Miniature photonic-crystal hydrophone optimized for ocean acoustics
这项工作报告的光学水听器，是不敏感的静水压力，但能够测量声压低的背景噪声在海洋中的频率范围为1赫兹至100千赫。微型水听器由一个法布里-珀罗干涉仪制成的光子晶体反射器与单模光纤询问，并与现有的光纤技术兼容。放置在亚波长大小的水听器头内的具有不同声功率范围的三个传感器允许超过160 dB的高动态范围，具有优于-30 dB的低谐波失真。提出了一种抑制同一水听器头内各传感器间交叉耦合的方法。制造、组装和测试了一个原型。灵敏度测量范围为100 Hz至100 kHz，表明最小可检测压力低至12 μPa（1 Hz噪声带宽），平坦频带宽于10 kHz，失真非常低。
2010-12-13 physics.ao-ph physics.ins-det physics.optics
Constructing acoustic timefronts using random matrix theory
在最近的一封信中（Europhys。Lett. 97，34002（2012）]，随机矩阵理论被引入用于海洋中的长距离声传播。该理论表示在酉传播矩阵，表示由于海洋的内波引起的声速波动的声学模式之间的散射。的散射表现出幂律衰减作为模式数的差异的函数，从而产生一个幂律，带状，随机酉矩阵合奏。这项工作给出了一个更完整的说明，这种方法，并扩展的方法来建设一个合奏的声学时间。其结果是一个非常有效的方法，研究在不同的传播范围，同意以及传播的基础上的抛物方程的时间波前的统计特性。它有助于确定海洋环境的哪些信息在时间段中幸存下来，以及如何将数据的特征与幸存的环境信息联系起来。它还直接连接到其他无序波导环境中使用的方法，其中随机矩阵理论的使用有几十年的历史。
2012-10-15 math-ph math.MP nlin.CD
Study of wave chaos in a randomly-inhomogeneous oceanic acoustic waveguide: spectral analysis of the finite-range evolution operator
研究了海洋波导中的声传播问题。波导中的随机不均匀性对电磁波的散射导致了波的混沌。混沌在有限程演化算子（FREO）的谱特性中表现出来。FREO描述了波场在沿着波导的有限段传播的过程中的变换。我们研究过渡到混沌跟踪变化的频谱统计随着长度的增加段。FREO的分析是伴随着射线计算使用一步庞加莱映射，这是经典的FREO对应。以日本海水声信道为例进行了研究。利用了几种光谱分析方法。特别地，我们用Berry-Robnik和Brody分布来近似能级间距统计，用A. Relano与同事（Relano等人，Phys. Rev. Lett.，2002; Relano，Phys. Rev. Lett.，2008年），并分析模态展开的特征函数。我们表明，FREO本征函数的分析比本征值统计分析更翔实。结果发现，近轴声传播在日本海保持稳定，即使在数百公里的距离。这种现象与经典相空间中存在的无剪切环面有关。声波波长的增加降低了散射，导致一步庞加莱映射的周期轨道附近的本地化恢复。依靠波和量子混沌之间的形式类比，我们建议FREO的概念，通过一步庞加莱映射的经典计算支持，可以有效地应用于研究量子系统中的混沌诱导退相干。
2012-03-27 nlin.CD physics.ao-ph quant-ph
The influence of vertical resolution on internal tide energetics and subsequent effects on underwater acoustic propagation
本文利用HYCOM理想化海脊模拟，系统比较8至128个等密度面层，发现至少48层才能可靠再现内潮能量与声传播特征。
2024-04-09 physics.ao-ph
Source localization in an ocean waveguide using supervised machine learning
海洋声学中的声源定位是一个机器学习问题，其中数据驱动的方法直接从观测到的声学数据中学习声源范围。通过构造归一化样本协方差矩阵（SCM）对垂直线阵接收到的声压信号进行预处理，并将其作为输入信号。本文研究了三种机器学习方法（前馈神经网络（FNN）、支持向量机（SVM）和随机森林（RF）），重点研究了FNN。通过这三种机器学习算法，将范围估计问题作为分类问题和回归问题来解决。Noise09实验的距离估计结果比较了FNN，SVM，RF和传统的匹配场处理，并展示了机器学习在水下源定位中的潜力。
2017-09-06 cs.NE physics.ao-ph physics.geo-ph
Application of a spectral scheme to simulate horizontally slowly varying three-dimensional ocean acoustic propagation
针对水平缓变波导环境，提出基于切比雪夫谱方法离散的三维绝热模态-抛物方程混合模型，垂直向用谱方法解模态并处理分层与泄漏模态，水平向用完美匹配层处理无界域，数值模拟验证了其可靠性。
2024-07-17 physics.ao-ph physics.comp-ph
Random matrix theory for underwater sound propagation
海洋声传播可以用弱随机介质中的波导来描述，这种弱随机介质会产生多次散射。20年前，这被认为是一个量子混沌问题，但随机矩阵理论，量子或波混沌研究的支柱之一，从来没有被引入到这个问题中。波导的模式提供了传播的表示，其在抛物线近似中是么正的。由海洋内波引起的散射导致了一个幂律随机带状酉矩阵集合，用于远程深海声传播。该合奏有相似之处，但不同的，从那些研究安德森金属-绝缘体转变。由此产生的长程传播系综统计与使用抛物方程的全波传播的统计吻合得很好。
2011-05-13 math-ph math.MP nlin.CD
Hybrid normal mode and energy flux model for an ideal oceanic wedge environment with radial sound speed front
能流是一种声学传播模型，它计算局部平均强度而不计算显式特征值或跟踪射线。能流方法迄今为止只用于二维问题，这些问题由于旋转或平移对称性而坍缩了第三维。本报告概述了三维海洋声传播模型的推导和实施，使用正常模式和能量通量方法的组合。该模型是专门为楔形环境与径向声速前在一定距离的海岸线。混合能通量模型的输出相比，另一个传播模型，为这个环境是建立在正常模式单独。观察到焦散特征的形状、位置和振幅的一般一致性，但存在一些差异，这些差异可能归因于模型推导中的固有差异。这项工作作为一个垫脚石，朝着发展一个更广义的三维能量通量模型。
2022-04-01 physics.ao-ph physics.comp-ph
Estimating Surface Sediments Using Multibeam Sonar
我们详细的声学后向散射处理的表征和映射的海底。
2006-06-21 physics.ao-ph
High-Frequency Acoustic Sediment Classification in Shallow Water
介绍了一种高频（12 kHz）多波束声纳数据的地声反演技术，作为浅水（40- 300 m）海底沉积物分类的一种手段。反演利用后向散射数据在各种掠射角估计平均粒度。需要沉积物类型和大量的多波束数据收集与海军海洋学办公室的Simrad EM 121 A系统，促进了算法的发展，以处理EM 121 A声学后向散射到沉积物类型的地图。采用APL-UW（华盛顿大学应用物理实验室）后向散射模型，结合模拟退火算法反演了6个地声参数。对于反演，根据与平均粒度的经验相关性，其中三个参数被约束，所述平均粒度被引入作为无约束参数。四个无约束（自由）参数是平均粒度，沉积物体积的相互作用，和两个海底粗糙度参数。声学沉积物分类是在Onslow湾地区的北卡罗莱纳州海岸使用12 kHz的Simrad EM 121 A多波束声纳系统的数据。原始水听器数据波束形成为122个波束，在底土上具有120度条带，并且计算每个波束和每个ping的后向散射强度。地面实况由声纳测量附近的68个抓斗样品组成，这些样品已经过平均粒度分析。反演得到的平均粒径与地面实测值的一致率为90%，可能是浅水区高频声学沉积物分类的有用工具。
2006-07-17 physics.ao-ph
Stable components of sound fields in the ocean
本文提出了一种寻找海洋声波导中对声速扰动弱敏感的波场分量的方法。这样的一个组成部分是由一个狭窄的光束，其在垂直方向上的传播，直到观察范围，保持小于垂直尺度的扰动。这些射线实际上穿过相同的不均匀性，因此它们的相位获得接近的增量。如果射线振幅变化不显著，则（i）受扰动和未受扰动波导中单色场的稳定分量仅相差恒定相位因子，以及（ii）在瞬态波场的情况下，扰动仅导致稳定分量作为整体的附加时间延迟。它示出了如何稳定的组件可以选择从总波场使用在相干态或正交模中的场展开。通过对深水波导中声场的数值模拟，证明了稳定分量的存在。事实证明，即使假设（i）和（ii）不完全满足，扰动和未扰动波导中的稳定分量也非常接近。
2016-10-08 physics.ao-ph
Ray-based description of mode coupling by sound speed fluctuations in the ocean
分析波动水下波导中模式耦合的传统方法是基于求解在马尔可夫近似中导出的模式振幅的二阶统计矩的耦合方程组[D. B.作者声明：J. Soc. Am. 99，2825- 2838（1996）]。在目前的工作中，另一种方法被认为是。它基于在高频近似中导出的模式耦合方程的解析解[A. L. Virovlyanskii和A.G. Kosterin，Sov.物理声学35，138-142（1987）]。这种将模式振幅表示为来自两个几何射线的贡献之和的解决方案便于统计平均。它允许一个很容易地推导出任何模式振幅的统计矩的解析表达式。通过比较其预测的深水声波导与全波数值模拟的结果进行了使用广角抛物方程的方法，这种方法的适用性证明。
2014-07-15 physics.ao-ph
Full reconstruction of acoustic wavefields by means of pointwise measurements
考虑了海洋中的声传播。我们展示了一种新的算法，通过垂直阵列使用逐点测量的全波场重建。该算法是基于所谓的离散变量表示，可以实现音调和脉冲信号。结果表明，该算法对阵列畸变和中等幅度的环境噪声具有较强的鲁棒性。利用浅海波导模型进行了数值模拟，验证了重构的有效性。结果发现，底部声衰减的影响，使准确的重建与阵列具有相对较低的水听器密度。
2021-03-10 eess.SP physics.ao-ph physics.flu-dyn
Utility of ocean wave parameters in ambient noise prediction
本研究针对海洋环境噪声的风成噪声分量预测，提出独立于风速关联的浪噪相关性识别方法，通过多站点配对实验发现加入海浪参数的降噪提升稳定但幅度有限，验证了波浪破碎对风的快速响应特性。
2024-08-19 physics.ao-ph
Retrieval of Ocean Surface Currents and Vertical Shear from HF Radar Observations
School of Mechanical Engineering, Tel-Aviv University（特拉维夫大学机械工程学院）；Université Paris-Saclay, Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay（巴黎萨克雷大学，巴黎萨克雷高等师范学院）；Mathematical Institute of the Serbian Academy of Sciences（塞尔维亚科学院数学研究所）；School of Mathematics and Computing, Keele University（基尔大学数学与计算学院）
提出一种利用单频高频雷达估计海面径向流速和垂直剪切的新方法，通过分析布拉格峰的不对称频移反演剪切，并验证了在强风条件下的适用性。
2026-05-28 physics.ao-ph
A three-dimensional energy flux acoustic propagation model
本文将能量通量方法扩展到三维海洋声学环境，通过双模式求和、立体角积分和横向循环轨迹衰减累积，高效计算水平折射非相干声强度，并在 ASA 楔形问题上验证了传播损失精度。
2025-06-03 physics.ao-ph physics.comp-ph
Topology in shallow-water waves: a violation of bulk-edge correspondence
本文研究了描述地球海洋层的二维旋转浅水模型。它在形式上类似于薛定谔方程，其中拓扑绝缘体的工具是相关的。一旦在小尺度上通过奇粘性项正则化，这样的模型就有一个定义良好的整体拓扑指数。然而，在存在一个尖锐的边界，边缘模式的数量取决于边界条件，表现出显着违反散装边缘对应。我们研究了一个连续的家庭的边界条件与丰富的相图，并解释了这种不匹配的起源。我们的方法依赖于散射理论和Levinson定理。后者不适用于无限动量，因为那里的散射振幅的分析结构，最终负责违反。
2020-01-02 cond-mat.mes-hall math-ph math.MP
Detailing secondary frontal bore of internal tides breaking above deep-ocean topography
本研究通过系泊观测揭示深海洋底地形上方内潮破碎产生的次级波前，其湍流强度与主波前相当但翻转更大且触及海底，并呈现四分之一日周期性，表现为向前破碎特征。
2023-11-14 physics.ao-ph
High-intensity wave vortices around subwavelength holes: from ocean tides to nanooptics
本文提出一种新型波涡旋，可在均匀二维平面中任意小的孔洞周围形成，具有高强度边缘约束和亚波长角动量局域化，并在光学近场、声子极化激元场和海洋潮汐波中验证了其存在，为亚波长涡旋应用开辟了新途径。
2025-01-23 physics.ao-ph physics.optics
Near-surface ocean kinetic energy spectra and small scale intermittency from ship data in the Bay of Bengal
利用300 $kHz$声学多普勒海流剖面仪（ADCP），对孟加拉孟加拉湾的水平海流进行了8次巡航测量，共覆盖8600个$km$。游轮分布在海湾的多个季节和地区。在假定各向同性的情况下，这些海流在12 - 54米深度和2 - 400公里波长范围内的水平波数谱被分解成涡旋和发散分量。所有巡航的横向和沿航迹谱的平均值表明，10 - 80 $km$波长的水平动能谱斜率的指数为$-1.7 \pm 0.05$，当波长超过80 $km$时，其转变为更陡的标度。在尺度大于80 $km$的情况下，旋转分量明显大于发散分量，而对于较小的波长，两者是相当的。测量结果表明，在10 - 100 $km$范围内，各次航行之间存在相当大的变异性和光谱水平变化，变化系数约为5。在10 - 80 $km$范围内的速度差显示了具有拉伸指数行为和反常标度的概率密度函数和结构函数。与Garrett-Munk内波谱的比较表明，惯性重力波只占动能的一小部分，除了在最小的尺度。这些限制表明，在海湾的近地表流主要是平衡的，并遵循向前涡度拟能转移准地转制度的波长大于约80公里，在较小的尺度上的不平衡旋转分层湍流和内波的作用更大。
2020-03-31 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Effects of Short Scale Roughness and Wave Breaking Efficiency on Sea Spray Aerosol Production: Multisensor Field Observations
在公海上获得了海洋飞沫气溶胶（SSA）、风、波浪、水声噪声和微波亮温的同时测量。这些数据进行分析，以澄清重要的SSA生产的海洋表面过程。参数制定代表表面过程的特征长度尺度在很宽的范围内，从几十米到几厘米。结果表明，SSA性质（数量、体积和通量）与表面过程参数之间的相关系数向最短尺度方向提高。这表明，而表面波破碎是一个必要的初始和边界条件，大气SSA属性的最终状态主要由海洋表面粗糙度的湍流过程控制。研究还揭示了上升风和下降风下SSA特性的明显差异，在低或下降风下具有更高的破产效率。以往的研究表明，混合海中的碎波长度尺度比风海中的短。将这些观测结果结合在一起，可以看出较大的空气空腔被夹带在上升的风中（风海更有可能）。较大的空气腔在它们可以完全分解成小气泡用于随后的SSA生产之前逃逸。相比之下，较短的破碎机在低或下降的风（与混合海更可能）捕获较小的空气腔，停留在水下更长的时间，更有效的气泡破裂的湍流。
2019-06-19 physics.ao-ph
Deep-learning source localization using multi-frequency magnitude-only data
提出了一种基于大数据的深度学习方法，用于在海底参数不确定的海洋波导中使用单个水听器定位宽带声源。几个50层的残差神经网络，训练了大量的声场副本产生的声传播模型，用于处理在源定位的底部不确定性。提出了一种两步训练策略来改进深度模型的训练。首先，在一个粗略的（5公里）网格的范围离散化。随后，在选定的间隔和源深度内的源范围被离散化在一个更精细的网格（0.1公里和2米）。针对不确定环境下的模拟仅量级多频数据，展示了深度学习方法。中国黄海的实验数据也验证了该方法的有效性。
2019-07-18 eess.SP physics.ao-ph
Generalized topological bulk-edge correspondence in bulk-Hermitian continuous systems with non-Hermitian boundary conditions
体-边对应（BEC）是拓扑系统的标志。在波矢无界的连续（非格）厄米特系统中，最近的研究表明，陈氏绝缘体的BEC被修正。在非厄米特系统中，它将如何进一步受到影响，经历损失和/或增益？在这项工作中，我们在这个方向上迈出了第一步，通过研究非厄米边界条件的体积厄米连续系统。我们发现，在这种情况下，边缘模式出现在散射矩阵的根，而不是厄米的情况下，他们出现在其极点（或更准确地说，合并的根和极点）。这需要对相对列文森定理进行非平凡的修改。然后，我们表明，拓扑结构保持相同的厄米的情况下，广义BEC持有，提供一个采用适当修改的轮廓在波矢量平面，使散射矩阵相位绕组计数正确的边缘模式。我们使用一个范例模型的波在浅海或活跃的系统中存在的奇粘度，以及二维电子气霍尔粘度。我们利用这个机会来研究的情况下，大奇粘度，散射矩阵成为$2\times2$，这还没有讨论在以前的工作中的厄米广义BEC。
2023-02-10 cond-mat.mes-hall math-ph math.MP
