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。      

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。      

深海低声速沉积层简正波用于海底参数反演*

现有深海地声参数反演研究通常基于全波场理论,存在计算量大、多值性以及需要准确的水文环境信息等问题。针对这一问题,提出一种基于简正波频散特征的深海低声速沉积层海底参数反演方法。在南海北部大陆坡海域的一次实验中,坐底式水听器(深度约1740 m)接收的沉底弹信号中观察到一种低频成分先到而高频成分后至的到达结构,由被限制在低声速沉积层的简正波组成。通过匹配沉积层简正波60-220 Hz频段内的到达时间差对实验海域的低声速海底参数进行反演,得到沉积层厚度为16.4 m,沉积层声速为1450.5 m/s,与底质采样数据比较吻合,且具有较高的可信度,验证了所提方法的有效性。由于沉积层密度对简正波频散特征的敏感性较差,其反演结果可信度不是很高,需要进一步研究。     

一种基于模态匹配的浅海波导中宽带脉冲声源的被动测距方法

针对浅海波导中宽带脉冲声源的被动测距问题,本文在模态匹配和匹配场处理定位方法的基础上,提出了一种适用于具有液态半无限空间海底的浅海波导中声源的单水听器被动测距方法.利用warping变换可以对脉冲声源接收信号的各阶简正波实现有效分离,由此得到各阶简正波的频域信号.海底相移参数是描述海底地声参数的一个重要参量,包含了海底地声参数信息,而各阶简正波的水平波数可以通过含有海底相移参数的表达式来表达.此外,由于声速剖面对简正波的各阶水平波数具有相近的影响,因此通过对任意两阶简正波进行联合处理,可以近似消除声速剖面对简正波水平波数差的影响.任意两阶简正波的水平波数差只近似用于海底相移参数、海深以及波导中平均声速三个参数有关,可以简单、快速地计算相应拷贝场,然后通过建立代价函数并对简正波模态进行匹配,可以实现对水下脉冲声源的被动测距.与传统的模态匹配定位方法相比,本文提出的方法既不需要使用水听器阵,又可以简单、快速地计算出拷贝场.数值仿真和海上实验数据处理结果的测距误差都在10%以内,证明了该方法的有效性.     

基于自适应时频分析的海底参数反演

通过一种自适应时频分析方法获取浅海简正波信号的群延迟数据,与简正波群延迟特性相匹配,从而实现了在单水听器信号基础上进行海底声速、密度等参数的反演。利用反演参数计算得到的1-4号简正波群速度与通过时频分析得到的实验结果符合的很好,对于海水深度、沉积层深度、声速、密度等参数给出了可靠的反演结果,实验数据处理结果表明这是一种简单、快速而有效的参数反演方法。     

Pekeris声波导情况下海深不确定性对简正波群速度反演海底声速的影响研究

简正波群速度广泛应用于海底参数反演,海深不确定性对反演结果有较大影响.为了减小海深测量误差对反演结果的影响,本文通过理论分析和仿真计算对Pekeris声波导情况下正则简正波群速度随海深和海底声速的变化规律进行研究,结果表明当所选取的频率处于某号简正波的Airy频率附近时,该号简正波的群速度对海深变化不敏感,而比同频率的...     

由简正波群延时及幅度反演海底参数

由简正波过滤技术得到1号与2号简正波群延时及幅度。通过匹配简正波群延时差来反演海底的声速、密度等参数,衰减系数由简正波的幅度反演得到。遗传算法用来在参数域内搜索待反演的参数。在 200～500 Hz频率范围内海底衰减系数随频率的变化关系为α=0.29f1.9dB/m（f的单位为 kHz）。最后给出由反演出的参数计算得到的传播损失与实验的声传播损失数据的比较,结果符合的较好。     

利用简正波频散特征映射方法进行海洋环境参数反演

浅海波导中传播的脉冲信号可以通过频散特征映射方法(warping变换)进行简正波的有效分离,这使得频散曲线的获取更加容易和准确.利用简正波频散特征映射方法分析2010年南海声层析实验中单个阵元接收的声学信号,有效分离出各号简正波,并进一步通过Wigner-Ville分布处理提取出波导中各号简正波的频散曲线.将提取的频散曲线与理论计算到达时差进行匹配,实现了利用单水听器信号的海洋环境参数反演.实验结果表明:将简正波分离与Wigner-Ville分布相结合可有效消除Wigner-Ville分布在估计多分量信号时的交叉干扰,提取的频散特征可很好地用于同时反演海水和海底声速剖面。为评价反演结果的有效性,对反演结果进行了后验概率分析,并将一小时内的海水声速剖面反演结果与温度链实测值作对比,二者符合较好.      

基于大掠射角海底反射特性的深海地声参数反演

海底声学参数的获取对于海洋声学研究有着重要意义.通过推导分层吸收介质下的海底反射系数,理论分析了大掠射角条件下吸收系数对海底反射系数的影响.海底反射系数随频率振荡过程中,将其等于海水-沉积层界面反射系数模时所对应的频点定义为1/4振荡周期频率.在该频率下,沉积层吸收系数与基底地声参数的耦合程度小于其他频点.本文基于大掠射角下的海底反射特性,提出一种深海地声参数分步反演方法.首先,利用相关法提取得到海底反射系数的干涉周期,利用干涉周期反演了沉积层声速和厚度.声速的反演结果结合Hamilton经验公式反演密度.第二步,通过结合基底声速的穷举边界,给出沉积层吸收系数的假设值,利用1/4振荡周期频率下的海底反射系数对基底声速进行一维反演.最后利用半波层频率下的海底反射系数对沉积层吸收系数进行一维反演.大掠射角海底反射特性结合分步反演,实现了基底声速和沉积层吸收系数一定程度的解耦合.实验结果表明,在大掠射角测量条件下,该方法反演的地声参数可有效应用在一定范围内的传播损失预报.     

Geoacoustic Inversion Based on a Vector Hydrophone Array

We propose a geoacoustic inversion scheme employing a vector hydrophone array based on the fact that vector hydrophone can provide more acoustic field information than traditional pressure hydrophones. Firstly, the transmission loss of particle velocities is discussed. Secondly, the sediment sound speed is acquired by a matchedfield processing （MFP） procedure, which is the optimization in combination of the pressure field and vertical particle velocity field. Finally, the bottom attenuation is estimated from the transmission loss difference between the vertical particle velocity and the pressure. The inversion method based on the vector hydrophone array mainly has two advantages： One is that the MFP method based on vector field can decrease the uncertain estimation of the sediment sound speed. The other is that the objective function based on the transmission loss difference has good sensitivity to the sediment attenuation and the inverted sediment attenuation is independent of source level. The validity of the inverted parameters is examined by comparison of the numerical results with the experimental data.     

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.     

采用小生境遗传算法反演浅海声速剖面研究*

针对浅海声速剖面反演问题,采用小生境遗传算法,结合声线搜索的最快本征声线匹配反演,实现浅海负跃层条件下的声速剖面估计。利用经验正交函数对声速剖面的多参数不确定性降维,依据声场计算模型获取的最快特征声线传播时延与观测声传播时长进行匹配,采用小生境遗传优化算法,获取最优经验正交函数估计,实现声速剖面反演。按上述方法反演处理浅海声传播实验数据,结果表明,该方法针能够有效反演浅海声速剖面,并且显著优于传统遗传算法反演结果。     

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.     

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.     

Dependence of the Mean Intensity of a Low-Frequency Acoustic Field on the Bottom Parameters of a Shallow Sea with Random Volumetric Water-Layer Inhomogeneities

The study is devoted to statistical modeling of low-frequency acoustic signal propagation in a twodimensionally inhomogeneous random shallow sea with a thermocline and differing penetrability of the bottom. Calculations are performed using the local-mode representation of the solution in the one-way propagation approximation. Plots are presented for the behavior of the mean acoustic field intensity for different sound velocity and density values in the bottom. It is shown that the earlier described effect of a decrease in propagation losses in a model randomly inhomogeneous shallow sea with an absorbing bottom significantly depends on the parameters of bottom sediments and is more strongly manifested for bottom boundaries with greater penetrability.     

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.     

Statistical geoacoustic inversion from vertical correlation of shallow water reverberation

Statistical geoacoustic inversion results based on reverberation vertical correlation （RVC） data from 300 Hz to 800 Hz are presented. The data were obtained during Yellow Sea Experiment-2005 （YSE-05）. An uncertainty analysis is carried out. It is found that the inversion sea bottom sound velocities decrease when the frequency increases. So it is difficult to determine the sea bottom sound velocity. In order to solve this problem, a two-layer bottom model is assumed, and a multi-frequency inversion approach based on Genetic Algorithm is proposed. The approach is demonstrated using YSE-05 experiment data. Both RVC and normal modes depth functions （NMDFs） calculated using the inverted geoacoustic parameters are in good agreement with the experimental measurements.     

Spatial coherences of the sound pressure and the particle velocity in underwater ambient noise

The spatial coherences were investigated between the sound pressure and the three orthogonal components of the particle velocity in underwater ambient noise. Based on the ray theory, integral expression was derived for the spatial coherence matrix of the sound pressure and the particle velocity in a stratified ocean with dipole noise sources homogenously distributed on the surface. The integrand includes a multiplying factor of the vertical directivity of the noise intensity, and the layered ocean environment affects the spatial coherences via this directivity factor. For a shallow water environment and a semi-infinite homogenous medium, the coherence calculation results were given. It was showed that the sound speed profile and the sea bottom could not be neglected in determining the spatial coherences of the ambient noise vector field.