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。     

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。     

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。     

采用拖曳线列阵的海洋声学参数联合反演方法研究

匹配场反演方法是快速获取海底声学参数的一种有效途径,但是其反映的是水体和海底空间变化环境的平均效果,对海底密度和衰减系数的敏感性较小,且在复杂海底环境下,不确定性明显增加。匹配场反演方法通常采用垂直阵来实现,其机动性较差,只能获得局部海区的环境参数。利用拖曳线列阵可以实现环境参数的走航式获取。提出了基于匹配场与反射损失联合反演的方法,利用其中之一的反演结果作为下一步反演的先验信息,敏感参数与不敏感参数多步反演,并逐步缩小了参数的优化空间。同时引入贝叶斯理论与蒙特卡罗方法对反演参数的后验概率密度进行分析,并利用反演结果的后验分布计算了传播损失随距离的概率分布。研究结果表明,联合反演方法对地声参数进行了更准确的反演,尤其是对海底声速反演效果提高明显。通过传播损失的概率分布发现,估计得到的海底参数用于声场预报时,误差较小。     

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。     

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。     

利用机会运动声源的水平阵地声反演EI北大核心CSCD

针对利用机会运动声源的反演问题,提出一种对水平阵的非相干波束输出进行重构并获得海底声学参数的反演方法。不同于匹配场反演,该方法利用了声场的平滑平均原理,并且将衰减简正波的影响比例提升。仿真分析表明所提方法相比于匹配场反演对海底衰减系数更加敏感并且对声源的空间位置误差更加宽容。实验数据的反演结果表明研究海域在30~160 Hz频率范围内海底衰减系数随频率的变化关系为(0.34±0.18) f^(1.59±0.27)dB/m(f的单位是kHz),并且给出了由反演出的参数计算的传播损失曲线与实验的声传播损失数据的比较,所提方法比匹配场反演方法更准确地表征了声场传播特征。     

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。     

用于制作光纤光栅的Talbot干涉仪的分析与建模

对用于制作光纤光栅的Talbot干涉仪进行了分析.当考虑准分子激光器的空间相干性和时间相干性时,几何光学中的光线法并不能给出Talbot干涉仪干涉场的真实强度分布情况,而通过光的电磁理论,则可以提供对干涉场的详细描述.基于电磁理论,建立了一个Talbot干涉仪干涉场计算模型,并首次将Talbot干涉仪的反射镜转角作为模型计算参数加以考虑,随后进行了一系列的计算.计算结果显示了干涉场的分布,同时表明空间相干性对Talbot干涉仪的近场干涉和远场干涉影响都很大,其中远场干涉对空间相干性的要求更严格,且对于远场干涉,反射镜转角的影响不可忽视.     

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。     

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.     

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.     

利用海洋环境噪声直接提取海底反射系数

提出了一种利用海洋环境噪声直接(非迭代)提取海底反射系数的方法,基于海洋环境噪声垂直相关函数与方向密度函数的相似性,结合海洋环境噪声射线理论,由两个垂直排列的水听器实现海底反射系数的被动获取。方法适应性的仿真分析说明较高海况下且近场无航船干扰的海洋环境噪声数据有利于方法的实现;对于两层海底,海洋环境噪声垂直相干函数经高通滤波后,由海洋环境噪声垂直相关函数对时间的导数可准确提取垂直方向沉积层反射系数;将方法用于较高风速下的实测海洋环境噪声数据处理,结果表明直接提取方法可准确获取大于临界角部分的海底反射系数。     

Full wave-field reflection coefficient inversion

This paper develops a Bayesian inversion for recovering multilayer geoacoustic (velocity, density, attenuation) profiles from a full wave-field (spherical-wave) seabed reflection response. The reflection data originate from acoustic time series windowed for a single bottom interaction, which are processed to yield reflection coefficient data as a function of frequency and angle. Replica data for inversion are computed using a wave number-integration model to calculate the full complex acoustic pressure field, which is processed to produce a commensurate seabed response function. To address the high computational cost of calculating short range acoustic fields, the inversion algorithms are parallelized and frequency averaging is replaced by range averaging in the forward model. The posterior probability density is interpreted in terms of optimal parameter estimates, marginal distributions, and credibility intervals. Inversion results for the full wave-field seabed response are compared to those obtained using plane-wave reflection coefficients. A realistic synthetic study indicates that the plane-wave assumption can fail, producing erroneous results with misleading uncertainty bounds, whereas excellent results are obtained with the full-wave reflection inversion.     

Spatial correlation in the ambient core noise field of a turbofan engine

An acoustic transfer function relating combustion noise and turbine exit noise in the presence of enclosed ambient core noise is investigated using a dynamic system model and an acoustic system model for the particular turbofan engine studied and for a range of operating conditions. Measurements of cross-spectra magnitude and phase between the combustor and turbine exit and auto-spectra at the turbine exit and combustor are used to show the presence of indirect and direct combustion noise over the frequency range of 0-400 Hz. The procedure used evaluates the ratio of direct to indirect combustion noise. The procedure used also evaluates the post-combustion residence time in the combustor which is a factor in the formation of thermal NO(x) and soot in this region. These measurements are masked by the ambient core noise sound field in this frequency range which is observable since the transducers are situated within an acoustic wavelength of one another. An ambient core noise field model based on one and two dimensional spatial correlation functions is used to replicate the spatially correlated response of the pair of transducers. The spatial correlation function increases measured attenuation due to destructive interference and masks the true attenuation of the turbine.     

warping变换提取单模态反演海底衰减系数

为了获得浅海海底地声模型参数,利用warping变换方法分离出单模态简正波.对于接收深度固定、定深爆炸声源情况,以简正波理论为基础定义了距离归一化的简正波传播损失,并且其随传播的距离呈线性关系,故可通过此变化规律得到声压值实部的衰减因子,进而可求得海底地声模型参数:海底衰减系数.为验证此方法的有效性,仿真了warping变换提取单模态简正波的过程,同时将warping变换提取的单模态简正波与数值计算的结果进行比较验证;并针对某次黄海试验数据进行了处理,得到在150—550 Hz频带范围内海底衰减随频率的变化规律为α=0.581f_k~(1.86)(dB/m).通过与其他学者在相同海域试验结果的对比验证,变化规律基本相同.此外不同模态间反演相同频点的衰减系数接近也较好地支撑了结果.