编者按

自然资源部海洋环境信息保障技术重点实验室面向国家海洋环境保障迫切需求，针对海洋环境信息保障业务发展和能力建设中遇到的关键科技问题，在海洋环境数据处理分析、海洋再分析、实况分析、现报预报、海洋物理环境分析应用技术等方面开展研究，为国家海洋环境保障提供全方位多要素的技术支撑。2024年，入选自然资源部高层次科技创新人才工程科技创新团队1个、科技领军人才1人，青年科技人才1人（共2人）。

近日，国家海洋信息中心海洋环境信息保障技术重点实验研究团队在声场简正波模态特征提取应用研究领域取得新进展，相关研究成果发表在SCI期刊Journal of Ocean University of China（Gao S Y, Li W L, Zhang Y Q, Li X L, Wang N. Extraction of acoustic normal mode depth functions using range-difference method with vertical linear array data[J]. Journal of Ocean University of China, 2024, 23（4）:871-882.）以及SCI 期刊IEEE Access（Gao S Y, Li W L, Liu K, Zhang Y Q, Qiu Y P, Chen Q. Normal mode separation method based on the consistency constraint of the horizontal wavenumber[J]. IEEE Access, 2024, 12: 3351885.）上。

研究人员针对简正波特征提取方法存在的一些问题，如近似简并条件下模态函数提取不准确，短垂直阵条件下模态函数、波数估计困难及复杂实验数据简正波特征提取结果难以准确评估等问题开展了细致的研究，通过构造新数据矩阵的方法提高特征提取数据矩阵的周期数、结合经验地声简化模型约束等方式提出了几种简正波特征提取的改进方法及应用。

1.提出了距离差分奇异值分解（RD-SVD）方法来解决在近似简并条件下模态函数提取不准确的问题，通过分析传统奇异值分解（SVD）方法模态提取效果及特征值分布情况（图1），解释了什么是模态近似简并，讨论了近似简并产生的原因。相比于传统SVD方法，RD-SVD方法不会增加实验布设的复杂度，并且很好地解决了近似简并条件下模态函数提取不准确的问题（图2）。

图1（a）利用SVD方法进行模态函数提取结果（红色点线）与Kraken计算得到模态函数真值（黑色实线）进行对比；（b）利用SVD方法得到的特征值。

图2（a）利用RD-SVD方法进行模态函数提取结果（紫色点线）与Kraken计算得到模态函数真值（黑色实线）进行对比；（b）利用RD-SVD方法得到的特征值。

2.根据存在简并的特征向量的线性空间关系，提出第二种方法，即水平波数一致性约束方法来解决简正波模态函数的近似简并问题（图3）。研究结果表明：该方法在未知真实垂直模态函数时，仍能够判断SVD分解的准确性；并且在发生简并等问题导致SVD分解效果不佳时，通过最小化水平波数km垂向分布的标准差来搜索简并模态与真实模态之间的线性关系，优化SVD分解结果，同时准确估计km。当未发生简并时，该方法的估计精度较高，误差基本在10-5量级；当存在简并问题时，通过最小化km垂向分布的标准差来优化简正波模态函数提取结果，大幅降低模态的水平波数估计误差。

图3 （a）发生近似简并的2、3、4号模态的模态函数提取结果（红色点线）与真值（绿色实线）对比，（b）解近似简并后的2、3、4号模态的模态函数提取结果（红色点线）与真值（绿色实线）对比。

本项研究工作改进了声场简正波模态特征提取效果，在水下目标识别与定位、地声参数反演、海洋声通信等方面有良好的应用前景。

文章链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/10385174

https://html.rhhz.net/ZGHYDXXBYWB/html/56d7ed3c-1e0c-4b6c-9483-361273171ca4.htm

作者/海洋环境信息保障技术重点实验室

编辑/李红军