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。     

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     

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。     

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。     

深海海底斜坡环境下的声传播

海底地形变化对声传播具有很大影响,在南海深海区域海底斜坡环境下进行了一次声传播实验,实验显示倾斜海底环境下声传播损失出现了一些不同于平坦海底环境下的现象,分析并解释了海底地形变化对产生声传播差异的原因.结果表明,海底斜坡对声波的反射增强作用可使斜坡上方的声传播损失减少约5 d B.当声波第一次入射到达的海底位置有较小幅度的山丘(凸起高度小于1/10海深)时,海底小山丘即可对声波有反射遮挡作用,导致在其反射区特定传播距离和深度上出现倒三角声影区,比平坦海底环境下相同影区位置处的传播损失增大约8 d B,影响深度可达海面以下1500 m.而海底斜坡对声波的反射阻挡作用使得从海面反射及水体向下折射的会聚区结构消失,只剩下从水体向上折射的会聚结构.因此,海底地形对深海声传播影响较大,在水下目标探测和性能评估等应用中应予以重视.     

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。     

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     

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。     

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.     

深海海底反射会聚区声传播特性

在深海声道条件下,海水折射效应会使得声场出现会聚效应;在不完全声道条件下,深海海底对声场具有重要影响.利用在中国南海海域收集到的一次深海声传播实验数据,研究了深海不完全声道环境下的海底反射对声传播的影响.实验观测到不同于深海会聚区的海底反射会聚现象,在直达声区范围内的海底地形隆起可导致海底反射会聚区提前形成,并使得部分影区的声强明显提高.由于不平坦海底和海面的反射破坏了完全声道环境下的会聚区结构,在60 km范围内存在两个海底反射会聚区,会聚区增益可达10 dB以上,同时在11 km附近的影区和51 km附近形成高声强区域.当接收深度与声源深度相同时,第二会聚区的增益高于第一会聚区.在第一会聚区内,随着接收深度的增加,声线到达结构趋于复杂,多途效应更加明显.使用抛物方程数值分析结合射线理论对深海海底反射会聚区现象产生的物理原因进行了分析解释.研究结果对于声纳在深海复杂环境下的性能分析具有重要的指导意义.     

基于模式能量比的海底声衰减系数反演

简正波的分离性能对简正波频散曲线、模式能量比等物理量的提取至关重要,这些物理量可以用来反演海底地声参数。该文分析了短时傅里叶变换和warping变换两种方法在简正波分离上的性能差异,并利用该两种方法提取模式能量比来反演海底声衰减系数。仿真实验和2018年冬季黄海验数据处理表明,warping变换在简正波分离上具有较大的优势,尤其是在近距离接收上。     

射线理论下的浅海环境噪声场空间相干性分析及海底声学参数反演

基于射线理论,以简化海底模型为基础,获得了浅海噪声场空间相干性在频域上的表示方法,并用于海底声学参数反演。将风关海洋噪声看作分布在无限大平面上的点源,通过计算噪声场垂直方向上的能量分布,进一步获得空间两点噪声场频域相干性表达式。利用数值仿真验证了模型对于不同海底类型的敏感性。并结合噪声场空间两点的频域相干性海上实验数据,反演得到该处海域的底质类型,进一步获得海底声速、密度和声衰减系数。结果表明,反演得到的海底参数与实际情况符合较好,文中提出采用的这种计算方法能够有效的反映海底反射对于噪声场空间相干性的影响,并且可在一定程度上提高反演海底声学参数效率。     

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。     

利用气枪声源数据的地声参数反演*

本文通过对东海采集的气枪声源数据进行处理,基于地声参数对不同声场观测量的敏感性差异,利用分步反演的策略进行分析。首先选择距离接收阵七个不同的距离点数据,通过warping变换准确提取第三阶至第八阶简正波的频散曲线;利用海底声速对频散曲线敏感的特性来反演声速;由Hamilton经验公式求得海底密度;通过传播损失拟合获得海底衰减。不同距离点数据反演的海底声速与密度一致性较高。实验提取的频散曲线和和反演参数仿真结果、实验获取的传播损失与反演参数获得传播损失均拟合较好。     

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.     

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。     

浅海海底反射系数幅值参数的反演

理论分析了一种通过混响强度衰减特性获取海底反射系数的幅值参数的方法.将海底反射系数的幅值参数和相位参数引入到全波动混响模型中,为海底反射系数的反演提供理论基础。理论分析和数值仿真表明,在小掠射角条件下,利用混响强度衰减特性反演海底反射系数幅值参数的可行性和准确性。该反演方法只需要输入4个变量:本地混响强度的衰减特性,反射系数的相位参数,海深以及海深处的声速,同时要求混响数据具有一定的混响噪声比(大于6 dB)才能够使反演结果准确可信。根据本地静态混响实验数据成功反演得到海底反射系数的幅值参数.     

浅海小掠射角的海底界面声反向散射模型的简化

在浅海,尤其是负梯度声速剖面和海面较为平静的浅海波导,海底界面反向散射是浅海混响的主要来源.经验散射模型只适用于分析浅海混响平均强度衰减特性,而基于物理机理建立的反向散射模型克服了这一缺陷,但同时也引入了其受地声模型约束的问题.本文结合了海底反射系数的三参数模型,对浅海远场海底反向散射模型进行了简化,以减少地声模型的输入参数.理论分析了海底反射系数的相移参数可以描述海底对声场的散射作用,无需任何海底地声参数的先验知识.通过对海底反向散射模型近似简化,结果表明在临界角附近和甚小掠射角范围内的海底粗糙界面反向散射模型的角度特性和强度特性受海底沉积层的影响不同:在临界角附近,海底反向散射的角度特性受海底反射系数的相移参数加权,而其散射系数则近似与相移参数无关;对于甚小掠射角,海底反向散射的角度特性近似与海底反射系数的相移参数无关,其散射系数则近似与相移参数的4次方成正比.     

深海海底山环境下声传播水平折射效应研究

声波在深海海底山环境中传播时,海底山会对声传播产生重要影响.2016年在南海深海进行了一次海底山环境下的声传播实验,观测到了由海底山引起的三维声传播效应,本文利用BELLHOP射线理论解释了海底山环境下的三维声传播机理.结果表明：声波在传播过程中与海底山作用后破坏了深海会聚区结构,导致传播损失增大,在海底山后形成具有明显边界的声水平折射区,利用二维声传播模型无法解释实验现象,海底山后声水平折射区实验测量的声场结构与N×2D模型计算结果存在明显差异,实验的传播损失比N×2D模型计算结果大10 dB.通过三维射线模型分析N×2D模型计算结果与实验结果存在明显差异产生的原因,发现由于声波水平折射作用,部分声线无法到达接收器,使得三维声传播效应对海底山后一定角度范围内声场影响较为明显.因此,深海海底山会引起明显的三维水平折射效应,应在水下目标探测和定位等应用中给予重视.     

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。