W A, Mikhalevsky P N 1993 IEEE J. Oceanic Eng. 18 401Google Scholar

    [8]

    Bucker H P 1976 J. Acoust. Soc. Am. 59 368Google Scholar

    [9]

    Yang T C 1987 J. Acoust. Soc. Am. 82 1736Google Scholar

    [10]

    Yang T C 1990 J. Acoust. Soc. Am. 87 2072Google Scholar

    [11]

    林建恒, 常道庆, 马力, 李学军, 蒋国健 2001 声学学报 26 217Google Scholar

    Lin J H, Chang D Q, Ma L, Li X J, Jiang G J 2001 Acta Acustica 26 217Google Scholar

    [12]

    向龙凤, 孙超, 李明杨 2015 声学学报 40 779Google Scholar

    Xiang L F, Sun C, Li M Y 2015 Acta Acustica 40 779Google Scholar

    [13]

    Shang E C, Wang Y Y 1991 J. Acoust. Soc. Am. 89 2285Google Scholar

    [14]

    Del Balzo D R, Feuillade C, Rowe M M 1988 J. Acoust. Soc. Am. 83 2180Google Scholar

    [15]

    Hamson R M, Heitmeyer R M 1989 J. Acoust. Soc. Am. 86 1950Google Scholar

    [16]

    Feuillade C, Del Balzo D R, Rowe M M 1989 J. Acoust. Soc. Am. 85 2354Google Scholar

    [17]

    赵航芳, 李建龙, 宫先仪 2011 哈尔滨工程大学学报 32 200Google Scholar

    Zhao H F, Li J L, Gong X Y 2011 Journal of Harbin Engineering University 32 200Google Scholar

    [18]

    刘宗伟, 孙超, 杜金燕 2013 物理学报 62 064303Google Scholar

    Liu Z W, Sun C, Du J Y 2013 Acta Phys. Sin. 62 064303Google Scholar

    [19]

    李明杨, 孙超, 邵炫 2014 物理学报 63 204302Google Scholar

    Li M Y, Sun C, Shao X 2014 Acta Phys. Sin. 63 204302Google Scholar

    [20]

    Dosso S E, Morley M G, Giles P M, Brooke G H, McCammon D F, Pecknold S, Hines P C 2007 J. Acoust. Soc. Am. 122 2560Google Scholar

    [21]

    孔德智, 孙超, 李明杨, 卓颉, 刘雄厚 2019 物理学报 68 174301Google Scholar

    Kong D Z, Sun C, Li M Y, Zhuo J, Liu X H 2019 Acta Phys. Sin. 68 174301Google Scholar

    [22]

    贾雨晴, 苏林, 郭圣明, 马力 2018 物理学报 67 174302Google Scholar

    Jia Y Q, Su L, Guo S M, Ma L 2018 Acta Phys. Sin. 67 174302Google Scholar

    [23]

    Porter M B, Tolstoy A 1994 J. Comput. Acoust. 2 161Google Scholar

    [24]

    Jensen F B, Kuperman W A, Portor M B, Schmidt H 2000 Computational Ocean Acoustics (Vol. 2) (New York: American Institute of Physics) p338−358

    [25]

    段哲民, 尹熙鹏 2020 信号与系统 (第四版) (北京: 电子工业出版社) 第84 页

    Duan Z M, Yin X P 2020 Signals and Systems (Vol. 4) (Beijing: Publishing House of Electronics Industry) p84 (in Chinese)

  • 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]

    蒋国庆, 孙超, 刘雄厚, 蒋光禹 2020 哈尔滨工程大学学报 41 1493Google Scholar

    Jiang G Q, Sun C, Liu X H, Jiang G Y 2020 Journal of Harbin Engineering University 41 1493Google Scholar

    [2]

    吴国清, 王美刚, 陈守虎, 马力 2007 声学学报 32 398Google Scholar

    Wu G Q, Wang M G, Chen S H, Ma L 2007 Acta Acustica 32 398Google Scholar

    [3]

    高原, 时胜国 2010 声学技术 29 80Google Scholar

    Gao Y, Shi S G 2010 Technical Acoustics 29 80Google Scholar

    [4]

    方尔正, 杨德森 2009 声学技术 28 91Google Scholar

    Fang E Z, Yang D S 2009 Technical Acoustics 28 91Google Scholar

    [5]

    孙贵青, 杨德森, 张揽月 2002 声学学报 27 429Google Scholar

    Sun G Q, Yang D S, Zhang L Y 2002 Acta Acustica 27 429Google Scholar

    [6]

    向龙凤, 孙超 2014 声学学报 39 570Google Scholar

    Xiang L F, Sun C 2014 Acta Acustica 39 570Google Scholar

    [7]

    Baggeroer A B, Kuperman W A, Mikhalevsky P N 1993 IEEE J. Oceanic Eng. 18 401Google Scholar

    [8]

    Bucker H P 1976 J. Acoust. Soc. Am. 59 368Google Scholar

    [9]

    Yang T C 1987 J. Acoust. Soc. Am. 82 1736Google Scholar

    [10]

    Yang T C 1990 J. Acoust. Soc. Am. 87 2072Google Scholar

    [11]

    林建恒, 常道庆, 马力, 李学军, 蒋国健 2001 声学学报 26 217Google Scholar

    Lin J H, Chang D Q, Ma L, Li X J, Jiang G J 2001 Acta Acustica 26 217Google Scholar

    [12]

    向龙凤, 孙超, 李明杨 2015 声学学报 40 779Google Scholar

    Xiang L F, Sun C, Li M Y 2015 Acta Acustica 40 779Google Scholar

    [13]

    Shang E C, Wang Y Y 1991 J. Acoust. Soc. Am. 89 2285Google Scholar

    [14]

    Del Balzo D R, Feuillade C, Rowe M M 1988 J. Acoust. Soc. Am. 83 2180Google Scholar

    [15]

    Hamson R M, Heitmeyer R M 1989 J. Acoust. Soc. Am. 86 1950Google Scholar

    [16]

    Feuillade C, Del Balzo D R, Rowe M M 1989 J. Acoust. Soc. Am. 85 2354Google Scholar

    [17]

    赵航芳, 李建龙, 宫先仪 2011 哈尔滨工程大学学报 32 200Google Scholar

    Zhao H F, Li J L, Gong X Y 2011 Journal of Harbin Engineering University 32 200Google Scholar

    [18]

    刘宗伟, 孙超, 杜金燕 2013 物理学报 62 064303Google Scholar

    Liu Z W, Sun C, Du J Y 2013 Acta Phys. Sin. 62 064303Google Scholar

    [19]

    李明杨, 孙超, 邵炫 2014 物理学报 63 204302Google Scholar

    Li M Y, Sun C, Shao X 2014 Acta Phys. Sin. 63 204302Google Scholar

    [20]

    Dosso S E, Morley M G, Giles P M, Brooke G H, McCammon D F, Pecknold S, Hines P C 2007 J. Acoust. Soc. Am. 122 2560Google Scholar

    [21]

    孔德智, 孙超, 李明杨, 卓颉, 刘雄厚 2019 物理学报 68 174301Google Scholar

    Kong D Z, Sun C, Li M Y, Zhuo J, Liu X H 2019 Acta Phys. Sin. 68 174301Google Scholar

    [22]

    贾雨晴, 苏林, 郭圣明, 马力 2018 物理学报 67 174302Google Scholar

    Jia Y Q, Su L, Guo S M, Ma L 2018 Acta Phys. Sin. 67 174302Google Scholar

    [23]

    Porter M B, Tolstoy A 1994 J. Comput. Acoust. 2 161Google Scholar

    [24]

    Jensen F B, Kuperman W A, Portor M B, Schmidt H 2000 Computational Ocean Acoustics (Vol. 2) (New York: American Institute of Physics) p338−358

    [25]

    段哲民, 尹熙鹏 2020 信号与系统 (第四版) (北京: 电子工业出版社) 第84 页

    Duan Z M, Yin X P 2020 Signals and Systems (Vol. 4) (Beijing: Publishing House of Electronics Industry) p84 (in Chinese)

  • [1] 郭唯琛, 艾保全, 贺亮. 机器学习回归不确定性揭示自驱动活性粒子的群集相变. 物理学报, 2023, 72(20): 200701. doi: 10.7498/aps.72.20230896
    [2] 张诗琪, 杨化通. 不确定性的定量描述和熵不确定关系. 物理学报, 2023, 72(11): 110303. doi: 10.7498/aps.72.20222443
    [3] 王兴平, 赵刚, 焦康, 陈兵, 阚瑞峰, 刘建国, 马维光. 光学反馈线性腔衰荡光谱技术不确定性. 物理学报, 2022, 71(12): 124201. doi: 10.7498/aps.70.20220186
    [4] 王兴平, 赵刚, 焦康, 陈兵, 阚瑞峰, 刘建国, 马维光. 光学反馈线性腔衰荡光谱技术不确定性研究. 物理学报, 2022, 0(0): 0-0. doi: 10.7498/aps.71.20220186
    [5] 刘尚阔, 王涛, 李坤, 曹昆, 张玺斌, 周艳, 赵建科, 姚保利. 光源光谱特性对空间相机调制传递函数检测的影响. 物理学报, 2021, 70(13): 134208. doi: 10.7498/aps.70.20201575
    [6] 段亚轩, 刘尚阔, 陈永权, 薛勋, 赵建科, 高立民. Bayer滤波型彩色相机调制传递函数测量方法. 物理学报, 2017, 66(7): 074204. doi: 10.7498/aps.66.074204
    [7] 李鹤龄, 王娟娟, 杨斌, 王亚妮, 沈宏君. 广义不确定性原理下费米气体低温热力学性质. 物理学报, 2015, 64(8): 080502. doi: 10.7498/aps.64.080502
    [8] 焦健, 高劲松, 徐念喜, 冯晓国, 胡海翔. 基于传递函数的频率选择表面集总参数研究. 物理学报, 2014, 63(13): 137301. doi: 10.7498/aps.63.137301
    [9] 吴涛, 金义富, 侯睿, 杨俊杰. 不确定性边缘表示与提取的认知物理学方法. 物理学报, 2013, 62(6): 064201. doi: 10.7498/aps.62.064201
    [10] 相里斌, 张文喜, 伍洲, 吕笑宇, 李杨, 周志盛, 孔新新. 相干场成像技术接收镜精度对传递函数的影响. 物理学报, 2013, 62(22): 224201. doi: 10.7498/aps.62.224201
    [11] 肖啸, 张志友, 肖志刚, 许德富, 邓迟. 银层超透镜光学传递函数的研究. 物理学报, 2012, 61(11): 114201. doi: 10.7498/aps.61.114201
    [12] 相里斌, 袁艳, 吕群波. 傅里叶变换光谱成像仪光谱传递函数研究. 物理学报, 2009, 58(8): 5399-5405. doi: 10.7498/aps.58.5399
    [13] 戚巽骏, 林 斌, 曹向群, 陈钰清. 基于调制传递函数的光学低通滤波器评价模型与实验研究. 物理学报, 2008, 57(5): 2854-2859. doi: 10.7498/aps.57.2854
    [14] 田进寿, 赵宝升, 吴建军, 赵 卫, 刘运全, 张 杰. 飞秒电子衍射系统中调制传递函数的理论计算. 物理学报, 2006, 55(7): 3368-3374. doi: 10.7498/aps.55.3368
    [15] 岳 东, Jun Yoneyama. 含不确定性混沌系统的模糊自适应同步. 物理学报, 2003, 52(2): 292-297. doi: 10.7498/aps.52.292
    [16] 李智, 韩崇昭. 一类含参数不确定性混沌系统的自适应控制. 物理学报, 2001, 50(5): 847-850. doi: 10.7498/aps.50.847
    [17] 李海阳, 周建平, 冯莹. 扩散沟道光波导的数值条形传递函数方法. 物理学报, 2000, 49(3): 565-569. doi: 10.7498/aps.49.565
    [18] 向际鹰, 吴 震, 曾绍群, 骆清铭, 张 平, 黄德修. 弱相干扫描层析成像系统的三维传递函数分析. 物理学报, 1999, 48(10): 1831-1838. doi: 10.7498/aps.48.1831
    [19] 黄 菁, 梁瑞生, 司徒达, 张坤明, 唐志列. 高斯光束共焦扫描激光显微镜的光学传递函数. 物理学报, 1998, 47(8): 1289-1295. doi: 10.7498/aps.47.1289
    [20] 西门纪业, 晏继文, 黄旭. 存在球差和失焦下电子光学传递函数和脉冲响应函数. 物理学报, 1985, 34(3): 348-358. doi: 10.7498/aps.34.348
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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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