浅海地声参数的变维贝叶斯反演

为解决海底沉积层分层结构未知时的反演问题,提出了一种变维粒子滤波方法,利用声场的互谱密度,估计沉积层分层结构以及地声参数。仿真结果表明：变维粒子滤波在沉积层分层结构未知时,能有效反演沉积层层数以及地声参数,粒子的并行计算能使其相较于可逆跳蒙特卡洛马尔可夫链(rjMCMC)更加高效。利用变维粒子滤波,对南海垂直线阵列接收到的线性调频信号进行处理,反演结果与rjMCMC反演得到的沉积层层数和地声参数结果相近,说明了此方法能有效估计沉积层层数的同时反演浅海地声参数,得到可靠的参数后验概率密度。     

利用拖船辐射噪声的深海声学参数近场匹配场反演方法

针对深海声学参数难以通过远距离合作声源反演获取的问题,提出了利用拖船低频噪声近场匹配场反演方法。首先,利用聚焦波束形成计算拖曳阵接收拖船噪声的方向性,获得传播路径特征;然后,构建多参数反演模型,由波数积分声传播模型计算拷贝场,采用遗传算法对多频匹配场目标函数进行反演。同时,采用蒙特卡罗方法分析参数后验概率密度。仿真与试验结果表明:深海环境中拖曳阵接收拖船噪声主要来自海底反射路径,利用该特性反演得到海水深度、噪声源距离、阵列深度、沉积层厚度等参数,多频联合反演可以提高沉积层厚度等参数反演准确性。宽带匹配场处理表明,利用反演最优参数模型能准确给出拖船噪声源的空间位置。      

基于机器学习的可燃物热解参数反演研究

数值模拟是研究可燃物热解过程的重要技术手段,但建立数值模型时需要准确的可燃物热解参数,而通过实验手段获得给定材料的全部参数较为困难。针对此问题,本文提出了一种基于机器学习的热解参数反演技术。首先建立了数值模型;然后建立了基于神经网络及遗传算法的混合参数反演模型;最后使用数值模拟数据进行了验证,结果表明提出的参数反演技术可有效兼顾反演效率和反演精度,能够为准确快速获得热解参数提供一种新的工具,具有较好的应用前景。     

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。     

基于等效密度流体近似反射模型反演海底参数

为了获取海底沉积物的物理和地声特性,根据等效密度流体近似反射模型得到的不同掠射角下的海底反射损失,利用差分进化算法和粒子群算法相结合的两级混合优化算法以及Bayesian反演方法对海底沉积物的孔隙度、平均颗粒粒度、颗粒质量密度以及颗粒体积弹性模量进行反演,再根据这4个物理参数的估计值进一步计算出海底地声参数,包括声速和衰减。通过反演结果与仿真真值的比较可以看出,除颗粒体积弹性模量外,得到的估计结果是令人满意的,特别是这种间接反演海底地声参数的方法对地声参数的估计具有较高的精确性和较强的稳健性,相对误差分别为0.092%和17%。最后,对实验室水池池底沙质沉积物的反射损失数据进行处理,给出了沙质沉积物各参数的估计值、不确定性和相关性,并通过反演结果与部分实测参数值的比较验证了反演方法的可行性。      

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。     

采用邻域近似算法估计环境参数不确定性

根据贝叶斯理论,逆问题的解可以用后验概率密度来表征,它包含了模型参数先验知识和观测数据信息,反映了反演参数的不确定性.一种快速吉布斯采样算法已经被用于后验概率密度的多维积分运算,但其需要调用大量的声场前向模型,在多个频率或水平变化的匹配场参数反演中,计算量仍然很大.基于邻域近似算法,提出一种比快速吉布斯采样算法更快的参数不确定性估计方法.对低维参数反演问题,邻域算法可以很好地逼近真实的后验概率密度;而对高维问题及其敏感参数,在模型参数样本量有限的条件下,邻域算法很难精确地估计后验概率密度.为了克服以上缺点,并完整地得到反演参数的不确定性信息,设计了一种多步估计方案.数值仿真和实测数据分析表明,多步邻域算法采用较少的计算代价,可获得与快速吉布斯方法相似的估计精度.     

联合MODIS与MISR遥感数据估算叶面积指数

多光谱传感器MODIS与多角度传感器MISR同时搭载在美国EOS观测计划的Terra卫星上,不同的观测方式使得两个传感器的数据组合后形成互补的多光谱多角度观测数据集,为地表参数的遥感估算提供了更多的对地观测信息.该文通过研究组合MODIS与MISR两种观测数据估算陆地表面植被覆盖区域叶面积指数的方法,发展了在物理模型反演的框架内引入基于伴随模型和信赖域优化的反演模式,改进了叶面积指数的遥感估算效果,提高了模型反演的运算速度.对试验区反演结果的验证说明融合两种数据源可以提高叶而积指数的估算精度.基于伴随模型和信赖域优化的地表参数反演方法,为应用于大范围遥感图像数据的模型反演提供了一种有效的途径.     

浅海环境噪声垂直指向性探测海底参数

浅海环境噪声垂直指向性和海底地声参数密切相关,可以利用它来反演海底参数。本文在水平分层介质噪声场模型下,讨论了海底参数对噪声垂直指向性的敏感度,并假设半无限大液态海底,采用效率较高的自适应单纯形模拟退火算法全局寻优,根据中国某海区实测噪声数据,估计了海底声速、密度及衰减,分析了反演结果的不确定性。鉴于声速和密度在不同频率的反演结果不够一致,文中提出多频海底参数联合反演方法,提高了反演海底声学参数的精度。     

基于光学散射特性的失稳空间目标旋转分析

本文提出了基于光学散射特性的失稳空间目标旋转速率实验模拟方案以及数据处理方法,解决了失稳空间目标旋转速率反演的问题。实验构造了模拟真实光学观测的测试系统,使得卫星模型姿态、太阳方位、探测器观测角均与STK模拟场景相同,并模拟了低轨STSS卫星失稳条件下的探测过程,获取了多个周期的探测数据。通过频谱分析法、自相关法、交叉残差法处理实验数据,发现三种方法都可以成功反演出卫星模型的旋转速率,但交叉残差法受干扰较小,结果更准确。通过本文的工作,为今后通过光学散射特性反演真实卫星旋转速率提供了依据。     

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     

利用时域波形快速反演海底单参数的方法

海底单参数反演由于反演维数少, 较之多维反演具有实施简单快捷的优点. 首先定义小掠射角下反射损失随掠射角变化率F_dB为单个参数描述海底性质, 构建单参数反演模型; 其次, 从简正波与射线理论出发, 对时域脉冲波形与海底反射性质之间的关系进行了推导, 并讨论衰减机制; 最后, 基于该关系设计出利用最小二乘法对时域波形进行反演的方法. 对北黄海实验数据进行了实际反演, 通过海底采样验证反演结果对海底性质估计的正确性, 同时基于反演结果的传播损失预报值与实测值符合良好. 该方法实施仅需要单个水听器, 待测物理量少, 所获结果较为可靠, 且能满足大多数应用的需要. 关键词： 单参数 地声反演 浅海 海底反射损失     

Data error covariance in matched-field geoacoustic inversion

Many approaches to geoacoustic inversion are based implicitly on the assumptions that data errors are Gaussian-distributed and spatially uncorrelated (i.e., have a diagonal covariance matrix). However, the latter assumption is often not valid due to theory errors, and can lead to reduced accuracy for geoacoustic parameter estimates and underestimation of parameter uncertainties. This paper examines the effects of data error (residual) covariance in matched-field geoacoustic inversion. An inversion approach is developed based on a nonparametric method of estimating the full covariance matrix (including off-diagonal terms) from the data residuals and explicitly including this covariance in the misfit function. Qualitative and quantitative statistical tests for Gaussianity and for correlations in complex residuals are considered to validate the inversion results. The approach is illustrated for Bayesian geoacoustic inversion of broadband, vertical-array acoustic data measured in the Mediterranean Sea.     

Bayesian geoacoustic inversion of ship noise on a horizontal array

This paper applies geoacoustic inversion to low-frequency narrow-band acoustic data from a quiet surface ship recorded on a bottom-moored horizontal line array in shallow water. A Bayesian matched-field inversion method is employed which quantifies geoacoustic uncertainties and allows for meaningful comparison of inversion results from different data sets. Geoacoustic inversion results for ship-noise data are compared with inversion results for multitone data from a towed controlled source collected in the same experiment, and with independent geophysical measurements. To increase the information content of low-level ship-noise data, the effect of including multiple, independent data segments in the inversion is investigated and shown to significantly reduce geoacoustic parameter uncertainties. Geoacoustic uncertainties are also shown to depend on ship range and orientation, with increased uncertainties for long ranges and for the ship stern oriented away from the array.     

舰船辐射噪声贝叶斯方法反演浅海底层结构及地声参数EI北大核心CSCD

针对以舰船辐射噪声为参考声源的浅海海底分层结构及地声参数反演问题,研究了一种基于贝叶斯理论的浅海多层海底地声参数反演方法。反演中以舰船辐射噪声的线谱成分为研究对象,进而采用非线性贝叶斯反演方法反演浅海底层结构、层中声速、声速衰减和密度,并对反演结果的不确定性进行分析。反演结果的最大后验概率估计值和边缘概率分布分别通过拨正模拟退火算法和Metropolis-Hastings采样法在各参数先验区间内计算获得,并根据贝叶斯信息准则确定最佳海底分层结构。海上实验表明:根据该方法反演获得海底分层结构及地声参数,计算得到的声压场与实测舰船辐射噪声传播损失误差不超过10%,反演结果能够准确表征实验海区海底特征。反演结果不确定性分析表明:海底纵波声速、横波声速以及密度的不确定性更小,对声压场变化更加敏感,反演结果更有效、准确。     

基于等效密度流体模型的地声参数分析

目前的地声参数反演多采用液态海底模型,但是实际海底为多孔弹性海底。该文在等效密度流体模型基础上,通过计算液态海底和多孔弹性海底的反射系数及传播损失,给出了等效密度流体模型和液态海底模型的等效性分析。数值仿真结果表明在低频情况下,多孔弹性海底给出的快纵波声速与等效密度流体模型给出的声速以及等效密度流体的实部与真实的海底密度基本一致。将等效密度流体模型近似看作液态海底模型进行反射系数和传播损失计算,在小掠射角和远距离时,计算结果表明与多孔弹性海底计算结果具有较好一致性,从而以此为依据确定海底为液态,进行地声参数反演。     

地声参数及传播损失不确定性估计与建模

地声参数的不确定性对水声传播具有重要的影响。通过贝叶斯理论建立水声环境不确定性推理模型,理论推导了地声参数的似然函数以及地声参数和传播损失的后验概率密度,并采用MCMC(Markov Chain Monte Carlo)进行了仿真计算,给出了地声参数的二维后验联合概率密度和一维边缘概率密度,在此基础上对传播损失的不确定性进行了估计,得到了传播损失80%的可信区间。仿真和实验结果表明,该方法适用于地声参数反演和不确定性估计,并能获取因地声参数不确定性导致的传播损失不确定性估计。     

Subbottom profiling using a ship towed line array and geoacoustic inversion

Bottom profiling traditionally uses broadband signals received on a line array at long ranges to estimate the bottom layer structure and thickness. In this paper, a subbottom profiling method is developed and applied to a ship-towed line array using the same ship towed source to estimate the subbottom layer structure and thickness. A ship towed line-array system can be used to estimate bottom properties using geoacoustic inversion and can cover a wide area in a short time. It needs some prior information about the subbottom structure and layer thickness, without which the solution can be ambiguous and even erratic when resolving parameters over a wide area. It is shown that the required subbottom information can be obtained from the time-angle relation by beamforming the same acoustic signal data used for geoacoustic inversion. The time-angle analysis is used to expose the prevalent physics intrinsic to geoacoustic inversion. One finds that the tau-p relation of the bottom and the bottom reflection coefficients, sampled at discrete angles associated with bottom and multiple surface-bottom returns, are often adequate, for many practical applications, to uniquely determine the geoacoustic bottom at low (< or =1 kHz) frequencies.     

High-resolution geoacoustic inversion in shallow water: a joint time- and frequency-domain technique

High-resolution geoacoustic data are required for accurate predictions of acoustic propagation and scattering in shallow water. Since direct measurement of geoacoustic data is difficult, time-consuming, and expensive, inversion of acoustic data is a promising alternative. However, the main problem encountered in geoacoustic inversion is the problem of uniqueness, i.e., many diverse geoacoustic models can be made to fit the same data set. A key, and perhaps unique, aspect of this approach is the combination of data analysis in both the space-time and the space-frequency domains. This combination attempts to ameliorate the uniqueness problem by exploiting as much independent data as possible. In order to meet the stringent requirements of high spatial resolution and uniqueness, an entire method has been developed including a new measurement technique, processing/analysis technique, and inversion strategy. These techniques are described and then illustrated with a shallow-water data set. Sound-speed gradients in the upper few meters of the sub-bottom appear to be much higher (one order of magnitude) than generally assumed. And, although often ignored, a large density gradient was observed in the top layer that played an acoustically significant role.     

利用拖船自噪声进行浅海环境参数贝叶斯反演

研究了以拖船自噪声为参考声源的浅海环境参数反演问题,并针对反演结果不确定性快速量化评估问题,提出了一种基于自适应重要性抽样的贝叶斯反演新方法。反演利用了拖船自噪声低频线谱成分,并采用混合高斯推荐函数自适应推荐声场模型样本,使得样本集中于参数高概率密度区域,实现后验概率密度快速收敛计算。仿真试验结果表明:拖船自噪声反演能够准确估计水深、沉积层及阵列参数等。所提自适应重要性抽样贝叶斯反演方法的计算效率优于快速吉布斯抽样方法。利用试验数据处理验证,反演得到试验海域声学环境参数,计算传播损失与各阵元接收线谱强度变化吻合,说明反演最优环境模型能准确表征声场传播特征。