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     

浅海混响的垂直相关和海底反射损失与散射强度的反演

根据浅海混响射线简正波理论和可分离的海底散射模型,导出了混响垂直相关的表达式,理论研究和实验结果表明垂直相关与接收深度有关,与声源深度无关。提出一种利用混响强度衰减曲线与混响垂直相关曲线联合反演海底反射损失和海底散射强度的方法。数值模拟反演及对实验数据的反演表明:所提出的反演方法具有实验简便、反演速度比较快及反演的结果比较稳定等特点。     

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.     

基于拖曳倾斜线列阵的海底反射损失提取方法

在浅海环境中,海底声学参数对水下声场的精确预报十分重要.现有的海底声学参数反演方法大多数是采用固定垂直阵进行的,其缺点是不能实施大面积、高分辨的走航式反演.在已提出的垂直阵海底反射损失反演方法的基础上,研究了基于三种线列阵阵形的海底反射损失提取方法及其特点,提出了基于拖曳倾斜线列阵与三个声源组合的走航式海底参数快速获取方法,并对该方法进行了误差分析.研究结果表明：覆盖同样的掠射角范围,垂直线列阵需与多个距离的声源组合,拖曳水平线列阵只需一个声源组合但需要采用较大的物理孔径,拖曳倾斜线列阵综合了垂直阵和水平 关键词： 水下声场预报 海底声学参数 海底反射损失 拖曳倾斜线列阵     

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。     

利用海底反射信号进行地声参数反演的方法

针对现有反演方法的缺点,提出了一种基于海底反射信号的地声参数高分辨反演方法.它利用短距离声源在不同深度上发射宽带线性调频信号,采用垂直阵进行接收,首先通过匹配滤波方法提取多径到达信息,然后利用海底反射损失曲线,反演海底表层的声速和密度,最后利用浅底层反射信号估计沉积层参数.由于海水中直达波受到内波的强烈影响,选择海底表面反射作为参考,用以可靠地计算浅底层反射的相对到达时间和幅度,从而估计出沉积层的厚度、速度和衰减系数.通过海上实验,验证了利用浅底层反射信号反演参数的有效性. 关键词： 海底参数 反演 浅底层反射信号     

由浅海混响反演海底反射和散射系数

对于分层浅海,当海底散射是形成混响的主要散射源时收发合置混响的平均强度可由一简洁的简正波表式计算,它依赖于平面波的海底反射和散射系数。利用随机反演理论(高斯一马尔可夫原理)和多次选代的方法可以由混响强度反演得到对应于各号简正波掠角的海底反射和散射系数。对负跃层浅海作了混响反演的数值模拟,得到较好的结果。文中讨论了提高反演精度和选代收敛性的问题。     

由平面波垂直反射反演海底的声阻抗分布

以严格求解波动方程反演海底声学参数分布的方法一般不适用于声阻抗变化不连续的情况。而射线近似方法不受此限制。在某些实际场合中射线方法已得到令人满意的反演结果。
本文介绍一种以传播时间为尺度的等层厚细密分层海底的散射求逆方法。反演程序具有判断是否存在多次散射并消除其影响的能力。初步解决由于多次散射而产生的虚假界面和在虚界面之后带来的计算误差问题。     

一种基于支持向量机的海底声学参数快速统计反演方法

匹配场统计反演海底声参数的根本目的是求解未知参数的后验概率分布(PPD)。针对现有各种求解参数PPD的数值方法如穷举搜索、Markov Chain Monte Carlo采样、最近邻域插值近似算法普遍存在计算速度慢、时间长、难以满足实际应用的问题,本文提出了一种基于支持向量机的快速求解参数PPD的新算法。该算法利用了支持向量机强大的小样本学习能力,通过训练学习拟合未知海底声参数和后验概率之间存在的函数关系,从而在求解参数PPD时简化了利用声场传播模型计算后验概率的复杂过程,减少了计算时间。数值仿真算例和海上实验数据的处理结果验证了该算法在低维匹配场统计反演海底声参数问题中的有效性。     

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。     

一种基于简正波模态频散的远距离宽带海底参数反演方法

在浅海环境中, 海底环境参数对声传播有着重要的影响. 由于利用单个宽带声源进行海底参数反演时, 随着距离的增大, 误差变大, 本文提出利用warping变换对在浅海波导中传播的, 不同距离上的两个宽带爆炸声源进行简正波的有效分离, 实现了宽带爆炸声源的远距离海底参数反演. 采用全局寻优遗传算法对提取出的模态频散到达时间差与理论计算的模态频散到达时间差进行匹配处理, 并结合随距离连续变化的声传播损失, 实现了利用单水听器进行海底参数的反演. 实验结果表明: 运用反演出的海底参数提取模态频散时间差和实测数据提取出的模态频散时间差吻合得较好; 而通过传播损失反演得到的海底衰减系数与频率呈指数关系. 最后, 对反演结果进行了后验概率分析, 并将本组爆炸声源的反演结果用于另一组不同距离上爆炸声源时仍然有效, 来评价反演结果的有效性.     

提高分层海底反演方法抗干扰性初探

本文采用等时间层厚概念得到声场反演的冲激响应选代法。这种方法的抗干扰能力极差。为提高其抗干扰能力,有意避开谱分析不可少的FFT步骤,提出信号取样迭代法。其抗干扰能力显著提高。数值模拟计算表明,取样迭代法有误差累积效应,为进一步提高其抗干扰性引入统计平均方法,得到取样平均迭代法。在信噪比为6.3情况下,取样平均迭代法的相对误差比取样迭代法约小三倍。     

一种计算浅海海底衰减系数的方法

本文对液态、高声速海底介质,根据各号简正波衰减系数的水层分量变化不大的特性,提出了一种可消除水层吸收、有效计算浅海海底衰减系数的方法。该方法将用于反演海底衰减系数计算的频率范围,从低频段(f≤200Hz)提高到中低频段(f≤2kHz)。     

由脉冲波形与传播损失反演海底声速与衰减系数

根据黄海中部一次浅海声学实验获得的脉冲波形和传播损失数据进行海底声速和衰减系数的反演。本文在反演过程中:(1)考虑了海水深度的测量误差对反演结果的影响,并提出了一种消除该影响的方法。(2)反演得到的该海区海底衰减与频率呈非线性关系。(3)本文讨论了非均匀海底模型对海底反演结果的影响。     

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.     

利用一种偏振方法减小由强反射或弱反射强度引起的植被反演误差

无论是多角度遥感的发展、还是偏振、高光谱遥感的发展,它们有一个相同的目的,即利用电磁波的种种特性、以及空间特性来对地球表面的一切地物进行精确的识别。任何单一的方法和手段不可能完整地描述和反映地物的所有特征。偏振测量是目标测量识别技术中不可缺少的技术之一,并且成为近年来全世界目标识别领域中的研究热点。由于定量遥感的反射强度对植被遥感的影响不可忽视,反射辐射信号呈现饱和或过弱都不能被检测到。而偏振是植被定量遥感的重要手段,因而有必要开发一种克服由反射强度强弱引起的植被反演误差的方法,这也是我们目前的研究目标。如果反射的辐射信号太强或太弱,都会影响遥感的准确性,而来自植被的偏振光可以提供有用的信息,特别是当反射的辐射信号饱和时,使得传感器不能获得足够有用的非偏振信息。本研究采用基于地面的偏振成像光谱仪系统,开发了一种偏振方法来克服反射强度过强过弱引起的植被反演误差。利用FISS-P偏振成像光谱仪系统研究了反射强度对遥感植被NDVI和DoLP效用的影响,实验地点在北京市中国科学院奥林匹克科技园。在对目标采样时对反射率强,反射率弱以及反射率适中的植被分别测量,同时对目标植被的不同波段(470, 555, 670, 864 nm)的DoLP进行计算与分析。地基成像光谱仪系统(FISS-P)提供了具有偏振信息的高空间分辨率图像,我们可以确定在阴影和强反射区域中单个像素的光谱偏振特性。在成像光谱信息的基础上,利用光的偏振性来对地物的物理特性进行分析。本文使用斯托克斯分量来表征反射光的各个偏振分量,使用线偏振度(DoLP)表征反射光偏振程度。信号饱和度和阴影效应导致归一化植被指数(NDVI)植被密集程度非常低,造成严重的反演误差,然而强反射对线偏振度(DoLP)的影响不大。研究结果表明,反射辐射信号饱和时,偏振效应可以通过适当的频带提高植被的反演精度,平均NDVI的相对误差为33.8％,而DoLP(670 nm)的相对误差仅为6.3％,而其他波段的DoLP(555 nm,864 nm)的相对误差要大很多。这项研究结果表明,在植被识别时可以忽略强反射,然而,阴影(弱反射)效应是不容忽视的。FISS-P偏振成像光谱仪是用于计算具有不同反射强度的样品类型的偏振和非偏振参数的有效工具,同时发现在识别植被时,强烈的反射可以忽略不计,但是植被的阴影(弱反射)效应不容忽视。与非偏振方法相比,偏振效应可以提高反射辐射信号饱和时的植被反演精度。这项研究分析了使用偏振法强弱反射强度引起的误差减少。为了进一步揭示植被的阴影(弱反射)效应与DoLP之间的关系,还有一些问题需要解决。     

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。     

海底沉积物上的声反射

本文将海底沉积物视为一种紧密的湿颗粒介质。声波在其中传播时将出现两个膨胀波和一个旋转波。考虑到这些特征,再假设海水与沉积物的界面是平的,导出了平面声波在其上的反射系数的表达式。文中就松散颗粒介质的情况对反射系数进行了简化,得出了前人用唯象理论所获得的结果。文末将理论与实验结果进行了比较,两者的一致性较好。     

利用时域波形快速反演海底单参数的方法

海底单参数反演由于反演维数少, 较之多维反演具有实施简单快捷的优点. 首先定义小掠射角下反射损失随掠射角变化率F_dB为单个参数描述海底性质, 构建单参数反演模型; 其次, 从简正波与射线理论出发, 对时域脉冲波形与海底反射性质之间的关系进行了推导, 并讨论衰减机制; 最后, 基于该关系设计出利用最小二乘法对时域波形进行反演的方法. 对北黄海实验数据进行了实际反演, 通过海底采样验证反演结果对海底性质估计的正确性, 同时基于反演结果的传播损失预报值与实测值符合良好. 该方法实施仅需要单个水听器, 待测物理量少, 所获结果较为可靠, 且能满足大多数应用的需要. 关键词： 单参数 地声反演 浅海 海底反射损失     

微波多普勒反射计数据分析的一种优化方法

结合对多普勒频谱的分析,提出一种基于双高斯拟合的轴对称-非对称谱(SAS)分析方法。在此方法下,功率谱主要由轴对称功率谱和非轴对称功率谱两部分组成。前者主要由等离子体截止层密度的扰动调制决定,后者主要由波数为k _⊥=2k₀sinθ 的湍流的极向密度扰动决定。在分析多普勒反射计的数据时,相较于常用的频谱重心(COG)分析方法和相位微分(δ-phase)法,SAS 谱分析不仅提高了求取多普勒频移的准确性,同时还可以获取等离子体中波数为k_⊥ 的极向湍流的密度扰动强度和截止层的密度扰动强度。