DOI: https://doi.org/10.1109/joe.2025.3637413
تاريخ النشر: 2026-02-03
المؤلف: Xiaolei Li وآخرون
الموضوع الرئيسي: البحوث في الصوتيات تحت الماء
نظرة عامة
تقدم هذه الورقة طريقة البحث المودالي المقيد بالعمود (OCMS) المصممة لتقدير أعداد الموجات المودالية ودوال العمق المودالية باستخدام مصفوفة خطية عمودية (VLA). تعمل الطريقة على فرضية وجود ملف سرعة صوت معروفة وتستغل عمودية دوال العمق المودالية المتميزة لاستخراج دوال العمق المودالية وأعداد الموجات المرتبطة بها بدقة، حتى مع تكوينات ثابتة لمصفوفة VLA ومصدر صوت أحادي اللون.
يتم تقييم فعالية طريقة OCMS من خلال محاكاة عددية تتنوع فيها نسب الإشارة إلى الضوضاء (SNRs)، وفتحات VLA، وعدد عناصر VLA، وزاوية ميل VLA، وعدم اليقين في ملف سرعة الصوت (SSP). تشير النتائج إلى أن OCMS تظهر قوة ضد الضوضاء والتغيرات في تكوينات VLA، مع الحفاظ على أداء موثوق مع عدم يقين في SSP أقل من 1 م/ث وزوايا ميل VLA تحت 5°. بالإضافة إلى ذلك، يتم تأكيد فعالية الطريقة باستخدام بيانات من تجربة SwellEx96، حيث يكون الخطأ النسبي بين أعداد الموجات المودالية المستخرجة من البيانات التجريبية وتلك المحسوبة عبر نموذج Kraken حوالي $10^{-4}$.
مناقشة
تناقش هذه القسم تطوير والتحقق من صحة طريقة البحث المودالي المقيد بالعمود (OCMS) لتقدير معلمات الوضع الصوتي العادي باستخدام مصفوفة خطية عمودية (VLA). تستفيد الطريقة من العلاقة بين أعداد الموجات المودالية (MWs) ودوال العمق المودالية (MDFs) من خلال معادلة تفاضلية حاكمة، مما يسهل تحويل مشكلة التقدير متعددة الأبعاد إلى بحث أحادي البعد عن MWs. تعتبر عمودية MDFs فرضية رئيسية، مما يسمح بتحديد جميع MDFs من MW واحد فقط. يتم تنفيذ طريقة OCMS عبر تحسين محدب، مما يمكّن من تقدير المعلمات بكفاءة من قياسات حقل صوتي أحادي.
تظهر نتائج المحاكاة قوة طريقة OCMS عبر ظروف مختلفة، بما في ذلك تكوينات VLA المختلفة، ونسب الإشارة إلى الضوضاء (SNR)، وعدد العناصر. تظهر الطريقة مرونة تجاه ميل VLA وعدم اليقين في ملف سرعة الصوت (SSP)، حيث تتأثر الأوضاع ذات الرتبة الأدنى أقل من الأوضاع ذات الرتبة الأعلى. تكشف التحقق من صحة البيانات التجريبية من حدث SWellEx-96 أن طريقة OCMS تحقق أخطاء نسبية في حدود \(10^{-4}\) عند مقارنتها بالقيم المرجعية المحسوبة باستخدام كود Kraken، مما يؤكد فعاليتها للتطبيقات العملية في الصوتيات تحت الماء.
DOI: https://doi.org/10.1109/joe.2025.3637413
Publication Date: 2026-02-03
Author(s): Xiaolei Li et al.
Primary Topic: Underwater Acoustics Research
Overview
This paper introduces an orthogonality-constrained modal search (OCMS) method designed for the estimation of modal wavenumbers and modal depth functions utilizing a vertical linear array (VLA). The method operates under the premise of a known sound speed profile and exploits the orthogonality of distinct modal depth functions to accurately extract both the modal depth functions and their associated wavenumbers, even with stationary configurations of the VLA and a monochromatic sound source.
The efficacy of the OCMS method is assessed through numerical simulations that vary signal-to-noise ratios (SNRs), VLA apertures, the number of VLA elements, VLA tilt, and sound speed profile (SSP) uncertainties. Results indicate that OCMS exhibits robustness against noise and variations in VLA configurations, maintaining reliable performance with SSP uncertainties less than 1 m/s and VLA tilt angles under 5°. Additionally, the method’s effectiveness is corroborated using data from the SwellEx96 experiment, where the relative error between modal wavenumbers obtained from experimental data and those calculated via the Kraken model is approximately $10^{-4}$.
Discussion
The section discusses the development and validation of the Orthogonality-Constrained Modal Search (OCMS) method for estimating acoustic normal mode parameters using a Vertical Linear Array (VLA). The method leverages the relationship between modal wavenumbers (MWs) and mode depth functions (MDFs) through a governing differential equation, facilitating a transformation of the multi-dimensional estimation problem into a one-dimensional search for MWs. The orthogonality of MDFs is a key assumption, allowing for the determination of all MDFs from a single MW. The OCMS method is implemented via convex optimization, enabling efficient parameter estimation from single-shot acoustic field measurements.
Simulation results demonstrate the OCMS method’s robustness across various conditions, including different VLA configurations, signal-to-noise ratios (SNR), and element counts. The method shows resilience to VLA tilt and sound speed profile (SSP) uncertainties, with lower-order modes being less affected than higher-order modes. Validation through experimental data from the SWellEx-96 event reveals that the OCMS method achieves relative errors on the order of \(10^{-4}\) when compared to benchmark values calculated using the Kraken code, confirming its effectiveness for practical applications in underwater acoustics.