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。      

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。     

基于简化海底模型的浅海环境噪声垂直指向性及参数反演

提出了一种以简化海底模型为基础的浅海环境噪声垂直指向性的计算方法,并用于海底参数反演。小掠射角时,采用简正波法;大掠射角时,采用虚源法。数值仿真结果与经典的K/I噪声模型相近;分析某浅水区的一次噪声试验数据,提出分段反演方法,并将反演得到的参数较好的用于噪声场强度预报。结果表明,该方法引入的简化海底模型,能反映出海底反射对噪声场垂直指向性的影响,但由于不需要精确的海底分层结构,便于理论分析声场。      

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。     

射线理论下的浅海环境噪声场空间相干性分析及海底声学参数反演

基于射线理论,以简化海底模型为基础,获得了浅海噪声场空间相干性在频域上的表示方法,并用于海底声学参数反演。将风关海洋噪声看作分布在无限大平面上的点源,通过计算噪声场垂直方向上的能量分布,进一步获得空间两点噪声场频域相干性表达式。利用数值仿真验证了模型对于不同海底类型的敏感性。并结合噪声场空间两点的频域相干性海上实验数据,反演得到该处海域的底质类型,进一步获得海底声速、密度和声衰减系数。结果表明,反演得到的海底参数与实际情况符合较好,文中提出采用的这种计算方法能够有效的反映海底反射对于噪声场空间相干性的影响,并且可在一定程度上提高反演海底声学参数效率。      

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。      

2005黄海实验混响垂直相关统计反演海底参数

处理并分析了2005黄海混响实验数据.在单层海底假设下利用300～800 Hz频段混响垂直相关数据反演了海底参数,并分析了参数反演结果的不确定性.结果发现:单频独立反演的声速值随频率增加而减小.类似的结果以前也有报道,导致难以有效地确定海底的平均声速.为了解决这一问题,本文假设海底具有两层分层结构,并提出了一种基于遗传算法的多频联合海底参数反演方法.同一海域声传播数据的简正波分离结果以及混响垂直相干实验值与基于反演参数计算的理论值吻合良好,验证了分层海底假设及参数反演结果的有效性.     

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。      

海底反射损失的高分辨率估计方法

在海洋声学中,海底反射损失是一个重要的物理量,不仅可以用于传播损失的计算,也可以用来反演海底参数(如声速、密度、吸收系数等)。海底反射损失与声波频率和掠射角有关,近年来出现了多种估计方法,其中一种简单的被动方法是对环境噪声做垂直波束形成,来自海底与来自海面的噪声比例能够反映出海底反射损失的大小[1]。该方法的一个主要优点是能够直接得到反射损失,不需要任何反演机制。但有一个明显的缺点,当垂直接收     

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。     

考虑噪声源深度分布的海洋环境噪声模型及地声参数反演

考虑到海洋环境噪声源深度分布不集中,建立了噪声源随深度分布的海洋环境噪声模型,分析了源深度对噪声场垂向特征的影响并从简正波角度予以解释,发现海底声阻抗和声源深度都显著影响由海洋环境噪声获得的等效海底反射损失大掠射角部分,进而将该模型用于地声参数反演.两段实测噪声数据200—525 Hz频段的反演结果表明:基于海洋环境噪声的地声参数反演最优值与声传播的反演结果相近;源平均深度最优值随频率增加有变小的趋势,说明随频率增加环境噪声主要贡献源逐渐由航船转为风浪;当海况大于3级时,400 Hz以上频段噪声源深度平均值很小,与Monahan气泡理论的描述一致.     

岛礁海域海洋环境噪声垂直分布和垂直指向性

依据岛礁海域复杂海底地形、海试期间航船分布和实测风速数据,应用射线声传播理论,建立岛礁海域海洋环境噪声三维模型。在海试岛礁海域深海声道条件下,采用射线3D算法,仿真计算了32元垂直测量阵所处265~885 m负声速梯度深度范围内1 kHz风关和50 Hz远处航船海洋环境噪声级垂直分布,以及50 Hz航船海洋环境噪声垂直指向性,并与实测分析进行比较。结果表明,仿真结果与海试实测数据一致性良好。在本例海底起伏、接收点周边存在众多岛礁和海底山的三维环境中,1 kHz风关海洋环境噪声级随深度分布较近于均匀;西南方向较远处航道区海域海底较平坦,航道区至接收阵为缓斜坡海底,50 Hz远处航船海洋环境噪声级随深度有所增加,其噪声垂直指向性无明显水平凹槽。文中建立的岛礁海域海洋环境噪声三维模型,可较好地表征本例岛礁复杂地形海底起伏海域的风关和航船海洋环境噪声级的垂直分布、及航船环境噪声的垂直指向性,实测和仿真的岛礁海域海洋环境噪声相关数据,可供实际应用及相关研究参考。      

Geoacoustic inversion of ambient noise: a simple method

The vertical directionality of ambient noise is strongly influenced by seabed reflections. Therefore, potentially, geoacoustic parameters can be inferred by inversion of the noise. In this approach, using vertical array measurements, the reflection loss is found directly by comparing the upward- with the downward-going noise. Theory suggests that this simple ratio is, in fact, the power reflection coefficient-potentially a function of angle and frequency. Modeling and parameter searching are minimized, and the method does not require a detailed knowledge of the noise source distribution. The approach can handle stratified environments and is believed to tolerate range dependence. Experimental data from five sites, four in the Mediterranean, one on the New Jersey Shelf, are described. Most of the Mediterranean sites had temporally varying noise directionality, yet yielded the same reflection properties, as one would hope. One site was visited in conditions of very low surface noise. This paper concentrates on an experimental demonstration of the feasibility of the method and data quality issues rather than automatic search techniques for geoacoustic parameters.     

Bayesian geoacoustic inversion using wind-driven ambient noise

This paper applies Bayesian inversion to bottom-loss data derived from wind-driven ambient noise measurements from a vertical line array to quantify the information content constraining seabed geoacoustic parameters. The inversion utilizes a previously proposed ray-based representation of the ambient noise field as a forward model for fast computations of bottom loss data for a layered seabed. This model considers the effect of the array's finite aperture in the estimation of bottom loss and is extended to include the wind speed as the driving mechanism for the ambient noise field. The strength of this field relative to other unwanted noise mechanisms defines a signal-to-noise ratio, which is included in the inversion as a frequency-dependent parameter. The wind speed is found to have a strong impact on the resolution of seabed geoacoustic parameters as quantified by marginal probability distributions from Bayesian inversion of simulated data. The inversion method is also applied to experimental data collected at a moored vertical array during the MAPEX 2000 experiment, and the results are compared to those from previous active-source inversions and to core measurements at a nearby site.     

Complex reflection phase gradient as an inversion parameter for the prediction of shallow water propagation and the characterization of sea-bottoms

In this paper a quantity is proposed, referred to as the complex reflection phase gradient, whose use in a matched field inversion procedure allows for the rapid extraction of first order geo-acoustic information about the sea-bottom. It is based on the observation that at low grazing angles the reflection phase and bottom loss for a wide range of sea-bottom types commonly exhibits an approximate linear relationship to the vertical component of the acoustic wave number at the seabed. The real part of this quantity specifies the rate at which the reflection phase varies with vertical acoustic wave number while the imaginary part quantifies the rate of change of bottom loss. Despite being defined with just two real parameters it is shown that it provides an accurate prediction of the sound field for a wide range of bottom types. In addition, its measurement permits an estimate to be made for the input impedance to the seabed in the zero grazing angle limit and, in the case of a homogeneous elastic half-space of known density, the compressional and shear wave speed. The main advantage of the two-parameter seabottom representation is that each parameter is readily inverted from comparatively few acoustic pressure measurements. The usefulness of the technique is illustrated by the results from computer simulated acoustic pressure measurements made at just eleven sensors in a simple shallow water channel, and results from a 10 cm deep laboratory channel at frequencies between 10 kHz and 75 kHz.     

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.