CN102508247A - 基于射线声学的三维倾斜海底参数快速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于射线声学的三维倾斜海底参数快速测量方法。声源发出的声信号S(t)经由海底反射，声信号传播到水听器，4个水听器的接收信号为：A₁(t)、A₂(t)、A₃(t)、A₄(t)，4个水听器信号的到达时刻为：t₁、t₂、t₃、t₄，将每个水听器的到达时刻及深度信息代入各自满足的方程，共计28个方程，求解方程组，获得海底参数、即c_b；α；h；n；θ，求解的另外24个变量为声线轨迹的位置信息。本发明方法可以实现三维倾斜海底情况下海底参数测量，在实际测量中仅需测量若干条声线到达时间，较其他方法的反演模型简单，计算速度快，精度高，实验方法简便可行。

Description

基于射线声学的三维倾斜海底参数快速测量方法

技术领域

本发明涉及的是一种测量海底参数的方法。

背景技术

海底参数反演问题主要集中在两个方面，一是建立快速准确的声场计算模型，二是高效的反演参数搜索算法。目前声场计算中广泛使用的水声传播模型主要有简正波模型，射线理论模型，抛物方程模型等。

用射线理论模型进行水声反演主要是由于它可以快速地计算近场宽频带声场。Pignot和Chapman在2001年100卷的J.A.S.A上发表的“Tomographic inversion of geoacousticproperties in a range-dependent shallow-water environment”中，利用一个垂直阵接收声线的传播时间和幅度，采用匹配处理来估计海底环境随距离发生变化的海底参数。Westwood等人在1996年100卷的J.A.S.A.上发表的“A normal mode model for acousto-elastic oceanenvironments”中也使用射线模型成功地反演了时间域的海底参数。韩国的Park等人在2003年28卷的Journal of Oceanic Engineering上发表的“Time-domain geoacoustic inversionof high-frequency chirp signal from a simple towed system”中，利用一个高频的拖曳阵和射线理论模型反演了海底参数，并且验证了使用拖曳阵反演和使用垂直阵反演得到结果的一致性。在国内方面，中科院声学所的李整林等也采用过简正波模型来进行海底参数反演。通过匹配简正波群延时差来反演海底的声速、密度等参数，由简正波的幅度来反演衰减系数；吴金荣，马力等利用浅海混响数据反演海底参数和海底散射常数。哈尔滨工程大学的付金山以射线声学为理论基础，采用高斯射线束方法来对声场进行计算，使用粒子群优化算法和加入小生镜淘汰的遗传算法作为搜素算法进行海底参数的反演研究。西北工业大学的杨坤德在水声阵列信号的匹配场处理中采用的宽带匹配场方法反演浅海环境参数。中国海洋大学的王宁，郭永刚等利用垂直入射脉冲和海底回波数据进行海底声参数反演。但上述文献中所列举的方法均是在二维海底情况下的海底参数反演，对三维海底情况下的一些海底参数未能给出明确的研究结果，而进行三维海底情况下的声场建模能够更精确的计算出本征声线，进而能够更精确的反演出海底参数的实际情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种反演模型简单，计算速度快，精度高，简便可行的基于射线声学的三维倾斜海底参数快速测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

声源发出的声信号S(t)经由海底反射，声信号传播到水听器，4个水听器的接收信号为：A₁(t)、A₂(t)、A₃(t)、A₄(t)，4个水听器信号的到达时刻为：t₁、t₂、t₃、t₄，将每个水听器的到达时刻及深度信息代入各自满足的方程，共计28个方程，求解方程组，获得海底参数、即c_b；α；h；n；θ，求解的另外24个变量为声线轨迹的位置信息。

本发明还可以包括：

所述声源发出的声信号S(t)经由海底反射具体包括：假设水层和沉积层中的声速恒定，水中的声速为c₀，沉积层中的声速为c，沉积层的折射率为n，声源Source点坐标为(0，0，H)，声源点处的沉积层厚度为h，海底的下边界为绝对硬，海底的倾斜角度为α，法线向量

方位角度为θ；声源发出的声线射入沉积层的点I的坐标为(ρ₁，β₁，0)，经由沉积层在海底发生反射，反射点的坐标P为(k₁ρ₁cosβ₁，k₁ρ₁sinβ₁，

)，经反射后从沉积层反射出来的点S的坐标为

水听器Receiver的坐标为(r，θ，Z)。

所述各自满足的方程包括：

(7)

其中，ρ₁，ρ₂，k₁，k₂，β₁，β₂为声线的位置信息，(ρ₁，β₁，0)为柱坐标系下声线射入沉积层的点的坐标，ρ₂为反射后从沉积层反射出来的点与水听器水平面投影之间的距离，β₂为反射后从沉积层反射出来的点与水听器水平面投影之间的连线与x轴的夹角，k₁，k₂为大于1的比例系数；c_b，h，n，α，θ为海底参数，c_b为沉积层中的声速，h为声源处的沉积层厚度，n为声线从水层射入沉积层的折射率，α为海底倾斜角度，θ为水平偏转角度；H，Z，r为声源和水听器的位置信息，(0，0，H)为声源的坐标，(r，θ，Z)为水听器的坐标。

所述求解方程组，获得海底参数、即c_b；α；h；n；θ包括：将实验测得的4条声线传播时间代入(1)-(7)式构成的4个方程组，求解方程组获得海底参数；或者通过仿真的方法验证三维海底参数的反演方法，即已知海底参数(c_b，h，n，α，θ)，通过仿真求解不同深度下由(1)-(6)式构成的4个方程组，将求得4条声线的传播轨迹变量(ρ₁₁，ρ₁₂，k₁₁，k₁₂，β₁₁，β₁₂，ρ₂₁，ρ₂₂，k₂₁，k₂₂，β₂₁，β₂₂，ρ₃₁，ρ₃₂，k₃₁，k₃₂，β₃₁，β₃₂，ρ₄₁，ρ₄₂，k₄₁，k₄₂，β₄₁，β₄₂)代入各自所满足的(7)式就可以计算各条声线传播时间，再利用仿真的4条声线传播时间分别代入各自的由(1)-(7)式构成的方程组，再由这28个方程构成的1个大方程组来共同反演海底参数(c_b，h，n，α，θ)，形式如方程组(8)所示，其中F₁-F₇分别代表方程(1)-(7)的函数；

本发明以财线声学理论为基础，建立了三维海洋环境下，获取特征声线传播轨迹及传播时间的理论模型。通过求解模型中特征声线及其传播时间所满足的非线性方程组，可以反演出海底沉积层厚度、沉积层中的声速、海底倾斜角度、偏转角度等海底参数。数值计算结果显示，本发明方法可以实现三维倾斜海底情况下海底参数测量，在实际测量中仅需测量若干条声线到达时间，较其他方法的反演模型简单，计算速度快，精度高，实验方法简便可行。

附图说明

图1三维倾斜海底声反射情况示意图；

图2三维倾斜海底参数测量示意图；

图3三维倾斜海底参数测量技术路线图；

图4垂直接收到的特征声线轨迹。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：

本发明的目的在于以射线声学理论为基础，建立了三维海洋环境下，获取特征声线传播轨迹及传播时间的理论模型。通过求解模型中特征声线及其传播时间所满足的非线性方程组，可以反演出海底沉积层厚度、沉积层中的声速、海底倾斜角度、偏转角度等海底参数。本发明的具体内容如下：

第一步，给出基于射线理论的三维海底特征声线的传播时间计算模型。在如图1所示的模型中，假设水层和沉积层中的声速恒定，水中的声速为c₀，沉积层中的声速为c，沉积层的折射率为n，设声源Source点坐标为(0，0，H)，声源点处的沉积层厚度为h，海底的下边界为绝对硬，海底的倾斜角度为α，法线向量0，sinα，cosα，方位角度为θ。声源发出的声线射入沉积层的点I的坐标设为(ρ₁，β₁，0)，经由沉积层在海底发生反射，反射点的坐标P设为(k₁ρ₁cosβ₁，k₁ρ₁sinβ₁，)，经反射后从沉积层反射出来的点S的坐标为最后声线传播到水听器，水听器Receiver的坐标设为(r，θ，Z)，通过求解方程(1)-方程(7)来获得三维海底情况下的本怔声线传播时间。

(7)

其中，ρ₁，ρ₂，k₁，k₂，β₁，β₂为声线的位置信息，(ρ₁，β₁，0)为柱坐标系下声线射入沉积层的点的坐标，ρ₂为反射后从沉积层反射出来的点与水听器水平面投影之间的距离，β₂为反射后从沉积层反射出来的点与水听器水平面投影之间的连线与x轴的夹角，k₁，k₂为大于1的比例系数；c_b，h，n，α，θ为海底参数，c_b为沉积层中的声速，h为声源处的沉积层厚度，n为声线从水层射入沉积层的折射率，α为海底倾斜角度，θ为水平偏转角度；H，Z，r为声源和水听器的位置信息，(0，0，H)为声源的坐标，(r，θ，Z)为水听器的坐标。

第二步，三维海底参数的反演方法。将实验测得的4条声线传播时间代入(1)-(7)式构成的4个方程组，求解方程组获得海底参数。或者通过仿真的方法验证三维海底参数的反演方法，即已知海底参数(c_b，h，n，α，θ)，通过仿真求解不同深度下由(1)-(6)式构成的4个方程组，将求得4条声线的传播轨迹变量(ρ₁₁，ρ₁₂，k₁₁，k₁₂，β₁₁，β₁₂，ρ₂₁，ρ₂₂，k₂₁，k₂₂，β₂₁，β₂₂，ρ₃₁，ρ₃₂，k₃₁，k₃₂，β₃₁，β₃₂，ρ₄₁，ρ₄₂，k₄₁，k₄₂，β₄₁，β₄₂)代入各自所满足的(7)式就可以计算各条声线传播时间，再利用仿真的4条声线传播时间分别代入各自的由(1)-(7)式构成的方程组，再由这28个方程构成的1个大方程组来共同反演海底参数(c_b，h，n，α，θ)，形式如方程组(8)所示，其中F₁-F₇分别代表方程(1)-(7)的函数。

根据发明内容及图2的测量示意图，给出了图3所示的技术路线图。具体的仿真过程如下：

1)已知海底参数计算特征声线传播时间。设声源与接收阵的水平距离

声源与沉积层上界面的距离

接收阵为垂直阵，每个水听器与沉积层上界面的距离分别为

水中的声速声源点处的沉积层厚度

声线从水层射入沉积层的折射率

海底倾斜角度

方位角度分别代入方程(1)-(7)构成的方程组计算，可以得到下表所示结果。

表1垂直接收到的特征声线轨迹及传播时间

2)已知特征声线传播时间反演海底参数。由过程1)可知不同位置处的水听器接收到的特征声线传播时间分别为

通过求解方程组(8)可以得到海底参数(c_b，h，n，α，θ)，以及4条从声源发射经一次海底反射传播到水听器的声线轨迹，结果如表2所示。

表2反演出的结果同正算结果的比较

对比上面表1和表2的计算结果，可以得到h的误差为1.6％，c的误差为0.04％，α的误差为17.4％，θ的误差为1.5％，n的误差为0.03％，计算精度能够满足实际需要。数值计算结果显示本发明方法可以实现三维倾斜海底情况下海底参数测量，在实际测量中仅需测量若干条声线到达时间，较其他方法的反演模型简单，计算速度快，精度高，实验方法简便可行。

Claims (5)

1.一种基于射线声学的三维倾斜海底参数快速测量方法，其特征是：声源发出的声信号S(t)经由海底反射，声信号传播到水听器，4个水听器的接收信号为：A₁(t)、A₂(t)、A₃(t)、A₄(t)，4个水听器信号的到达时刻为：t₁、t₂、t₃、t₄，将每个水听器的到达时刻及深度信息代入各自满足的方程，共计28个方程，求解方程组，获得海底参数、即c_b；α；h；n；θ，求解的另外24个变量为声线轨迹的位置信息。

2.根据权利要求1所述的基于射线声学的三维倾斜海底参数快速测量方法，其特征是所述声源发出的声信号S(t)经由海底反射具体包括：假设水层和沉积层中的声速恒定，水中的声速为c₀，沉积层中的声速为c，沉积层的折射率为n，声源Source点坐标为(0，0，H)，声源点处的沉积层厚度为h，海底的下边界为绝对硬，海底的倾斜角度为α，法线向量(0，sinα，cosα)，方位角度为θ；声源发出的声线射入沉积层的点I的坐标为(ρ₁，β₁，0)，经由沉积层在海底发生反射，反射点的坐标P为(k₁ρ₁cosβ₁，k₁ρ₁sinβ₁，-(k₁ρ₁sinβ₁tanα+h))，经反射后从沉积层反射出来的点S的坐标为(rcosθ+ρ₂cosβ₂，rsinθ+ρ₂sinβ₂，0)。

3.根据权利要求2所述的基于射线声学的三维倾斜海底参数快速测量方法，其特征是水听器Receiver的坐标为(r，θ，Z)。

4.根据权利要求3所述的基于射线声学的三维倾斜海底参数快速测量方法，其特征是所述各自满足的方程包括：

k₁ρ₁cosβ₁＝rcosθ+k₂ρ₂cosβ₂        (1)

k₁ρ₁sinβ₁＝rsinθ+k₂ρ₂sinβ₂        (2)

$\frac{{{\mathrm{\ρ}}_1}^2}{{{\mathrm{\ρ}}_1}^2+H^2}=\frac{n^2{(k-1)}^2{{\mathrm{\ρ}}_1}^2}{{(k_1-1)}^2{{\mathrm{\ρ}}_1}^2+{(k_1{\mathrm{\ρ}}_1\sin {\mathrm{\β}}_1\tan \mathrm{\α}+h)}^2}---\left(3\right)$

$\frac{{{\mathrm{\ρ}}_2}^2}{{{\mathrm{\ρ}}_2}^2+Z^2}=\frac{n^2{(k_2-1)}^2{{\mathrm{\ρ}}_2}^2}{{(k_2-1)}^2{{\mathrm{\ρ}}_2}^2+{(k_1{\mathrm{\ρ}}_1\sin {\mathrm{\β}}_1\tan \mathrm{\α}+h)}^2}---\left(4\right)$

$\frac{(k_1-1){\mathrm{\ρ}}_1\sin {\mathrm{\β}}_1\tan \mathrm{\α}-(k_1{\mathrm{\ρ}}_1\sin {\mathrm{\β}}_1\tan \mathrm{\α}+h)}{{[{(k_1-1)}^2{{\mathrm{\ρ}}_1}^2+{(k_1{\mathrm{\ρ}}_1\sin {\mathrm{\β}}_1\tan \mathrm{\α}+h)}^2]}^{1/2}}=\frac{(k_2-1){\mathrm{\ρ}}_2\sin {\mathrm{\β}}_2\tan \mathrm{\α}-(k_1{\mathrm{\ρ}}_1\sin {\mathrm{\β}}_1\tan \mathrm{\α}+h)}{{[{(k_1-1)}^2{{\mathrm{\ρ}}_2}^2+{(k_1{\mathrm{\ρ}}_1\sin {\mathrm{\β}}_1\tan \mathrm{\α}+h)}^2]}^{1/2}}---\left(5\right)$

$\tan \mathrm{\α}(k_1-1)\sqrt{n^2({{\mathrm{\ρ}}_1}^2+H^2)-{{\mathrm{\ρ}}_1}^2}(r\cos \mathrm{\θ}+{\mathrm{\ρ}}_2\cos {\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\ρ}}_1\cos {\mathrm{\β}}_1)=(k_1-1)(k_2-1){\mathrm{\ρ}}_1{\mathrm{\ρ}}_2\sin ({\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1)---\left(6\right)$

$t=\frac{1}{c_0}\{\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_1^2+H^2}+\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_2^2+Z^2}\}+\frac{1}{c_b}\{\sqrt{{(k_1-1)}^2{{\mathrm{\ρ}}_1}^2+{(k_1{\mathrm{\ρ}}_1\sin {\mathrm{\β}}_1\tan \mathrm{\α}+h)}^2}+$

(7)

$+\sqrt{{(k_2-1)}^2{{\mathrm{\ρ}}_2}^2+{(k_1{\mathrm{\ρ}}_1\sin {\mathrm{\β}}_1\tan \mathrm{\α}+h)}^2}\}$

其中，ρ₁，ρ₂，k₁，k₂，β₁，β₂为声线的位置信息，(ρ₁，β₁，0)为柱坐标系下声线射入沉积层的点的坐标，ρ₂为反射后从沉积层反射出来的点与水听器水平面投影之间的距离，β₂为反射后从沉积层反射出来的点与水听器水平面投影之间的连线与x轴的夹角，k₁，k₂为大于1的比例系数；c_b，h，n，α，θ为海底参数，c_b为沉积层中的声速，h为声源处的沉积层厚度，n为声线从水层射入沉积层的折射率，α为海底倾斜角度，θ为水平偏转角度；H，Z，r为声源和水听器的位置信息，(0，0，H)为声源的坐标，(r，θ，Z)为水听器的坐标。

5.根据权利要求4所述的基于射线声学的三维倾斜海底参数快速测量方法，其特征是所述求解方程组，获得海底参数、即c_b；α；h；n；θ包括：将实验测得的4条声线传播时间代入(1)-(7)式构成的4个方程组，求解方程组获得海底参数；或者通过仿真的方法验证三维海底参数的反演方法，即已知海底参数(c_b，h，n，α，θ)，通过仿真求解不同深度下由(1)-(6)式构成的4个方程组，将求得4条声线的传播轨迹变量(ρ₁₁，ρ₁₂，k₁₁，k₁₂，β₁₁，β₁₂，ρ₂₁，ρ₂₂，k₂₁，k₂₂，β₂₁，β₂₂，ρ₃₁，ρ₃₂，k₃₁，k₃₂，β₃₁，β₃₂，ρ₄₁，ρ₄₂，k₄₁，k₄₂，β₄₁，β₄₂)代入各自所满足的(7)式就可以计算各条声线传播时间，再利用仿真的4条声线传播时间分别代入各自的由(1)-(7)式构成的方程组，再由这28个方程构成的1个大方程组来共同反演海底参数(c_b，h，n，α，θ)，形式如方程组(8)所示，其中F₁-F₇分别代表方程(1)-(7)的函数；

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