内波和海面源深度分布对海洋环境噪声场的影响

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海洋环境噪声是水声探测的干扰背景场。内波存在时,海洋环境噪声时空分布将与没有内波时有明显差别;不同海况下,环境噪声源分布也不尽相同,导致环境噪声场产生较大变化。若水声探测仍采用不考虑内波、海况等因素的海洋环境噪声模型,必将出现大的误差,甚至导致探测失败。为此,论文深入研究了内波活动期以及不同海况下的海洋环境噪声场。  通过查阅大量资料,本文初步总结了浅海内波主要特征:低频内潮波(半日潮,全日潮)普遍存在于各浅海海域,高频线性内波和孤子内波叠加其上,向前传播。由于内潮波的存在,所以内波范围一般较大,有时达上几百公里。不同海域的内波频谱衰减系数不尽相同。进而分析探讨了浅海内波引起的海洋声速分布变化规律,构建了准三维浅海内波—环境噪声数理模型;仿真计算了内波活动期海洋环境噪声的深度分布、垂直阵响应以及空间相关性;考虑海面噪声源的深度分布,构建了不同海况下的海洋环境噪声模型;分析处理浅海内波活动期和不同海况下的环境噪声海上实测数据,验证本文模型的有效性,并证实数值计算所得结论。  主要结论如下:  1)浅海线性内波可引起简正波耦合及局部简正波函数的变化,由于夏秋季海面点源激发的高号简正波强度较高,能量易于由高号简正波耦合至低号,导致环境噪声垂直阵响应水平凹槽变浅,环境噪声垂直相关系数过零点位置后移,相关性有所增强。  2)黄海线性内波幅度较小,对低频环境噪声水平相关性影响相对较弱。多波包强孤子内波群对仅考虑内波所在扇区环境噪声的水平相关影响较显著。  3)强孤子内波会导致强烈的简正波耦合,当单波包孤子内波位于接收阵近处时,由于距离孤子内波远的噪声源较多,由低号简正波耦合至高号的能量增多,接收阵获取低号简正波能量减弱,致使环境噪声垂直阵响应水平凹槽变深;当多波包大尺度孤子内波群存在时,内波引起的局部简正波函数变化对环境噪声影响占主导地位;此时,内波可能使低号简正波衰减变快,而高号衰减变慢,从而导致噪声凹槽变深。文中初步理论分析表明:考虑孤子内波所在扇面环境噪声特性明显区别于其它不考虑或无内波扇区,这意味着即使海面噪声源水平均匀分布,存在孤子内波时,环境噪声特性也将呈水平各向异性。浅海内波一定程度上改变了环境噪声在垂直和水平方向的空间结构。  4)气泡是风关噪声主要噪声源,不同海况下气泡类型以及气泡数目随深度的分布情况有所不同,在风速较小时,假设噪声源均匀分布在海面下无限大平面上的传统环境噪声场模型不再适用。本文建立适于不同海况下的风关环境噪声模型,合理解释了不同海况下实测环境噪声垂直相干系数的差异。  本文的创新点:  1)基于准三维浅海内波-环境噪声模型,讨论了浅海线性内波对环境噪声垂直阵响应及垂直相关的影响,从简正波角度分析了成因,并通过实验予以验证。  2)计算中发现某些孤子内波使所在扇区环境噪声垂直阵响应水平凹槽变深这一“异常”现象,理论分析并给出合理解释。指出浅海内波一定程度上改变了环境噪声的空间结构,即使海洋环境噪声源水平均匀分布,环境噪声场也可能因内波而存在各向异性。  3)根据气泡数目随深度的分布情况以及气泡云振荡原理,建立适用不同海况下的风关环境噪声模型。
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