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。     

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.     

利用局域滤波方法反演地声参数

地声参数的声学反演方法一直是水声学研究领域的热点。针对现有地声参数反演方法在分批分时处理海量数据时不能同时兼顾反演速度和精度、难以满足实际需要的不足,本文基于一个新构造的阵列观测数据向量,提出了一种反演地声参数的局域滤波新方法。该方法首先由前向声传播模型产生一个拷贝场样本集,然后采用加权最小二乘滤波器在阵列实测数据的局域空间内近似地估计了地声参数反演算子(即从数据空间到参数空间之间的映射关系)。本文方法能够充分地利用声场观测信息、避免了整体平滑效应、且海量数据处理时仅需要较少的前向模型计算,具有反演速度快、精度高、兼顾二者的优点,特别适用于对海量数据的分批分时处理及要求实时反演的应用场合。最后,典型浅海环境下的数值仿真和某次地中海实验数据分析结果验证了本文方法的有效性。     

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。     

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。     

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。     

联合简正波水波和底波频散特性的贝叶斯地声参数反演

大多数基于浅海简正波模态频散数据的地声参数反演方法无法对深层底质声学参数进行可靠估计,究其原因是仅利用了简正波水波频散特征,忽略了与深层底质声学参数密切相关的底波频散特征,因此,本文在分析了包含水波和底波的浅海宽带数据的基础上,结合底波频散特征对深层底质声学参数变化更加敏感的物理特性,实现了基于完整简正波频散特性的贝叶斯地声参数反演,并针对简正波宽带声场模型计算复杂度较高的现实问题,利用变分贝叶斯蒙特卡罗方法的推断优势,完成了未知参数的可靠估计和快速后验分析.仿真和海上实验结果表明:联合简正波水波和底波频散特征数据的贝叶斯地声参数反演,不仅可以有效估计深层底质声学参数,而且降低了其他相关环境参数的估计不确定性.     

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。     

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。     

水声学中地声反演的新进展

地声反演自上世纪七十年代以来一直是水声学中的热点问题,至今热度未减。然而,几乎所有的海底反演工作都建立在假设的地声模型之上,因此反演得到的海底地声参数只是“等效”意义上的结果,而不是介质本身的固有参数,尤其是海底衰减系数的频率特性会发生严重的畸变。本文中,我们通过重新回顾海底声学反射特性的概念,给出所谓“等效”海底参数的物理意义;为了克服地声模型失配的困难,我们建议采用海底反射特性参数(P, Q)来描述海底(海底分层时用P(f)、Q(f));最后介绍两种能够提取海底介质真实衰减系数的新方法： “WKB+P(f)”方法 和 “N×HHS”方法。     

海洋环境噪声研究发展概述及应用前景

海洋环境噪声是海洋声场的背景场,通常被当作干扰项。在传统的水声学和海洋声学中,对海洋环境噪声的研究目的大多是为了降低或抑制环境噪声对水下设备的干扰,提高水下设备的性能和作用距离。目前,许多国家纷纷投入力量,开展海洋环境噪声数据获取、分析及噪声场建模工作。从另一个角度考虑,海洋环境噪声是海洋中永恒存在的声场,包含了水体及海底海面等环境特性信息。因此,可利用海洋环境噪声来研究海洋环境物理特性,通过低代价换取丰富的海洋声学信息。若能对海洋环境噪声的宽频带和任意时间存在的特性加以利用,则可以从海洋环境噪声中提取出相关的海洋环境参数。     

风成噪声背景下垂直阵阵列信噪比随声源深度的变化规律

风成噪声是海洋中最广泛存在的环境噪声、是被动声纳处理性能的重要影响因素.它具有一个典型的物理性质是很大程度上只对应中高阶模态.阵列信噪比计入了阵列采样辐射声强、背景噪声功率和阵处理增益,是决定声纳阵列处理性能的关键物理量.本文研究了受风成噪声模态结构影响,典型夏季浅海环境中垂直阵阵列信噪比随声源深度的变化关系.在简正波模深函数采样完整的假设条件下,理论证明了阵列信噪比随声源深度的变化可近似为低阶模态幅度强度(模深函数模值的平方)随深度变化的线性叠加,且模态阶数越低,贡献越大;并且,在强风成噪声背景、显著负梯度环境下该变化规律可由1阶模态幅度强度随深度的变化近似独立表征.以上结果表明,在同一声源距离条件下,声源置于水体下半部分时的阵列信噪比比置于海面附近更大,并且在位于1阶模态峰值点所在深度附近时达到最大.典型负声速梯度浅海环境中的仿真实验结果对理论分析进行了验证,并表明在一定条件下阵列信噪比随声源深度的变化与声源距离近似无关.     

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。     

南海北部海洋环境噪声谱级空间差异性分析

为研究中国近海海洋环境噪声的空间差异性,揭示其形成原因,以同一海域同一季节两个测量站位的长期观测数据为研究对象,对比两个站位噪声谱级的差异.结合海洋信道和噪声源特性的影响,分析港口强噪声源到噪声采集站位的传播损失,发现在50~500 Hz频段传播损失差值和噪声谱级差值呈现较强相关性;对港口航船噪声源级的分析发现,该频段内源级相差20 dB左右,与休渔期前后航船密度差异相对应。试验分析和研究结果表明,南海北部海域50~500 Hz频段内海洋环境噪声与航船噪声源密切相关,两站位噪声空间差异由海区传播条件差异与航船噪声源级差异共同引起。     

北极海域海洋环境噪声建模与特性分析

北极海域海洋环境噪声的特殊性在于具有偶发的尖脉冲声,为分析其特性与规律,首先建模仿真分析不同脉冲噪声下高斯分布与α稳定分布的拟合效果,验证后者的鲁棒性。再从实测北极海域噪声中选取三种典型环境噪声为样本,通过对其非高斯性判定及不同分布模型对比,验证α稳定分布在北极海域环境噪声统计特性建模中的有效性,同时研究不同深度、不同频段对模型参数的影响,最后通过各月参数的统计结果与海冰密集度分析冰下噪声成因。由于通道数量有限,没有给出所有深度的变化规律。结果表明,北极海域冰下环境噪声具有明显脉冲成分和非高斯性,利用α稳定分布能更好的描述其统计特性;100Hz可作为冰下环境噪声脉冲性干扰源的划分界限;结冰期环境噪声具有强烈的非高斯性,而冰封期则高斯性较强。     

确定峰度非高斯海洋环境噪声模型研究

针对非高斯海洋环境噪声仿真问题,利用对衰减正弦信号均匀采样方法,产生了具有特定谱特性同时具有特定峰度值的非高斯海洋环境噪声序列。在理论仿真条件下,通过对低峰度值和高峰度值的分别讨论发现,当峰度值高于3.0时总可以仿真得到较好的结果,而当峰度值低于3.0时,需通过降采样或降阶的方法解决不能仿真的问题。4种海上试验条件下的仿真结果表明,在安静环境、单一航船干扰环境、气枪声源干扰环境以及冲击性干扰环境下,都可以产生与目标谱特性、统计特性几乎相同的非高斯海洋环境噪声序列。     

利用矢量海洋环境噪声提取声场格林函数

考虑到矢量水听器在垂直方向上具有8字形指向性,能够有效抑制远方非平稳噪声源的干扰,提出了一种矢量环境噪声相关函数(NCF)提取声场时域格林函数(TDGF)的方法。基于简正波理论建立了声压和垂直振速垂直相关性模型。在此基础上,给出了声压和垂直振速相关函数提取声场纵向格林函数的过程.数值仿真对比和实验数据分析表明,相对于声压提取方法,垂直振速提取方法能够有效消除直达波前出现的亮纹与亮区干扰。此外,对于同等时间长度噪声序列,声压提取方法只提取到直达波路径,而垂直振速提取方法还提取到了我们更为关心的海底反射路径。利用直达波与海底反射波到达时延差估计的海深与实测海深吻合较好。     

利用海洋环境噪声估计浅海海底表层声速

为提高反演效率,提出一种快速估计浅海海底表层声速的方法。根据噪声能流理论,垂直阵接收的海洋环境噪声数据能够用于无源提取海底反射损失,反射损失曲线中具有明显的临界角效应,从而接估计海底表层声速。以射线模型为基础,推导了噪声提取的反射损失与理论值之间的差异,并讨论实际阵列波束形成在不同角度和频率下的性能。考虑到非等声速环境下声线会发生弯曲,需对角度进行修正以提高方法的广泛适用性。不同频率的临界角与有效深度之间存在对应关系,黄海某海区数据处理结果表明,在临界角不变的有效深度内,海底表层可以视为等声速层,该海区海底表层0.5 m内声速估计结果为1547 m/s,与有源反演结果相近。     

双声道波导中低频环境噪声分布特性

针对北极冰下双声道波导的噪声分布特性研究,采用垂直阵对双声道波导内的噪声场进行了观测,北极冰下噪声物理模型使用混合加性噪声模型描述,统计分布模型使用α稳定分布描述.并将噪声划分为3个频段,按噪声来源分为背景噪声、冲击噪声以及航船噪声3种场景,分析其统计特性,给出了直方图统计、核函数估计与正态分布的比较结果,α稳定分布参数估计结果,峰度与偏度的计算结果以及累积分布函数检验结果。经分析讨论,给出结论:双声道波导中的噪声统计分布可用α稳定分布来描述,但上下表面声道的分布参数具有明显差别,上表面波导背景噪声明显偏离高斯分布而下表面声道的背景噪声接近于高斯分布;上下表面声道中不同频带的噪声分布差异也很明显,其中2~30 Hz差异性最大,30~100 Hz差异性较大,而100~500 Hz差异性相对较小,并且可以认为是对称α稳定分布.此外,上下表面声道中不同频带噪声α稳定特征参数变化也存在差异,上表面波导受冲击噪声影响α值变大,拖尾变薄;而下表面波导受冲击噪声影响α值则会变小,拖尾变重。