项目批准号 申请代码 归口管理部门 收件日期
10234050 A040504
国家自然科学基金
资助项目进展报告
资助类别：重点项目 亚类说明： 附注说明：
项目名称：随机非均匀海洋中的声场时空特性研究 负 责 人：张仁和
电话：62569079
电子邮件 ：zrh@farad.ioa.ac.cn 依托单位：中国科学院声学研究所 联
系 人：黎瑛
资助金额：200.0000(万元) 执行年限：2003.01-2006.12
电话：62553765 累计拨款：
140.0000 (万元)
填表日期：2004年12月22日
国家自然科学基金委员会制（2004年11月）
关于填报《国家自然科学基金资助项目进展报告》的说明
一. 项目负责人每年须填报《国家自然科学基金资助项目进展报告》（简称《进展报告》），以
此作为自然科学基金资助项目跟踪、管理的主要依据。
二. 项目负责人应认真阅读自然科学基金项目管理和财务管理有关规定、办法（查阅
http://www.nsfc.gov.cn）, 在年度工作的基础上，实事求是地撰写《进展报告》。
三. 项目依托单位认真审核, 于每年1月15日前将本单位受资助项目的《进展报告》统一报
送国家自然科学基金委员会归口管理部门。
四. 《进展报告》由报告正文和附件两部分组成, 报告正文请参照 “《进展报告》报告正文
撰写提纲”撰写，并可根据需要增设栏目，要求层次分明, 内容准确。项目执行过程中的进展或研究成果、计划调整情况等，须在报告中如实反映。
五. 国家自然科学基金委员会归口管理部门负责审核项目年度《进展报告》、跟踪项目进展与
研究成果、核准项目负责人的次年度研究计划和调整要求，确定项目继续资助的情况。对不按要求填报《进展报告》，或项目执行不力，或内容、人员等调整不当而影响项目顺利进展的，视其情节轻重要求负责人和依托单位及时纠正，或给予缓拨资助经费、中止或撤消项目等处理。
六. 《经费执行情况报表》由重大项目的课题和重点项目填报，重大项目每年度填报随进展
报告一同报送，重点项目在进行中期检查的年度填报。其他项目无需填报《经费执行情况报表》，只需在《进展报告》中对经费使用情况和下一年度经费安排做出必要的说明。
注：国家自然科学基金强调科学道德和良好的学风，反对弄虚作假和浮躁作风，要求工作认
真、填报材料实事求是。部分探索性研究内容，虽经过努力，也可能没获得理想结果或甚至失败，特别是面上项目。如有这种情况，也请在报告中实事求是地反映出来，说明工作状况和发展态势，供国家自然科学基金委员会和专家参考。
经费执行情况报表 （金额单位：万元）
填报说明：
1．重大项目每年度填报本表，重点项目在将要进行中期检查的年度填报本表，所有支出填报累计值； 2．“机动经费”只由重大项目的项目负责人填写，重点项目不填写。 已拨入经费（总额）
科 目
一．研究经费
1．科研业务费
（1）测试/计算/分析费 （2）能源/动力费 （3）会议费/差旅费
（4）出版物/文献/信息传播事务费 （5）其它 2．实验材料费
（1）原材料/试剂/药品购置费 （2）其它 3．仪器设备费 （1）购置 （2）试制 4．实验室改装费 5．协作费
140.0000
预算经费
165.000077.000050.00008.00007.00005.00007.000030.000012.000018.000033.000025.00008.00008.000017.000015.000010.00005.000010.000010.00000.0000
经费支出
111.000051.000035.00005.00005.00003.00003.000020.00008.000012.000024.000018.00006.00005.000011.000011.00007.00004.00007.00007.00000.0000 136.0000
说 明
光纤海上试验租用船只及数据处理分析费用 包括与项目有关的日常能源及动力费用 参加国内学术会议及差旅费 文献检索及发表论文版面费 海上试验的计划外开支
光纤水听器阵用原材料及海上实验消耗材料 磁带，信号弹等海上实验专用材料购买
激光源及信号处理机柜，水温测量设备 自行研制开发光纤水听器光缆及收放装置 岸基站民房租用及装修费及相关的软硬件更新 与外单位合作研制实验设备费
参加两次国际声学会议(多人)，派出人员3人次邀请美国和俄罗斯专家来实验室访问4人次 博士生、研究生补助及工作人员绩效津贴 中科院声学研究所项目管理费
二．国际合作与交流费
1．项目组成员出国合作交流 2．境外专家来华合作交流
三．劳务费 四．管理费 五．机动经费
1．研究经费* 2．国际合作与交流费* 3．学术会议费* 4．其他
合 计
4
200.0000
报告正文撰写提纲
1.
年度计划要点和调整情况。简要说明是否按计划进行, 哪些研究内容根据国内
外研究发展状况及项目进展情况做了必要的调整和变动，哪些研究内容未按计划进行，原因何在。 2.
研究工作主要进展和阶段性成果。(本部分是进展报告的重要部分,请认真撰
写)。请分层次叙述所开展的研究工作、取得的进展或碰到的问题等，给出必要的数据、图表。根据实际情况提供国内外有关研究动态的对比分析及必要的参考文献。本部分亦包括国内外合作与学术交流、研究生培养情况等。 3.
下一年度工作计划，包括国内外合作与交流计划。如要求对原研究内容和主要
成员作重要调整，需明确要求调整的内容，并说明理由、必要性以及对项目实施的影响。（注：为保证基金项目顺利进行，研究人员要求稳定，一般不作变更。如确需变更，须按基金项目管理办法规定的要求提出申请，经自然科学基金委归口管理部门核准后方可变更。） 4.
当年经费使用情况与下一年度经费预算。给出必要的经费使用情况的说明，逐
项列出固定资产超过5万元的设备的名称、使用情况等有关说明。 5.
存在的问题、建议及其他需要说明的情况。说明项目执行中的问题和建议。对
部分探索性强的研究，有可能未获得理想结果或甚至失败，请如实地反映，说明原因、工作状况、发展态势和建议等，供基金委管理人员或同行专家参考。 6.
附件：给出标注基金资助的已发表和已有录用通知的论文目录、其他成果清单
和必要的证明材料复印件等。发表论文按常规文献引用方式列出。
报告正文
1. 研究计划要点和调整情况。
本项目在2003年度的研究内容主要包括： [1]. 完成64元岸基和潜标发射系统的研制。
[2]. 调研国内外随机非均匀海洋中声传播的理论和实验研究工作。
[3]. 初步分析已有的中美联合考察实验中的水温、海浪和海底起伏数据的统计
特征参量。
本项目在2004年度的研究内容主要包括：
[1]. 完成海洋介质的随机非均匀性模型的理论描述，完成与耦合简正波－抛物
方程（CNM-PE）声场计算程序的衔接等软件编制工作。
[2]. 理论上系统地考察海面、海底粗糙度和水层等随机非均匀性对声传播规律
及声场相干特性的影响。
[3]. 布放岸基接收系统，潜标发射系统以及海洋随机起伏检测仪器等，进行海
上实验。
目前，本项目在按计划顺利进行中，各项工作均取得重要进展，2003年完成了32元光纤水听器阵的岸基水下系统和陆上信号处理机平台，并成功用于海上实验。分析了中美联合考察实验中的海洋线性内波和海浪起伏数据的统计特征参量描述。完成了海面随机起伏、海水有内波、海底界面粗糙及底质等存在非均匀性条件下的海洋环境场的理论模型及其与CNM-PE声场计算模型的衔接工作，并进行了内波、海面起伏和海底粗糙与声场相互作用机理及其对声场的时空相干性的影响等多项研究，并取得阶段性成果。
布放岸基接收系统和潜标发射系统是一项较为复杂而费用较大的工作，拟结合总装下达的探索性项目改在2005年进行。因此，将2004年度计划中“布放岸基接收系统，潜标发射系统并进行海上实验”一项研究内容调整在2005年内进行。
2、研究工作主要进展和所取得的成果
A. 完成了光纤水听器岸基阵和信号处理机系统的研制工作；水下潜标发射系统正在研制中，目前已完成了水下潜标水下低频发射换能器及配套的功率放大器的自主研制，其它的电源系统及外壳等正在加工中；完成了青岛海域灵山岛上（未来岸基站将要布设在该岛）一间民房的租用工作、岛上的实验改造工作正在进行中。等各项工作准备完善后，将进行岸基站阵的布设及海上试验。
B. 光纤水听器岸基阵和信号处理机系统已成功地应用于海上实验。海上实验于2003年8月在青岛海域灵山岛附近进行。实验中把光纤水听器岸基阵布设于海底并形成水平阵，成功地记录了声源在5km-37km几个不同距离下由气枪及发射换能器发出的两种声源发射的脉冲和通讯编码声信号。利用记录的气枪信号进行了声场的空间相干特性及低频宽带波束成形研究。图1给出了距离为5km、10km和37km时的多个气枪信号波束成形结果，对不同方位的信号进行了准确的测向。同时也进行了低频水下混沌信号传播实验。实验中利用混沌码的正交性，研究了时频复用技术。图2是同一时段内的4种不同通讯码进行的解调结果。可见，四种通讯码都得到很好地解调。相关结果发表在应用声学、物理、声学学报、Chinese Journal of Acoustic等杂志及第18届国际声学年会（ICA, Kyoto, Japan, 2004）上，见发表文章附录[1,2,3,4,5]。
距离5km
距离10km
距离37km
图1 气枪信号的低频宽带波束成形结果
图2 时频复用的低频水声信号传播实验中4种不同通讯码的调制－解调结果
此外，还研究了夏季负跃层海洋环境下的时间相干特性。图3为A站点发射的60个气枪脉冲信号(两个脉冲之间的时间间隔为30秒)分别与第1个气枪信号作时间相关（频率70-440Hz）。可以看出，不同时刻接收到的气枪脉冲之间相关性很强，在相隔30分钟后，信号的相关还在0.94以上。此项研究结果具有重要学术意义和应用价值，即在夏季强负跃层环境下,声场的时间相关半径在低频时能达到30分钟，这在国内和国外文献中都未曾有过报道。这表明海洋内波等随机起伏对低频声波的影响相对要小得多。此项研究结果对未来水下通讯方案及未来声纳设计都具有2个重要指导意义：（1）未来的水声通讯和声纳应采用低频或甚低频；（2）利用声场在低频时的大时间相关半径特性来获得时间积累增益并提高信噪比。作为例子，图4给出D站点（距离为37km，该站点气枪的信噪比较低，效果较明显）的单个气枪信号和用20个气枪信号相干积累后的信号比较。由图4可见，通过相干时间积累的方法可减噪声干扰而突出信号。
图3 声场的时间相关特性
图4 D站点20个气枪脉冲相干累积前后波形
C. 在CNM-PE声传播理论及其算法的基础上，完成了海面随机起伏、海水有内波、海底界面粗糙及底质等存在非均匀性条件下的海洋环境场的理论模型及其与CNM-PE声场计算模型的衔接工作。可进行深海、大陆架、大陆斜坡等具有复杂海底地形、底质、水文条件下的的海域地区声传播衰减、混响强度、噪声强度及其传播、混响及噪声场的空间相关性特性研究。其中，三维的海洋环境噪声模型在国内尚属首次开展，而相干的混响垂直相关模型尚未见国内外发表。其中“三维CNM-PE声传播理论”在第18届国际声学年会（ICA, Kyoto, Japan, 2004）上报告和发表，并获得优秀青年科技论文奖。
D. 对2001年中美联合考察实验（ASIAEX2001）中东中国海的数据进行了分析，得到东中国海内波的主要特征参量。其中，线性内波频率的上限为265cpd，其水平传播速度约为0.5m/s，内波垂直位移能量密度谱随频率近似以1.8次方律减小。根据实验分析得出的内波参量，研究了内波对声信道稳定性的影响，通过在水体中引入内波活动理论解释了实验中声场时间相关性降低的原因。研究了海面起伏和海底粗糙对海洋混响衰减规律及海洋混响场空间相关特性。把Стреkадов谱引入浅海混响的射线简正波理论模型中，研究了不同海面随机起伏下的混响衰减规律，解释了实验中高海况条件下在海洋混响在高频时混响衰减变大的原因。给出了浅海低频条件下不同海底散射模型对海洋混响场的影响。另外，对ASIAEX 2001南中国海声场与水体相互作用实验的温度场起伏数据和声传播起伏数据也进行了分析。结果表明：(1) 内波引起的质点垂直位移的峰峰值超过40m；(2) 由声脉冲前沿传播时间平均起伏所表征的声传播起伏，其峰峰值超过100ms。在此基础上，对48小时内温度场起伏数据进行谱分析，得到影响海洋起伏的主要内波分量；声传播起伏数据经Burg法谱分析反演得到的内波主要周期，与温度场的结果一致。比较了垂直于大陆架方向和平行于大陆架方向的温度场起伏谱结构，以及两个方向的声传播起伏谱结构；利用脉冲多途结构和脉冲传播时间分别提取声传播起伏信息的参量，由其表征的声传播起伏谱结构也进行了比较。相关结果发表在自然科学进展，Progress in Nature Science 和Chinese Phyics Letters等杂志及第8届西太平洋声学会议（Wespac VIII）上，见发表文章附录[6,7,8,9]。
E. 研究了适用于海底混响预报的带有物理参数的海底散射模型，并在此基础上建立海底混响模型。主要有：(1)、海底非均匀性引起的海底散射模型；(2)、海底界面粗糙引起的海底散射模型；(3)、基于以上散射模型的海底混响简正波混响理论模型，简正波分析采用BDRM简正波方法，不仅可计算远距离声场，也可计算近距离声场。图5所示的是用我们的模型计算的海底散射系数(实线)和实验数据的比较。从图中可见二者符合得很好。在图中给出了计算所用的海底物
理参数，包括声速比、密度、吸收、海底非均匀相关系数，海面粗糙度的描述参数等。在我国，相关研究处于刚刚起步阶段，目前还没有出现具有物理参数的海底散射模型和相应的海底混响模型。因此，此项工作可以说在海底混响模型的研究方面开辟一个新的领域。相关结果发表在中国科学上，见发表文章附录[10]。
图5 模型与实验数据的比较
F. 理论和实验研究了大陆斜坡及海底底质水平变化等海底非均匀性引起异常的声传播及不同海底底质条件下声场的空间相关性及海底参数反演，水下目标探测等问题，同时还研究了海面存在波浪时空中声源激发的浅海声场统计特性。相关结果发表在中国科学、Science in China、自然科学进展、Chinese Phyics Letters、IEEE geoscience and remote sensing letters等杂志上，见发表文章附录[11,12,13,14，15]。
3、下一年度工作计划
在2005年内计划主要进行以下3项工作：
[1]. 进一步完成岸基站布设所需的前期准备工作及其水下潜标所需的相关硬件
设备的研制及陆上检验工作，为2006年前顺利完成岸基站布放作好充分准备。 [2]. 进一步进行海洋介质的随机非均匀模型的理论及其与声场物理量相互作用
理论研究及实验验证工作。
[3]. 总结海面、海底粗糙及水体随机起伏对声传播规律及声场相干特性的影响的
规律。
4、经费使用情况及下一年度经费预算
2003年－2004年共下拨经费140万元
其中使用经费136万元，节余4万元，具体使用经费情况见第2页的经费执行情况报表。
2005年计划使用经费：40万元，其中
（1） 科研业务费 28.0万元 （2） 海洋实验仪器研制费 2.0万元 （3） 数据处理费用及消耗器材 2.0万元 （4） 劳务费 4.0万元 （5） 实验室软硬件维护费 2.0万元 （6） 管理费 2.0万元
5、存在的问题、建议及其它需要说明的情况
布放岸基接收系统和潜标发射系统是一项较为复杂而费用较大的工作，为了结合总装下达的探索性项目改在2005年进行。因此，将2004年度计划中“布放岸基接收系统，潜标发射系统并进行海上实验”一项研究内容调整在2005年内进行。
6、附件：2003年－2004年发表的期刊及会议论文
相关的研究结果已有15篇文章发表国内外核心期刊上（已有6篇文章已被国内外核心期刊录用），还有7篇科技论文在国际会议上报告, 12篇科技论文在国内声学会议上报告。
2003年－2004年已发表的期刊论文15篇
[1]
倪明， 胡永明，孟洲，张仁和，“光纤水听器探头技术研究” ，应用声学，vol.22，1-6,2003。 [2]
张仁和，倪明，“光纤水听器的原理与应用”，物理，vol.33(7), 503-507, 2004。(SCI收录，标注项目资助号) [3]
倪明，李秀林，张仁和等， “全光光纤水听器系统海上试验”，声学学报，vol.29(6)，539-543。(EI收录，标注项目资助号)
[4] Gong Zaixiao， Zhang Renhe，Li Xiulin and Wu Lixin, "Experimental research
on sound pulse propagation and channel match in shallow water," Chinese Journal of Acoustics, vol.23(4), 350-359, 2004.(EI收录，标注项目资助
号)
[5] 张仁和，黄晓砥，宫在晓，“运动声源与接收器的脉冲简正波传播”，声学学报，
vol.29(4)，308-312,2004。(EI收录，标注项目资助号)
[6] 王少强，吴立新，王慧文，张仁和等，“2001南中国海实验温度场与声传播起伏
及内潮（波）特征反演”，自然科学进展，vol.14(6)，635-640,2004。（标注项目资助号）
[7] Wang Shaoqiang, Wu Lixin, Wang Huiwen and Zhang Renhe, et al. "Observations
on fluctuations of sound transmission and temperature field from the ASIAEX 2001 South China Sea experiment and inversion of the characterizations of internal tides (waves) ," Progress in Nature Science, vol.14(9)，793-799,2004. (SCI收录，标注项目资助号)
[8] 陈守虎，吴立新，张仁和，李整林，“南中国海内波特征及其引起的声场起伏”，
自然科学进展，vol.14(10)，1163-1170,2004。（标注项目资助号）
[9] Liu Jianjun, Li Fenghua, and Peng Zhaohui, “Stochastic Inversion of Seabottom
Scattering Coefficients from Shallow-Water Reverberation,” Chin. Phyis. Lett., vol.20, 2188-2191, 2003. (SCI收录, 标注项目资助号)
[10] 彭朝晖，周纪浔，张仁和，“非均匀海底和粗糙界面引起的平面内海底散射系数”，
中国科学，G辑，vol.34(4)，378-391,2004. (SCI收录，标注项目资助号)
[11] 李整林，张仁和，彭朝晖，李锡禄，“海底声学特性水平变化引起的声异常衰减”，
中国科学，G辑，vol.34(3)，247-256,2004. (SCI收录，标注项目资助号)
[12] Li Zhenglin, Zhang Renhe, Peng Zhaohui and Li Xilu, "Anomalous sound
propagation due to the horizontal variation of seabed acoustic properties," Science in China Ser. G, vol.47(5) 571-580, 2004. (SCI收录，标注项目资助号)
[13] 鄢锦，张仁和，“海面波浪对空气中声源激发的浅海声场的影响” ，自然科学
进展，vol.13，243-247,2003。
[14] Li Zhenglin and Zhang Renhe, "A Broadband geoacoustic Inversion Scheme,"
Chin. Phyis. Lett., vol.21(6), 1100-1103, 2004. (SCI收录，标注项目资助号)
[15] Fenghua Li, Qinghuo Liu and Lin-ping Song, "Three-dimensional reconstruction of
objects buried in layered media using born and distorted born iterative methods," IEEE geoscience and remote sensing letters, vol.1(2), 107-111, 2004. (SCI收录)
2003年－2004年发表的国际会议论文
[16] Renhe Zhang, “Development of underwater acoustics in china,” the Wespac VIII,
Melbourne, Australia, 7-9 April, 2003(特邀报告). (标注项目资助号)
[17] Zhenglin Li, Xiaodi Huang, Fenghua Li and Renhe Zhang, “The effects of the
internal waves on the time stability of the sound channel in the East China Sea,” the Wespac VIII, Melbourne, Australia, 7-9 April, 2003. (标注项目资助号)
[18] Fenghua Li, Jianjun Liu and Renhe Zhang, “Low-frequency shallow water
reverbration and bottom scattering model,” the Wespac VIII, Melbourne, Australia,
[19] 7-9 April, 2003. (标注项目资助号) Renhe Zhang, Zhaohui Peng, Zhenglin Li, and Jianjun Liu, "The recent progress of
shallow water acoustic in China," the 18th International Congress on Acoustics (ICA), Kyoto, Japan, 2004. (Keynote report) (标注项目资助号)
from head waves," the 18th International Congress on Acoustics (ICA), Kyoto,
[21] Japan, 2004. (标注项目资助号) Zhenglin Li, Renhe Zhang, Zhaohui Peng, and Xilu Li, "Discussions on the selection
of inversion methods and bottom models," the 18th International Congress on Acoustics (ICA), Kyoto, Japan, 2004. (标注项目资助号)
Zhaohui Peng, Renhe Zhang and Zhenglin Li, "On study of the theory and algorithm of the three dimensional coupled mode-parabolic equation," the 18th International Congress on Acoustics (ICA), Kyoto, Japan, 2004. (标注项目资助号) [20] Fenghua Li, Renhe Zhang and Jianjun Liu, "Bottom acoustic parameters estimated [22]
2003年－2004年发表的国内会议论文
[23] 李秀林，倪明，李整林，李风华，张仁和，“基于光纤水听器的声场水平相关性
研究”， 声学技术增刊，vol22, 113-115, 2003。(标注项目资助号)
[24] 倪明，张仁和，胡永明，孟洲， “光纤水听器研究进展”，声学技术增刊，vol22,
146-148, 2003。(标注项目资助号)
[25] 陈守虎，吴立新，王少强，王慧文，Jim Lynch，“南中国海内波特征分析”，声
学技术增刊，vol22, 76-78, 2003。(标注项目资助号)
[26] 张仁和，黄晓砥，“运动声源与接收器的脉冲简正波传播”，2004年全国水声学
会议，声学技术增刊，vol.23, 1-3, 2004。(标注项目资助号)
[27] 李整林，张仁和，彭朝晖，“海底声学特性水平变化引起的声异常衰减”，2004
年全国水声学会议，声学技术增刊，vol.23, 15-17, 2004。(标注项目资助号)
[28] 彭朝晖，李整林， “关于浅海沉积层对声场影响的讨论”，2004年全国水声学
会议，声学技术增刊，vol.23, 7-9, 2004。(标注项目资助号)
[29] 刘建军，李风华，彭朝晖，“浅海海面随机起伏下的混响衰减”， 2004年全国水
声学会议，声学技术增刊，vol.23, 12-14, 2004。(标注项目资助号)
[30] 王少强，吴立新，王慧文，“南中国海海流数据分析及内波频谱特征”，2004年
全国水声学会议，声学技术增刊，vol.23, 25-26, 2004。(标注项目资助号)
[31] 陈守虎，吴立新，汪俊，“浅海水声通信实验信道特征分析”，2004年全国水声
学会议，声学技术增刊，vol.23, 35-37, 2004。(标注项目资助号)
[32] 李秀林，张仁和，李整林，“利用声场的水平相关性反演海底参数”， 2004年全
国水声学会议，声学技术增刊，vol.23, 18-20, 2004。(标注项目资助号)
[33] 李风华，刘建军，张仁和，“水平阵匹配场定位技术研究”，2004年全国水声学
会议，声学技术增刊，vol.23, 29-31, 2004。(标注项目资助号)
[34] 宫在晓，张仁和，李秀林，吴立新，“浅海脉冲声传播的信道匹配” 2004年全
国水声学会议，声学技术增刊，vol.23, 32-34, 2004。(标注项目资助号)
项目负责人签字及部门审核意见表 项目负责人承诺：
我所承担的项目（编号：10234050名称：随机非均匀海洋中的声场时空特性研究）《进展报告内容》实事求是，数据详实。我在下一步研究中将认真工作并及时报告重大情况变动等。
项目负责人（签章）：
日期：
项目依托单位科研管理部门审查和对今后工作的意见：
经办人（签章）： 单位公章：
日期：
科学处审核意见：
1．计划完成情况（在