匹配垂直质点振速的浅海地声参数反演

海底声学参数对海洋波导中的声场特性研究和相关应用具有重要意义。针对一次夏季黄海声传播实验,分析了浅海负跃层环境下垂直质点振速的传播特性和简正波结构,说明当声源和接收器均位于负跃层下时,除海底附近外的大部分深度上垂直质点振速能量较高,且与声压相比,号数高的简正波对垂直质点振速的贡献更大,利用垂直质点振速进行匹配场反演能获得更高的海底参数敏感性。分析了海底吸收系数对垂直质点振速匹配场反演的影响,结果表明只有当进行匹配场反演时设置的海底吸收系数接近真实值时,才能获得准确的海底声速、密度和海深反演结果。利用实验中矢量水听器获取的垂直质点振速信号进行匹配场反演,将海底吸收系数在变化范围内取不同值对海底声速、密度和平均海深进行全局搜索,根据代价函数值最大确定了海底声速、密度及平均海深的反演结果,并利用不同距离上的声压传播损失反演出不同频率下的海底吸收系数。根据反演得到的海底声学参数计算声压传播损失,与实验中声压水听器测量结果符合较好。     

一种基于简正波模态频散的远距离宽带海底参数反演方法

在浅海环境中, 海底环境参数对声传播有着重要的影响. 由于利用单个宽带声源进行海底参数反演时, 随着距离的增大, 误差变大, 本文提出利用warping变换对在浅海波导中传播的, 不同距离上的两个宽带爆炸声源进行简正波的有效分离, 实现了宽带爆炸声源的远距离海底参数反演. 采用全局寻优遗传算法对提取出的模态频散到达时间差与理论计算的模态频散到达时间差进行匹配处理, 并结合随距离连续变化的声传播损失, 实现了利用单水听器进行海底参数的反演. 实验结果表明: 运用反演出的海底参数提取模态频散时间差和实测数据提取出的模态频散时间差吻合得较好; 而通过传播损失反演得到的海底衰减系数与频率呈指数关系. 最后, 对反演结果进行了后验概率分析, 并将本组爆炸声源的反演结果用于另一组不同距离上爆炸声源时仍然有效, 来评价反演结果的有效性.     

一种地声参数的联合反演方法

根据地声参数对不同声场物理量影响不同,提出了一种利用简正波频散特征结合声传播损失反演地声参数的联合反演方法。首先,考虑到简正波的频散特性(群速度)对海底的密度和声速较为敏感,而对海底吸收系数不敏感,利用自适应时频分析方法,获得不同频率不同号数简正波的到达时间差,以此作为代价函数,采用全局优化算法,反演出海底密度和海底声速的分层结构,并用概率统计的方法评价反演结果的有效性。反演出海底密度和声速后,利用实验船辐射噪声得到随距离连续的声传播损失来反演出海底吸收系数。最后,把反演的参数很好的用于声源匹配定位验证了反演结果的有效性。      

利用气枪声源数据的地声参数反演*

本文通过对东海采集的气枪声源数据进行处理,基于地声参数对不同声场观测量的敏感性差异,利用分步反演的策略进行分析。首先选择距离接收阵七个不同的距离点数据,通过warping变换准确提取第三阶至第八阶简正波的频散曲线;利用海底声速对频散曲线敏感的特性来反演声速;由Hamilton经验公式求得海底密度;通过传播损失拟合获得海底衰减。不同距离点数据反演的海底声速与密度一致性较高。实验提取的频散曲线和和反演参数仿真结果、实验获取的传播损失与反演参数获得传播损失均拟合较好。     

一种低声速沉积层海底参数声学反演方法

软泥底环境下沉积层参数的声学反演是国际水声领域的一个研究热点.浅海中,当高声速基底和海水之间存在一层低声速(小于海水声速)的沉积层时,小掠射角情况下不同频率声传播损失会出现周期性增大现象.基于此现象,提出一种适用于低声速沉积层的海底参数声学反演方法.首先,推导给出小掠射角情况下传播损失周期增大的频率间隔与沉积层声速、厚度及近海底海水声速之间的解析表达式;其次,利用一次黄海实验中软泥底环境下的宽带声传播信号,提取了小掠射角下传播损失增大的频率周期;再次,把该解析表达式作为约束条件,结合Hamilton密度与声速的经验公式,采用匹配场处理反演给出沉积层的声速、密度、厚度及基底的声速、密度;然后,利用声传播损失数据反演得到泥底环境下不同频率的声衰减系数,通过拟合发现泥底声衰减系数随频率近似呈线性关系;最后,给出了双层海底模型和半无限大海底模型等效性的讨论.反演结果为低声速沉积层海底声传播规律研究与应用提供了海底声学参数.     

同振球型矢量水听器声波接收理论研究

对同振球型矢量水听器声压和质点振速的声波接收理论进行了研究。以同振球型振速水听器测量原理为基础,推导了自由运动刚性球体和弹性球体的声波接收响应数学表达式,分析了振速水听器几何尺寸、平均密度与其频响特性曲线之间的关系;另外,根据球面接收器的声波接收理论,推导了矢量水听器声压接收响应数学表达式,通过理论分析和数值计算,研究了振速水听器表面上的声压分布规律以及声压水听器的声波接收压力系数与其接收面的大小、质点振速水听器的半径、布放的位置和半径等参数之间的关系;从理论上建立了矢量水听器声波接收理论模型和分析方法,为矢量水听器的设计和研制提供了理论依据。      

利用传播损失反演海底单参数

根据地声反演复杂性随着待反演参数的个数减少不断降低的原理,提出一种利用传播损失反演海底单个参数的方法。通过对海底声阻抗的推导,利用声速、密度和衰减系数拟合出海底反射损失对掠射角的斜率F。基于简正波理论推导了用F描述声场的公式,并据此设计出对传播损失数据进行最小二乘法处理的反演方法。得益于将待反演参数减少至一个,该方法只需单个水听器,避免了复杂测量及多维寻优。对东海实验数据进行了实际反演,并介绍了利用反演结果F进行传播损失预报和海底性质估计的步骤。所获结果与多参数混合反演方法及实测真值进行比较,其一致性验证了方法的有效性。      

一种海洋环境噪声分步反演地声参数方法

分析不同海底参数对环境噪声垂向空间特性的敏感度,根据海底密度对环境噪声垂直指向性的小掠射角部分不敏感,而对等效海底损失的大掠射角部分相对敏感的特点,提出了一种海洋环境噪声分步反演地声参数方法:先用环境噪声垂直指向性小掠射角部分反演海底声速、衰减;之后利用大掠射角部分来反演海底密度。仿真算例和海上实验数据处理结果验证了该方法的有效性。结果表明:分步反演加强了匹配物理量对海底参数敏感部分的关注,在反演结果精度(海底密度)以及反演效率上都有所改善,具有一定可行性。      

一种矢量水听器基阵模拟器的设计

矢量水听器的每个阵元同时测量声场中声矢量和质点振速的3个分量,相对于声压水听器阵来说,矢量阵获取声场中更多的信息。利用矢量阵所获得速度场的信息可以去除目标方位估计中的 180°模糊。模拟器可以模拟实际海洋环境中目标的辐射特性和噪声特性,应用模拟器可以有效地缩短声纳的研制周期。本文提出一种矢量水听器基阵模拟器的设计方案,该方案解决了矢量阵中宽带信号的90°移相问题、时延精确控制问题和宽带噪声的谱状控制问题。     

利用海底反射信号进行地声参数反演的方法

针对现有反演方法的缺点,提出了一种基于海底反射信号的地声参数高分辨反演方法.它利用短距离声源在不同深度上发射宽带线性调频信号,采用垂直阵进行接收,首先通过匹配滤波方法提取多径到达信息,然后利用海底反射损失曲线,反演海底表层的声速和密度,最后利用浅底层反射信号估计沉积层参数.由于海水中直达波受到内波的强烈影响,选择海底表面反射作为参考,用以可靠地计算浅底层反射的相对到达时间和幅度,从而估计出沉积层的厚度、速度和衰减系数.通过海上实验,验证了利用浅底层反射信号反演参数的有效性. 关键词： 海底参数 反演 浅底层反射信号     

变声速弹性沉积层下压缩波与剪切波的耦合影响

针对压缩波声速n²线性分布、剪切波声速平方线性分布的变参数弹性海底沉积层中声场建模问题,建立了关于压缩波与剪切波本征函数的偏微分耦合方程组,基于微扰法,通过逐次微分给出了本征函数的近似解析解.理论分析表明,只有剪切波声速平方的梯度不为零的情况下,沉积层中的压缩波才会与剪切波产生耦合.压缩波与剪切波耦合的影响会带来本征值的变化,其对近场声传播的影响较小,但远距离声传播损失的预报在考虑耦合后与实测数据符合得更好.此外,耦合还会导致沉积层中本征函数及其导数的变化,使得耦合与非耦合情况下沉积层中质点位移场不同.通过与商用声场软件COMSOL计算结果的对比分析检验了本文方法的正确性,且本文方法计算时间远小于COMSOL软件运行时间.     

Geoacoustic inversion for bottom parameters in a thermocline environment in the northern area of the South China Sea

Bottom acoustic parameters have important influence on the application of underwater acoustic propagation and source location.The acoustic parameters of the seabed in the northern of the South China Sea(SCS) were inversed using the experiment data from an acoustic experiment in 2015.Based on the comprehensive analysis of the influence of the sound speed fluctuation and the geoacoustic model on seabed inversion,the multi-parameter hybrid acoustic inversion scheme is improved by selecting the equivalent mean sound speed profile(SSP) and half-infinite liquid bottom model to save the inversion dimensions in the matched field processing(MFP) inversion.The inverted bottom sound speed and density are in good agreement with the core sampling measurements.The nonlinear empirical relationship of the attenuation coefficient with frequency is given out.The inversion results are meaningful to the sound propagation research and application in the northern area of the SCS.     

Seabed geoacoustic characterization with a vector sensor array

This paper proposes a vector sensor measurement model and the related Bartlett estimator based on particle velocity measurements for generic parameter estimation, illustrating the advantages of the Vector Sensor Array (VSA). A reliable estimate of the seabed properties such as sediment compressional speed, density and compressional attenuation based on matched-field inversion (MFI) techniques can be achieved using a small aperture VSA. It is shown that VSAs improve the resolution of seabed parameter estimation when compared with pressure sensor arrays with the same number of sensors. The data considered herein was acquired by a four-element VSA in the 8-14 kHz band, during the Makai Experiment in 2005. The results obtained with the MFI technique are compared with those obtained with a method proposed by C. Harrison, which determines the bottom reflection loss as the ratio between the upward and downward beam responses. The results show a good agreement and are in line with the historical information for the area. The particle velocity information provided by the VSA increases significantly the resolution of seabed parameter estimation and in some cases reliable results are obtained using only the vertical component of the particle velocity.     

Hybrid geoacoustic inversion of broadband Mediterranean Sea data

This paper describes an acoustic experiment (PROSIM'97) carried out to investigate inversion for seabed properties at a site off the west coast of Italy where previous acoustic and geophysical studies have been performed. Acoustic fields were measured at a vertical hydrophone array due to a swept-frequency source towed over weakly range-dependent bathymetry. Based on the known geology, the seabed is modeled as a sediment layer overlying a semi-infinite basement with unknown model parameters consisting of the sediment thickness, sediment and basement sound speeds, source range and depth, water depth at the source and array, and array tilt. A hybrid inversion algorithm is applied to determine the model values that minimize the mismatch with the measured acoustic fields. Multiple data sets are analyzed to examine the consistency of the inversion results. It is found that the low sound speed of the sediment layer, together with a large uncertainty in bathymetry, leads to strong correlations between the water depths and sediment thickness. This precludes reliable estimation of these parameters individually; however, the total depth to the basement can be estimated reliably. In addition, the basement speed and geometric parameters are estimated consistently, and all parameters compare favorably with the geophysical ground-truth information and with previous inversion results.     

warping变换提取单模态反演海底衰减系数

为了获得浅海海底地声模型参数,利用warping变换方法分离出单模态简正波.对于接收深度固定、定深爆炸声源情况,以简正波理论为基础定义了距离归一化的简正波传播损失,并且其随传播的距离呈线性关系,故可通过此变化规律得到声压值实部的衰减因子,进而可求得海底地声模型参数:海底衰减系数.为验证此方法的有效性,仿真了warping变换提取单模态简正波的过程,同时将warping变换提取的单模态简正波与数值计算的结果进行比较验证;并针对某次黄海试验数据进行了处理,得到在150—550 Hz频带范围内海底衰减随频率的变化规律为α=0.581f_k~(1.86)(dB/m).通过与其他学者在相同海域试验结果的对比验证,变化规律基本相同.此外不同模态间反演相同频点的衰减系数接近也较好地支撑了结果.     

利用多角度海底反向散射信号进行地声参数估计

针对现有海底地声参数估计方法的不足,提出了利用相控参量阵浅地层剖面仪接收的多角度海底反向散射信号进行地声参数估计的方法,首先利用正下方和斜入射方向上沉积层上、下表面的差频反向散射信号进行沉积层厚度和声速估计,然后利用正下方沉积层上、下表面两个不同频率的差频信号的反向散射信号估计沉积层衰减系数,最后利用正下方沉积层上表面原频反向散射信号估计沉积层阻抗,计算沉积层密度从而解决和声速的耦合性,通过水池试验验证了该方法的有效性。     

声速剖面反演对基阵倾斜失配的敏感性研究

通过推导基阵倾斜失配给声传播时间计算带来的误差,分析了这种参数失配对基于声传播时间的声速剖面反演结果的敏感性。研究结果表明,小角度倾斜时,由基阵倾斜所带来的声速剖面反演误差与倾斜俯仰角近似成正比,与声传播时间近似成反比。当基阵倾斜方位与声源一基阵连线方向一致时带来的误差最大,而垂直时误差最小。理论计算与仿真、实验结果在变化趋势和数量级上具有较好的一致性,为反演误差预报提供了参考。      

南海北部负跃层环境下海底参数声学反演

利用2015年南海北部声学实验的实验数据,对海底声学参数进行反演。在综合分析声速起伏及海底模型对海底反演影响的基础上,通过选择等效的海水声速剖面和海底模型,改进了多参量联合地声反演方法,使得其不仅能解决反演中的多值性问题,还能适用于负跃层起伏环境下的声学反演。即当用匹配场反演海底声速和用传播损失反演海底衰减时,如果温跃层内有内波等随机起伏,可使用传播路径上平均声速剖面和单层等效海底进行声场计算。反演得到的海底声速和密度结果与海底采样测量符合较好,拟合给出了海底衰减系数随频率的非线性经验关系式。反演结果可为南海北部声传播规律研究与应用提供海底参数。      

利用矢量海洋环境噪声提取声场格林函数

考虑到矢量水听器在垂直方向上具有8字形指向性,能够有效抑制远方非平稳噪声源的干扰,提出了一种矢量环境噪声相关函数(NCF)提取声场时域格林函数(TDGF)的方法。基于简正波理论建立了声压和垂直振速垂直相关性模型。在此基础上,给出了声压和垂直振速相关函数提取声场纵向格林函数的过程.数值仿真对比和实验数据分析表明,相对于声压提取方法,垂直振速提取方法能够有效消除直达波前出现的亮纹与亮区干扰。此外,对于同等时间长度噪声序列,声压提取方法只提取到直达波路径,而垂直振速提取方法还提取到了我们更为关心的海底反射路径。利用直达波与海底反射波到达时延差估计的海深与实测海深吻合较好。      

At-sea measurements of sound penetration into sediments using a buried vertical synthetic array

Acoustic bottom penetration experiments were carried out in a medium-grain sandy bottom at a site in St. Andrews Bay, Florida. These investigations used a new buried, vertical, one-dimensional synthetic array system where a small hydrophone was water-jetted into the sediment to a depth of approximately 2 m. Once buried, this hydrophone was mounted to a vertical robotics stage that translated the hydrophone upward in 1-cm increments. A broadband (3 to 80 kHz) spherical source, positioned 50 cm above the sediment-water interface, was used to insonify the sediment. Measurements were made with insonification angles above and below the critical angle by changing the horizontal distance of the source relative to the insertion point. This new measurement system is detailed, and results are presented that include temporal, frequency, and wavenumber analysis for natural and roughened interfaces. The measured compressional sound speed and attenuation are shown to be self-consistent using the Kramers-Kronig relation. Furthermore, only a single fast compressional wave was observed. There was no observation of a second slower compressional wave as predicted by some applications of the Biot model to unconsolidated water-saturated porous media.