《北极水声学与信号处理》系统深入地论述北极水声学主要理论基础及冰下水声信号处理技术，内容包括北极海洋环境情况和水声特性、海冰的声学特性、北极水声传播理论、北极冰源噪声、北极环境适应性水声探测技术，以及北极环境适应性水声通信技术。*后，对国内外北极水声观测研究现状进行介绍。

目录
丛书序
自序
第1章 绪论 1
1.1 北极海洋环境情况 1
1.1.1 气象特性 1
1.1.2 海冰特性 1
1.1.3 水文特性 4
1.1.4 海底地形 5
1.2 北极水声特性 7
1.2.1 声速场特性 7
1.2.2 声传播特性 11
1.2.3 噪声特性 12
1.2.4 混响特性 15
参考文献 17
第2章 海冰的声学特性 21
2.1 海冰的物理形态 21
2.2 海冰中的声速及声衰减规律 23
2.3 海冰界面建模及反射特性分析 27
2.3.1 液体-弹性介质反射特性 28
2.3.2 海冰的反射 30
2.3.3 Diachok冰脊模型 31
2.3.4 基于基尔霍夫近似的粗糙度模型 33
参考文献 38
第3章 北极水声传播理论 40
3.1 传播理论概述 40
3.2 波动方程求解 42
3.2.1 简正波理论 42
3.2.2 波数积分法理论 55
3.2.3 射线理论 61
3.3 冰下声传播模型 72
3.3.1 简正波方法对弹性介质的处理 72
3.3.2 反射系数边界条件法 74
3.3.3 海冰覆盖下的传播特性 75
参考文献 83
第4章 北极冰源噪声 85
4.1 北极冰源噪声幅度概率分布模型 85
4.1.1 常用的非高斯模型 85
4.1.2 α稳定分布基本理论 87
4.1.3 北极噪声α稳定分布拟合 93
4.2 噪声相关性及指向性模型 102
4.2.1 波数积分法计算噪声场 103
4.2.2 简正波方法计算噪声场 104
4.2.3 垂直指向性 106
4.3 冰源噪声谱特性分析 108
4.3.1 噪声功率谱 108
4.3.2 噪声的时空相关性 109
4.3.3 北极水声学潜标结果分析 110
参考文献 122
第5章 北极环境适应性水声探测技术 125
5.1 冰源噪声下信号检测方法 125
5.1.1 噪声参数已知的信号检测算法 125
5.1.2 噪声参数未知的信号检测算法 146
5.2 冰源噪声下线谱增强方法 171
5.2.1 自适应线谱增强原理 171
5.2.2 冰源噪声下自适应线谱增强 174
5.2.3 性能验证 176
5.3 冰下信道预测及匹配场定位方法 184
5.3.1 冰下信道预测模型 184
5.3.2 冰下匹配场定位方法 190
参考文献 204
第6章 北极环境适应性水声通信技术 208
6.1 北极冰区通信信道特点 208
6.1.1 冰盖区水声通信信道特点 208
6.1.2 浮冰水域下的信道特点 209
6.2 冰下水声信道估计方法 209
6.2.1 系统描述与信号模型 210
6.2.2 基于TMSBL的信道估计方法 211
6.2.3 改进的TMSBL信道估计方法 212
6.2.4 仿真结果分析 215
6.2.5 海试数据处理 218
6.3 冰下多普勒估计方法 221
6.3.1 基于信道稀疏度检测的多普勒估计方法 222
6.3.2 仿真结果分析 224
6.3.3 海试数据处理 227
参考文献 230
第7章 北极水声观测研究现状 232
7.1 国外研究情况 232
7.2 国内研究情况 238
参考文献 244
索引 247
彩图

第1章　绪论
　　北极通常是指以北极点为中心，北纬66°34′以北，包括整个北冰洋及其环绕的岛屿，以及北美洲、亚洲及欧洲大陆的北部边缘海、边缘陆地所在的一片区域。北极地区的总面积为2100万km2，其中海洋面积为1300万km2。北极海域是全球海洋变化*为剧烈的地区之一。由于北极远离赤道，与温带海洋相比，其受到的太阳辐射能量较少，海洋环境特性有着较大的不同。北极*特的地理位置导致它与其他大洋的能量交换比较少。北冰洋在东部边缘海域，仅仅通过弗拉姆海峡（Fram Strait）和巴伦支海（Barents Sea）与大西洋相通；在西部边缘海域，仅仅通过白令海峡与太平洋相联系。北冰洋寒冷的气候环境和独特的地理位置造成了常年性和季节性消退的海冰。海冰的存在直接影响着北极海域大气能量交换和海洋动力过程，进而对冰下的水声特性产生直接的影响，使其有别于浅海和深海开阔海域的声学环境。本章*先概述性地介绍北极海域主要的海洋环境情况，包括气象、海冰、水文和海底地形等典型特征，然后阐述北极海域声速场、声传播、噪声和混响等*特的水声环境特性。
　　1.1　北极海洋环境情况
　　1.1.1　气象特性
　　海冰维持着海面热平衡，对海洋与大气间能量交换有抑制作用。海冰的减少会使得太阳辐射能量直接进入海水，有利于海水吸收能量，加剧海洋和大气间的能量交换。北极海冰覆盖面积越小，地球表面对太阳辐射的反射就越少，吸收的能量就越多，海冰的消融就会越快。海冰是全球淡水的资源库，海冰融化产生的淡水在穿极流（Transpolar Current）的作用下，通过弗拉姆海峡，进入格陵兰海（Greenland Sea）和挪威海（Norwegian Sea），将会影响海水对流和温盐平衡，进而对全球气候产生深远的影响[1， 2]。图1-1和图1-2分别为北极海域冬季和夏季的能量交换示意图[3]。
　　1.1.2　海冰特性
　　随着全球变暖的加剧，北极海冰的空间范围、厚度分布及冰层特性发生了重要变化。通过对被动微波遥感卫星获得的1981～2010年海冰密集度时间变化数据的研究表明，海冰密集度在夏季以每10年减少13.4%、冬季每10年减少3%的速度逐年减少。海冰密集度在每年的9月达到年度最小范围。2007～2015年的9月海冰密集度达到了*低值，其中，2012年的*低记录为339万km2。海冰完全融化形成的开阔水域的持续时间也在不断增长，达到了三周[4]。从图1-3中可以看出，在海冰密集度的月变化时间尺度上，北极海冰范围在每年的3月达到*大值，在每年的9月达到最小值。
　　图1-1　北极海域冬季的能量交换示意图
　　图1-2　北极海域夏季的能量交换示意图
　　图1-3　北极海冰范围的月变化规律（彩图附书后）
　　随着海冰范围的逐年下降，海冰冰龄变得越来越年轻化。图1-4为海冰冰龄构成的年度变化。1年冰指的是在冬季**次形成，次年夏季消融的海冰。当历经夏季融冰季节没有完全消融，到冬季时1年冰就变为2年冰。按照海冰的持续时间可依此类推到多年冰。多年冰主要分布在加拿大和格陵兰岛的北岸。现在多年冰的覆盖面积以每10年7%的速度减少[5]。海冰冰龄越大，对应的冰层厚度越大，因此，整体上海冰的体量（Sea Ice Volume）是逐年减少的。1年冰的占比变得越来越大，从20世纪80年代的约50%增长到2015年的约70%。1年冰比较薄，较为脆弱，易破碎，对大气和海洋动力过程的变化比较敏感，因此导致在夏季融冰期间具有更多的无冰水域，为大气和海水表层提供了有效的能量耦合机制，使北极海域的海洋动力过程更加接近温带海域。并且1年冰的声学特性也与多年冰显著不同。冰层特性的变化为人类活动（航道资源开发等）带来了新的机遇。
　　图1-4　海冰冰龄构成的年度变化
　　1.1.3　水文特性
　　北极海域不同于其他开阔海域，是一个典型的地中海式海域，四周被陆地包围，仅仅通过有限的海峡与太平洋和大西洋连接，受到的太阳辐射具有明显的季节周期性特点。北冰洋的水文特性与海水分层结构有关，受到海冰、降水、径流、风、太阳和红外辐射等因素的影响。在北冰洋中心区，主要为表面混合层、大西洋水和极地水三层。在楚科奇海一侧，还受到太平洋水的影响（图1-5）。
　　图1-5　北极海域海水分层示意图
　　表面混合层水在大气压和海冰季节性结冰及融化的影响下，产生季节性变化。在冬季，表面混合层厚度维持在30～40m。在融冰季的开端，海冰中析出的低盐水、增加的河流径流导致岸边表面混合层的厚度不超过20m。在新产生的夏季水和原先存在的冬季水之间，形成了一个强的密度跃层，严重制约了深度方向的混合[6]。表面环流主要受到海风影响且受到漂浮海冰的共同作用。在波弗特海（Beaufort Sea）主要为波弗特涡（Beaufort Gyre）。在东西伯利亚海（East Siberian Sea），波弗特涡与穿极流汇合，将东西伯利亚海和拉普捷夫海（Laptev Sea）的海冰与表层水携带到弗拉姆海峡。
　　表层混合水下方的水团主要来自太平洋或者大西洋。温暖、高盐的大西洋水通过弗拉姆海峡和巴伦支海进入北极。大西洋水在北极低温气候下，表层水团变冷，且密度增加，下沉到表层混合水的下方，形成了大西洋中层水。大西洋中层水温度较高（大于0℃），盐度较高（大于34.5ppt ），广泛地分布在北冰洋中心区域[7-9]。大西洋中层水是边界环流，受大陆坡地形的影响。在北冰洋东部区域，在表层水和大西洋水之间存在较强的温度和盐度梯度。在北冰洋西部区域，从白令海峡注入的太平洋水使得加拿大海盆垂向分层变得更加复杂。
　　在伍兹霍尔海洋研究所冰系剖面仪（Ice Tethered Profilers，ITP）观测计划的推动下，加拿大海盆的水动力学得到了深入研究。来自太平洋的海水通过窄、浅的白令海峡进入北极，到达加拿大海盆。太平洋水比大西洋中层水温度和盐度低，但是比混合水盐度高，因此在表面混合层和大西洋水之间形成了一个新的水层。
　　来自太平洋的海水，在大气和海冰的季节性变化及白令海峡和楚科奇海地形的共同作用下，形成两个不同水团，称作太平洋夏季水和冬季水。夏季水的*大温度为？1℃，盐度变化在31～33ppt；冬季水由楚科奇海大陆架区的海水冬季结冰形成，温度更冷，盐度高于33ppt。因此，冬季水下沉到夏季水下方，且在大西洋水上方。在冬季水的下边界，存在一个强温度盐度跃层，标志着冬季水和大西洋水的过渡。
　　近些年，研究人员在加拿大海盆混合层与太平洋夏季水之间观察到一个临近海面深度的温度极大值。随着海冰的逐渐减少，海水对太阳辐射吸收增强，温度极值呈现增大的趋势[10-12]。
　　1.1.4　海底地形
　　北极海底*显著的地理特征是罗蒙诺索夫海脊，从林肯海大陆架（Lincoln Sea Continental Shelf）到西伯利亚岛横贯北冰洋，将北极海域分为欧亚海盆（Eurasian Basin）和美亚海盆（Amerasian Basin）两大区域[13]。罗蒙诺索夫海脊从海盆底部升高3000m，*高处距离海面954m。如图1-6所示，在罗蒙诺索夫海脊东部，加克洋中脊（Gakkel Mid-Oceanic Ridge）作为罗蒙诺索夫海脊的板块断裂带，将欧亚海盆又分为南森海盆（Nansen Basin）和弗拉姆海盆（Fram Basin）。在罗蒙诺索夫海脊西部，阿尔法海脊（Alpha Ridge）将美洲海盆又划分为加拿大海盆和马卡罗夫海盆（Makarov Basin）。
　　图1-6　北极海域海底地貌
　　美亚海盆和欧亚海盆被北美洲、亚洲和欧洲大陆所环绕。美亚海盆的边缘为楚科奇海大陆架、波弗特海大陆架和林肯海大陆架。欧亚海盆的边缘为巴伦支海大陆架、喀拉海大陆架、拉普捷夫大陆架及东西伯利亚海大陆架。
　　海底地貌对低频声传播将会产生重要影响。在北极气候声监测试验（Arctic Climate Observations Using Underwater Sound，ACOUS）中，声源位于斯瓦尔巴群岛东侧，接收阵列位于楚科奇海的冰站上，2720km的声传播路径横跨了北冰洋，涵盖欧亚大陆坡、罗蒙诺索夫海脊、门捷列夫（Mendeleev）海脊、楚科奇海台等典型地貌，其声传播路径对应的海底起伏形状如图1-7所示。研究表明，20Hz声源除了**模态，其余模态简正波都受到了楚科奇海台地形的影响[14]。