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...     

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。      

浅海声速剖面的匹配波束反演方法

为了快速反演获得浅海声速剖面,利用匹配波束构造了反演代价函数,在此基础上研究了浅海声速剖面的匹配波束反演方法(MBI)。并运用东中国海的实验数据进行实际反演,验证了MBI的可行性和鲁棒性。利用垂直线列阵接收的29个不同位置的爆炸声信号进行了声速剖面反演, MBI反演的结果与实验中直接测量的声速剖面一致,且反演声速剖面的均方根误差小于2 m/s。研究结果表明,MBI比常规匹配场反演(MFI)获得浅海声速剖面更快速、更准确,并且对底质参数的失配具有较高的鲁棒性。     

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.     

利用随机多项式展开的海底声学参数反演方法

为了提高地声反演算法的计算效率,探索克服地声反演结果多值性问题,本文利用宽带、多收发位置的传播损失数据结合传播损失在地声参数先验搜索区间内的随机多项式展开系数矩阵,反演得到海底纵波声速、吸收率和密度比重.使用随机多项式展开近似传播损失时,展开系数的自变量为声波频率、收发位置等参数,随机多项式的自变量为表示声速、吸收率、比重在各自搜索区间内均匀分布的随机变量.传播损失的展开系数通过嵌入随机多项式的声学宽角抛物方程结合盖辽金投影、最小角度回归算法计算求得.在低频、一定声传播水平距离以内和地声参数搜索区间长度适中时,使用随机多项式展开近似传播损失的相对误差在1%以下.仿真发现,在浅海环境中使用低频、一定声传播水平距离以内的传播损失数据,在接收信号信噪比较高、声源和水听器相对位置误差较小时,选择合适的随机多项式展开截断幂次可较准确地反演海底声速、吸收率和密度比重,且计算效率比网格遍历搜索方法提高一个数量级以上.     

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。     

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。      

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。     

浅海中沉积层参数对多途到达时差反演声速剖面的影响

本文以简正波模型和声线模型为基础，通过计算机仿真，研究了浅海多途到达时延差结构与沉积层密度、声速、传播损失系数等参数的关系，针对100m左右浅海和600-1300Hz的信号频率，对两种模型仿真结果进行了比较，结果表明，声线模型仿真得到的多途到达时延差结构与简正波模型仿真的结果基本一致，沉积层参数失配对基于声线模型的多途到达时差反演SSP的影响为：反演声速剖面的均方根误差的变化小于1.45m/s，平均误差的变化小于2.60m/s，在所使用的频段内，浅海沉积层参数对多途到达时差反演浅海声速剖面的影响不大，工程应用中可以忽略不计。     

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。     

Broadband sound propagation in shallow water and geoacoustic inversion

Part of an experiment to test a measurement package in a shallow water region in the Gulf of Mexico was designed to gather broadband acoustic data suitable for inversion to estimate seabed geoacoustic parameters. Continuous wave tow acoustic signals at multiple frequencies and broadband impulsive source signals were recorded on a horizontal line array in a high-noise environment. Simulated annealing with a normal mode forward propagation model is utilized to invert for a geoacoustic representation of the seabed. Several inversions are made from different data samples of two light bulb implosions, the measured sound speed profiles at the HLA and at the positions of the light bulb deployments, and for two different cost functions. The different cost functions, measured sound speed profiles, and measured time series result in different inverted geoacoustic profiles from which transmission loss is generated for comparison with measurements. On the basis of physical consistency and from the comparison of the transmission loss and time series, a best estimate geoacoustic profile is selected and compared to those obtained from previously reported inversions. Uncertainties in the sound speed profile are shown to affect the uncertainties of the estimated seabed parameters.     

海洋声场中分布式无源定位系统的节点配置方法

为了提高海洋声场中分布式无源定位系统的定位精度,提出一种基于自适应遗传算法的节点配置方法。首先,基于到达时间TOA(Time of Arrival)定位算法推导出均匀物理场与海洋声场中定位误差的CRLB(Cramer Rao Lower Bound)。之后,利用BELLHOP模型对海洋声场进行建模,获得任意位置处目标声源与节点接收信号相关的传递函数并对等效声速进行计算.以目标声源在观测区域内服从均匀分布为例,将定位误差的平均CRLB最小为优化准则,采用自适应遗传算法对节点进行优化配置。结果表明,该方法能够有效降低海洋声场中分布式无源定位系统的定位误差,并给出定位误差随节点个数增加呈非线性递减的变化趋势,可为工程应用提供理论指导。      

浅海时变声速环境下的自适应匹配场定位算法实现*

针对浅海环境下声速剖面失配引起的匹配场处理器失配问题,提出了一种自适应匹配场定位算法在声速剖面时变环境下的实现方式。将先验声速剖面集简化为经验正交函数表示,结合蒙特卡洛方法与环境扰动约束算法对当下时刻的目标声源进行匹配场定位。本文以某次试验获取的连续20小时的声速剖面数据为研究对象,通过仿真试验对该算法进行验证,结果表明：在先验声速剖面集的半小时之后,利用自适应算法的距离和深度定位成功率较常规匹配场算法有较大提升,其中,深度正确定位概率相对较低。     

浅海不确定声场的随机多项式展开法研究

为获得求解浅海不确定声场的普适模型,建立了随机多项式展开法与Helmholtz方程的非嵌入式耦合模型,其间运用概率配点法求解多项式系数。针对仅当海水深度不确定时的Pekeris波导、声速剖面和海深均不确定时的Pekeris波导以及下限深度不确定温跃层等几种情形,计算了传播损失概率密度分布。结果表明所建模型对声场计算模型普适性强,计算精度和计算效率高,可用于研究含多个不确定环境参数、声速剖面复杂的浅海环境中声传播的不确定性。      

一种基于模态域波束形成的水平阵被动目标深度估计

水面水下目标分辨与识别一直是被动声呐探测领域的难题.利用一种水平阵模态域波束形成算法获得己知方位目标声源的各阶模态强度,将其与不同深度的各阶参考模态强度进行匹配,最终实现了对声源的深度估计.仿真结果表明,该算法可以在信噪比为-10 dB的情况下,用300Hz带宽的信号样本,实现对声源深度的有效估计.系统分析了不同参数和不同波导条件对该方法目标深度估计性能的影响.其中,阵元数越多,模态样本数越多,计算频段越宽,方位估计精度越高,有效阵长越长,深度估计的性能越好.阵元间距和波导深度的变化不会影响该方法的深度估计性能,并且该方法的深度估计性能在声速剖面、海底参数等波导条件存在扰动时具有鲁棒性.     

浅海波导中目标散射的简正波-Kirchhoff近似混合方法

提出了计算浅海波导中复杂目标散射的数值方法:简正波-Kirchhoff近似混合方法。通过把目标散射的Kirchhoff近似方法和简正波声传播模型相结合,可对大尺寸复杂目标在浅海波导中的散射声场进行计算。以浅海波导中刚性球体散射的解析解为标准解验证了本方法,说明简正波-Kirchhoff近似混合方法是有一定计算精度的工程预报方法。数值计算Pekeris浅海波导中球体目标散射声场在深度-频率平面和距离-频率平面上的二维干涉结构及其与自由空间中的差异。进而通过FFT获得目标时域回波随深度的分布图,分析浅海波导中目标姿态、声速剖面对Benchmark潜艇目标散射的影响。      

西北太平洋副热带模态水区域声传播特性*

西北太平洋副热带模态水(STMW)是在西北太平洋夏季出现的温跃层中温度、盐度和密度具有垂向均一性的水团。由于西北太平洋副热带模态水(STMW)的存在,深海声速剖面呈现出双跃层结构,对深海远程声传播产生较大的影响。本文对比分析了西北太平洋副热带模态水(STMW)区域夏冬两季典型声速剖面环境下的声传播规律。分析结果表明,夏季声速剖面环境下,声源位于浅层声道宽度内时,声传播为浅层声道的类深海声道传播与会聚区传播的复合形式。掠射角较小的声线被限制于浅层声道中,增加了会聚区内的到达结构,并且增强了在影区的声能量,在第二影区内的传播损失比冬季声速剖面环境下最多低近60dB。本文推导了浅层声道的截止频率的近似表达式,分析结果表明,截止频率主要由浅层声道的宽度和正梯度段的声速差值决定,夏季STMW区域浅层声道截止频率主要集中在100Hz左右。     

Sound speed profile characterization by the image source method

This paper presents the first results of an imaging technique that measures the geoacoustic structure of a seafloor in shallow water areas. The devices used were a broadband (100 Hz-6 kHz) acoustic source towed by a ship and a vertical array. Among all the acoustic paths existing in the water column, two are used: the direct one and the seabed-reflected one, the latter being composed of the reflections from the seafloor's surface as well as that from each buried layer. Due to the good time resolution of the signal and to the short range configuration, the reflected signal can be modeled as a sum of contributions coming from image sources relative to the seabed layers. The seabed geometry and the sound speed profile can then be recovered with the detection and localization of these image sources. The map of the image sources is obtained by a function that combines back-propagation of signals and knowledge of the emitted pulse. The thickness and sound-speed of each layer is finally obtained by a position analysis of the image sources. The results obtained by this data-driven algorithm on both at-sea and synthetic data are satisfactory.