国家自然科学基金.pdf
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1、 国家自然科学基金 资助项目进展报告 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: 依托单位:中国科学院声学研究所 联 系 人:黎瑛 电话:62553765 资助金额:200.0000(万元)累计拨款:140.0000(万元)执行年限:2003.01-2006.12 27875 0 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)项目批准号 10234050 申请代码 A040504 归口管理部门 收件日期 国家自然科
2、学基金资助项目进展报告 第 1 页 关于填报国家自然科学基金资助项目进展报告的说明 关于填报国家自然科学基金资助项目进展报告的说明 2004PT 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:/),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
3、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
4、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。国家自然科学基金资助项目进展报告 第 2 页 经费执行情况报表 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
5、写,重点项目不填写。已拨入经费(总额)已拨入经费(总额)140.0000 科 目 预算经费经费支出说 明 一研究经费一研究经费 165.0000111.0000 1科研业务费 77.000051.0000 (1)测试/计算/分析费 50.000035.0000光纤海上试验租用船只及数据处理分析费用(2)能源/动力费 8.00005.0000包括与项目有关的日常能源及动力费用(3)会议费/差旅费 7.00005.0000参加国内学术会议及差旅费(4)出版物/文献/信息传播事务费 5.00003.0000文献检索及发表论文版面费(5)其它 7.00003.0000海上试验的计划外开支 2实验材料费
6、 30.000020.0000 (1)原材料/试剂/药品购置费 12.00008.0000光纤水听器阵用原材料及海上实验消耗材料(2)其它 18.000012.0000磁带,信号弹等海上实验专用材料购买 3仪器设备费 33.000024.0000 (1)购置 25.000018.0000激光源及信号处理机柜,水温测量设备(2)试制 8.00006.0000自行研制开发光纤水听器光缆及收放装置 4实验室改装费 8.00005.0000岸基站民房租用及装修费及相关的软硬件更新 5协作费 17.000011.0000与外单位合作研制实验设备费 二国际合作与交流费 二国际合作与交流费 15.00001
7、1.0000 1项目组成员出国合作交流 10.00007.0000参加两次国际声学会议(多人),派出人员 3 人次2境外专家来华合作交流 5.00004.0000邀请美国和俄罗斯专家来实验室访问 4 人次 三劳务费 三劳务费 10.00007.0000博士生、研究生补助及工作人员绩效津贴 四管理费 四管理费 10.00007.0000中科院声学研究所项目管理费 五机动经费 五机动经费 0.00000.0000 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 合 计 200.0000136.0000 已拨入经费结余 已拨入经费结余 4 国家自然科学基金资助项目进展报告 第 3 页
8、报 告 正 文 撰 写 提 纲报 告 正 文 撰 写 提 纲 1.年度计划要点和调整情况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.下一年度工作计划下一年度工作计划,包括国内外合作与交流计
9、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
10、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: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。国家自然科学基金资助项目进展报告 第 4 页 报 告 正 文报 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
11、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
12、-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
13、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。国家自然科学基金资助项目进展报告 第 5 页 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
14、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10km距离5km距离37km距离10km距离5km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
15、码的调制解调结果 国家自然科学基金资助项目进展报告 第 6 页 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
16、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 国家自然科学基金资助项目进展报告 第 7 页 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
17、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
18、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k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
19、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 C
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