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。     

基于信号稀疏分解的水下回波分类

针对表面起伏不平的水下底质回波分类效果差的问题,提出一种新颖的基于信号稀疏分解理论的水下底质回波特征提取方法。本方法并不使用通用时频字典,而是针对回波分类这一中心任务直接采用回波训练样本集作为字典,将水下回波信号在该字典上进行稀疏分解,然后提取出回波信号的类别能量特征。对水下钴结壳等三类底质回波分类实验表明,基于信号稀疏分解的类别能量特征的fisher分布明显优于小波域模极大值边缘特征和奇异值特征,从而显著提高了水下回波的分类效果。研究结论:在回波特征提取阶段,采用回波样本作为信号表达字典是可行的,同时由回波样本字典引入的回波类别信息将有助于获取更优的回波特征。      

海底回波空间相关特性研究

阐述了海底回波空间相关特性的基本原理,引入了Kirchhoff模型进行回波仿真并计算空间相关函数,分析了密度比、声速比、衰减系数、海底表面不平整性空间谱的谱系数和谱指数等底质参数对回波空间相关特性的影响。通过建立上述底质特性参数与沉积物平均粒径的φ值之间的表达式,得到了回波空间相关特性随沉积物平均粒径的变化趋势:随着φ值的增大,空间相关函数的主瓣宽度变窄。将仿真结果与2007年10月份采集的海试数据进行比较,发现在海底底质相同的情况下,二者的空间相关函数波形符合得较好。      

结合卷积神经网络的浅海有源探测信道匹配

信道匹配方法在有源探测领域是一种重要的提升检测信噪比的方法。针对非确知海底参数环境下的有源探测信道匹配问题,提出一种结合卷积神经网络进行信道匹配的算法。该算法基于海底参数扰动开展声场仿真生成卷积网络训练数据;首先通过分类网络将信号按照海底底质类型分类,在每个分类区间内采用单独的卷积网络反演海底参数;然后结合声场模型估计信道传递函数,进行信道匹配,从而在非确知环境下抑制多途影响,提升回波检测能力。仿真与实验结果表明,该算法能够在不确知海底环境条件下,有效估计信道传递函数,实现信道最优化匹配,在实验条件下可提高回波检测信噪比4 dB左右。相比传统方法,该算法可以在海底参数不确知条件下对低接收信噪比的信号实现信道匹配,同时不需要高信噪比的实验参考信号,有效提高了信道匹配方法的环境宽容性。      

深海近距离声场频率-距离干涉结构反演海底声学参数

地声反演一般存在多解性的问题,不易有效分离沉积层声速与厚度,本文提出了一种当声源与接收水听器分别位于海面与海底附近时匹配声场干涉周期反演深海沉积层声速与厚度的方法。该声场周期结构由直达波与海底沉积层反射回波干涉形成,其干涉周期受沉积层声速和厚度影响,通过匹配实测与理论计算的声场干涉周期可有效反演沉积层声速和厚度。开展了深海实验验证,利用水听器接收到的近距离船舶噪声的声场干涉条纹,反演得到的实验海域海底沉积层声速与该海域海底表层采样平均值差小于20 m/s。数值仿真与实验结果表明该方法可以有效反演沉积层的声速与厚度。      

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.     

电磁超声界面回波瞬时图谱分析与神经网络识别

针对钢板背后多层橡胶粘接结构,选择较佳实验频率值作为电磁声换能器的激励源频率。提取了检测回波的瞬时振幅、瞬时相位和瞬时频率三种瞬时参数,将瞬时参数构成三维瞬时图谱定性识别不同粘接状态。将敏感时间窗内的平均瞬时参数组成特征向量,利用BP神经网络进行识别,对训练集与测试集的识别结果表明,该方法可以实现电磁超声界面回波的自动识别与分类,识别正确率不低于95%。     

基于Gammatone滤波器组时频谱和 卷积神经网络的海底底质分类*

为了有效利用海底底质信号完成海底底质的分类识别,本文提出一种将深度学习方法和底质信号相结合实现底质分类识别的方法。首先利用Gammatone滤波器组计算底质侧扫图像信号的时频谱,最后利用卷积神经网络(Convolutional Neural Networks, CNN)对得到的时频谱进行分类识别完成底质分类。实验结果表明该方法的底质分类准确率平均达到97.64%,相对于其他方法,分类性能更加优越;同时利用该方法分类海试数据,结果证明该方法具有一定的泛化能力。本文研究结果对实际的海底底质分类具有一定参考意义。     

海底单参数频域反演与沉积物分类

为了快速获取海底声学特性,从降低反演参数维数入手,提出一种基于海底单参数(小掠射角下海底反射损失随掠射角的变化率)的频域反演方法,并用于沉积物分类。在海底单参数模型基础上,对海底反射信号进行频域相关处理,利用几何射线理论,推导获得海底单参数与归一化频域自相关系数下降至0.5时频移量之间的关系表达式。通过研究海底单参数与沉积物类型之间的等效关系,对海底沉积物进行分类。对波兰波罗的海实验数据进行实际反演,得到1000~2500 Hz频段内的海底单参数值,进而判定实验海域海底沉积物类型为极细砂。结果表明,根据单参数反演值预报的声传播损失与实验测量值符合较好,利用频域反演结果获得的海底沉积物类型与取样结果一致,验证了实验海域频域反演方法的有效性及分类结果的正确性。      

基于相平面轨迹方法的海底底质分类研究

提出了基于相平面轨迹的海底底质分类的方法,从海底回波信号的相平面轨迹中提取两个特征量:最大距离特征量和距离分布特征量。利用这两个量的统计特征来完成对不同海底的分类,并将该方法应用于处理海上实验数据。结果表明:该方法可靠地识别出了两种相近(沙-粉沙-粘土与粉沙质粘土)但不相同的海底底质类型,说明这种方法用在海底底质分类是可行有效的。     

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。      

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.     

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。      

噪声修正的混响反演海底反射系数幅值参数

利用一种噪声修正方法解决低混噪比条件下混响数据反演海底反射系数幅值参数偏差的问题。将全波动混响理论中的混响非相干平均强度,叠加海洋环境噪声平均强度,获得包含噪声的混响平均强度理论,分析背景噪声平均强度对反演海底反射系数幅值参数的影响。数值仿真表明,背景噪声平均强度的叠加使得混响平均强度衰减趋势减缓,导致海底反射系数幅值参数反演结果偏小,混响噪声比越低,影响越明显。提出一种噪声平均强度相减的修正方法,对混响噪声比为[0,6] dB的混响平均强度数据进行修正,利用修正后的混响数据反演得到偏差较小的海底反射系数幅值参数。对比浅海混响实验数据衰减至不同混噪比时反演所得海底反射系数幅值参数,以及经噪声修正后的反演结果,验证了本文提出方法的可行性。      

对超声DOPPLER声谱图进行分类决策的两种方法

本文介绍了两种对超声多普勒血流声谱图进行了波形自动分类法决策的方法，方法一与统计得到的标准波形相比，按适当判据进行自动分类，方法二，送入训练的人工神经网络进行自动分类，待分类波形由计算多普勒信号的最大频率提取声谱包络并经分段，平均和归一化等处理得以，文中给出了计算机模拟的结果。     

双包络去除和OPLS的土壤有机碳含量反演

土壤有机碳(SOC)对土壤肥力至关重要,可见-近红外光谱能对其实现快速反演,为区域监测和定量遥感提供基础。针对包络去除(CR)仅提供反射光谱的单向吸收特征,多元回归中预测信息缺失、拟合结果未充分反映波段特征,利用世界土壤数据库245份中国土样的可见-近红外光谱,首次提出双包络去除(BCR)与正交偏最小二乘(OPLS)结合的反演方法BCR-OPLS,同时纳入光谱反射率及上、下边包络去除量,讨论组分参考值偏态分布时幂函数或对数缩放在回归时的优化作用,建立多种土壤的综合与分类估计模型,并导出适用特定类型土壤的SOC指数。结果表明,对多种土壤有机碳含量反演,相较PLSR模型(决定系数R2和估计根均方误差RMSEE分别为0.69和0.45%),BCR-OPLS模型的预测能力明显改善(R2和RMSEE分别为0.9和0.26%);而对单一类型土壤的反演精度则进一步提升,根据载荷趋势和变量重要性建立的SOC指数,预测如黄色铁铝土的有机碳含量时(以400,590和920 nm),其反演结果R2达到0.94、RMSEE达到0.21%。双包络去除与OPLS相结合,增强了光谱特征诊断的鲁棒性,提高了不同类型土壤的综合与分类SOC全谱反演精度,基于直观的图谱表达可构建简单的波段预测关系,深化了物理经验吸收与统计多元回归之间的联系。     

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。     

颗粒两相体系超声多参数测量实验研究

发展了一种基于超声检测原理的颗粒两相体系颗粒粒度、密度和浓度的测量方法。设计了一套脉冲超声波多参数测量装置和系统,以SiC悬浊液为研究对象,测得了其3～6 MHz的声衰减谱。利用反演算法,获得了SiC颗粒粒度分布曲线,并将此与电感应法测量结果进行对比,两者比较吻合。同时,采用多次回波技术,获得了多达15次回波信号。利用自行编制的LabVIEW分析程序进行数据处理,计算出颗粒两相体系的密度和浓度,其相对测量误差分别在1.6%和8%以内。     

采用低维特征映射的耳语音向正常音转换

在将耳语音转换为正常音时,为了研究降维后语音特征对耳语音转换的影响,分别对耳语音和正常音谱包络进行自适应编码以提取耳语音和正常音的低维特征,然后使用BP网络建立耳语音和正常音低维谱包络特征之间的映射关系以及正常音基频和耳语音低维谱包络特征之间的关系。转换时,根据耳语音低维谱包络特征获得对应正常音的低维谱包络特征和基频,对低维谱包络特征进行解码后获得对应的正常音谱包络。实验结果表明,采用此方法转换后的语音与正常音之间的倒谱距离相比高斯混合模型方法下降了10%,转换后语音的自然度和可懂度都有所提高。      

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.