CN108181651B - 一种基于可靠声路径的深海地声参数反演方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于可靠声路径的深海地声参数反演方法，首先将单水听器布放在深海临界深度以下海底附近，船只在调研海域进行走航，同时发射声源信号，采集深海实验数据。接收水听器在临界深度以下的海底附近，利用声源目标得到多途信号，分析提取直达波与海底反射波的多途信息，计算随掠射角变化的海底反射损失，最后与模型仿真的海底反射损失匹配，反演得到海底参数。与现有技术相比其优越性在于：无需大孔径阵列，布放方便。利用不同频率海底层与层之间出现“干涉”这一稳定的物理现象，通过实验数据处理和海底建模仿真，反演得到大深度海域的海底地声参数，本发明中获取的实验数据信噪比高，反演方法稳健性好。
Description
技术领域
本发明属于水声工程、海洋工程和声纳技术等领域，涉及一种基于可靠声路径的深海地声参数反演方法，利用海底反射损失对地声参数进行反演的方法，适用于深海环境。
背景技术
海底的声速c、衰减系数α、密度ρ和分层特征h等地声参数，在声场预报、目标定位中十分重要。在深海环境中，地声参数原位测量非常困难，需要寻找新的方法获取地声参数。已有多种方法用于地声参数的反演，如匹配场反演，传播损失与波形匹配反演，简正波模态频散特性反演，海底反射损失反演等，这些方法都已在浅海环境中得到应用，但在深海环境中并未得到验证。每种方法都有自己的优缺点。如匹配场反演常用于远距离实验数据，反映了水体和海底空间变化环境的平均效果，但需要大阵列孔径，且计算量大，存在不唯一性，在深海很难实现。传播损失与波形匹配反演对海底衰减有很好的敏感性，但是需要准确的声环境信息来获取实测传播损失，如接收阵的几何位置、声速剖面等。简正波模态频散特性反演可获取高分辨率的海底参数，但该特性在深海环境时不明显，且简正波模型在水深较大时近场计算不准确。
基于海底反射损失的反演，可以高分辨率地反演出海底参数。在深海声道轴以下，当声速随着深度增加至某一深度时，声速与海表面附近的最大声速相同，该深度称为临界深度。当水听器布放在临界深度以下，浅水目标与水听器之间存在的直达波传播路径被称为可靠声路径，可靠声路径是深海声传播的重要声道之一。其特性参见“A reliableacoustic path:Physical properties and a source localization method”，该文2012年发表在《Chinese Physics B》第21期，起始页码为124301。在可靠声路径下，将接收水听器布放于海底，传播损失与海面相比低25dB，且中距离上声传播无影区，因此可获得高信噪比的大角度范围内海底反射损失，用于深海海底地声参数的反演。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于可靠声路径的深海地声参数反演方法，以获取有效的深海环境的海底声参数。
技术方案
一种基于可靠声路径的深海地声参数反演方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：多个水听器布放入水，船只走航，然后以固定时间间隔向海里投掷爆炸声源，遍历调研海域后返程，回收水听器获得水听器捕获的数据；
步骤2：对数据进行时频分析，得到每个爆炸声源的时域多途信号；对时域多途信号提取直达波与海底反射波，并根据每一时刻爆炸声源的深度和与水听器的距离，计算海底反射波与海底接触时的掠射角；
步骤3：对直达波做三分之一倍频程的FFT得到对应直达波的能量，对海底反射波做三分之一倍频程的FFT得到对应的海底反射波的能量；选取若干个中心频率，利用以下海底反射损失计算方法得到不同掠射角上海底反射损失：
BLM(f,θ)＝-10log|Eb(f,θ)/Ed(f,θ)|
其中，Eb为海底反射波的能量，Ed为直达波的能量；
反演过程如下：
步骤4：海底的上层为沉积层，下层为基底，沉积层的声速、衰减系数和密度为c1、α1、ρ1，基底的声速、衰减系数和密度为c2、α2、ρ2，沉积层厚度为h，对七个待反演参数设定先验区间，利用基于波数积分的反射损失模型OASR计算理论海底反射损失，反演目标函数采用以下公式：
其中,BLM为实测的海底反射损失向量，BLC为模型仿真得到的海底反射损失向量；
七个待反演参数设定先验区间表：
| 待反演参数 | 先验区间 | 反演结果 |
| 沉积层声速c<sub>1</sub>(m/s) | 1450-1600 | 1551.28 |
| 沉积层衰减系数α<sub>1</sub>(dB/λ) | 0-1 | 0.37 |
| 沉积层密度ρ<sub>1</sub>(g/cm<sup>3</sup>) | 1-2 | 1.53 |
| 沉积层厚度h(m) | 0-20 | 10.29 |
| 基底层声速c<sub>2</sub>(m/s) | 1550-1800 | 1614.47 |
| 基底层衰减系数α<sub>2</sub>(dB/λ) | 0-1 | 0.49 |
| 基底层密度ρ<sub>2</sub>(g/cm<sup>3</sup>) | 1-2 | 1.96 |
所述计算反演目标函数采用粒子群优化工具箱，计算多个中心频率下的累积最小平方误差，得到目标函数的最小值，此时对应的寻优参数最优值即为反演得到的海底参数。
所述多个水听器采用任意阵型的阵列。
所述多个水听器布放不同深度。
有益效果
本发明提出的一种基于可靠声路径的深海地声参数反演方法，首先将单水听器布放在深海临界深度以下海底附近，船只在调研海域进行走航，同时发射声源信号，采集深海实验数据。接收水听器在临界深度以下的海底附近，利用声源目标得到多途信号，分析提取直达波与海底反射波的多途信息，计算随掠射角变化的海底反射损失，最后与模型仿真的海底反射损失匹配，反演得到海底参数。
有益效果体现在：该方法首先在步骤一中布放深海反演系统，采集实验数据。在步骤二和步骤三中对实验数据处理得到不同掠射角的实测海底反射损失；然后在步骤四对海底建模，得到模型仿真的随掠射角变化的海底反射损失；步骤五中，提出反演目标函数，得到目标函数的最小值，此时对应的寻优参数最优值即为反演得到的海底参数。该方法在步骤一至步骤五中利用深海实验数据反演得到了海底参数，从而填补了获取深海海底参数的技术空白。此方法与系统有如下优势：
1)可靠声路径环境下的声传播受海面影响较小。
2)不存在声影区，得到的多途信号信噪比很高。
3)海底反射波的掠射角范围更宽泛。
4)潜标尺度很小，可以有效避免阵列的使用
附图说明
图1是本发明方法从Simple Ocean Data Assimilation数据库提取的实验海域的声速剖面。
图2是本发明方法实验几何配置。
图3是本发明方法深度50m的传播损失随距离和不同海底参数变化的伪彩图，声源深度为50m,水深5300m。
图4是本发明方法海底反射损失随频率出现的“干涉”现象，与海底接触水的声速为1543.81m/s，密度为1g/cm3，沉积层声速为1520m/s,衰减为0.12dB/λ，密度为1.42g/cm3,基底声速为1800m/s,衰减为0.5dB/λ，密度为2g/cm3。
图5是本发明方法将不同距离上接收到水声信号按直达波到达时间对齐的结果。
图6是本发明方法深海实验数据提取的水声信号多途信息。
图7是本发明方法频率为1kHz、2kHz、3kHz、4kHz时提取的不同掠射角的海底反射损失与利用反演值计算得到的不同掠射角的海底反射损失的比较。
图8是本发明方法反演过程的散点图。
图9是本发明方法代价函数的收敛过程图。
图10是本发明方法反演结果的后验概率图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本实施例图1给出了从Simple Ocean Data Assimilation数据库提取的实验海域的声速剖面，水深为5300m。图2是本系统在实验中的几何配置图。水听器布放在水深5050m处。为说明本发明的物理原理，图3给出了海深5300m,采用BELLOP计算的不同的海底声速、密度和衰减系数时深度50m的传播损失随水平距离的变化，可以看出深海海底参数对声场预报和估计声纳工作的有效距离起着重要作用。图4是采用基于波数积分的反射损失模型OASR计算两层海底时海底反射损失随频率出现的层与层之间的“干涉”现象，故不同频率时的海底反射损失不同。反演过程通过以下两个步骤完成：
(1)实验数据处理：对实验数据进行时频分析，得到每个爆炸声源的时域多途信号，提取直达波与海底反射波，并根据每一时刻爆炸声源的深度和与水听器的距离，计算海底反射波与海底接触的掠射角。图5是将不同距离上接收到水声信号按直达波到达时间对齐的结果，多途信号“迹”的出现可以准确提取出本方法所需的直达波和海底反射波。图6是深度50m的爆炸声源与水听器距离为28.33km时的水声信号多途情况，可以清晰的分辨出直达波、海面反射波、海底反射波、海面海底反射波及其对应的一次脉动。对直达波与海底反射波分别做三分之一倍频程的FFT得到对应的能量，中心频率选取1kHz、2kHz、3kHz、4kHz，利用以下海底反射损失计算方法得到不同掠射角上海底反射损失
BLM(f,θ)＝-10log|Eb(f,θ)/Ed(f,θ)| (1)
其中，Eb为海底反射波的能量，Ed为直达波的能量。图6给出了由实验数据提取的四种频率的海底反射损失。
(2)反演过程：对海底建模，假设海底为两层，上层为沉积层，下层为基底，沉积层的声速、衰减系数和密度为c1、α1、ρ1，基底的声速、衰减系数和密度为c2、α2、ρ2，沉积层厚度为h，七个待反演参数的先验区间，利用基于波数积分的反射损失模型OASR计算理论海底反射损失。反演目标函数采用以下公式，
其中,BLM为实测的海底反射损失向量，BLC为模型仿真得到的海底反射损失向量，θ为海底反射波的掠射角，f为反演选取的中心频率。为提高反演效率，采用粒子群优化工具箱，计算四种频率下的累积最小平方误差，得到目标函数的最小值，此时对应的寻优参数最优值即为反演得到的海底参数。海底采样深度为290cm，海底采样声速为1535m/s，海底采样密度为1.56g/cm3，海底采样衰减系数为0.39dB/λ,图7是将反演结果带入模型OASR计算频率分别为1kHz、2kHz、3kHz、4kHz时对应的随掠射角变化的海底反射损失，与实测值比较基本符合。图8是反演过程的散点图，可看到在反演结果附近出现了汇聚。图9是代价函数的收敛过程图。图10是反演结果的后验概率图，说明反演结果具有较高的置信度。
本发明在典型实施例中取得了明显的实施效果，与现有技术相比其优越性在于：
(1)无需大孔径阵列，布放方便。
(2)利用不同频率海底层与层之间出现“干涉”这一稳定的物理现象，通过实验数据处理和海底建模仿真，反演得到大深度海域的海底地声参数，本发明中获取的实验数据信噪比高，反演方法稳健性好。
Claims (4)
1.一种基于可靠声路径的深海地声参数反演方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：多个水听器布放入水，船只走航，然后以固定时间间隔向海里投掷爆炸声源，遍历调研海域后返程，回收水听器获得水听器捕获的数据；
步骤2：对数据进行时频分析，得到每个爆炸声源的时域多途信号；对时域多途信号提取直达波与海底反射波，并根据每一时刻爆炸声源的深度和与水听器的距离，计算海底反射波与海底接触时的掠射角θ；
步骤3：对直达波做三分之一倍频程的FFT得到对应直达波的能量，对海底反射波做三分之一倍频程的FFT得到对应的海底反射波的能量；选取若干个中心频率，利用以下海底反射损失计算方法得到不同掠射角上海底反射损失：
BLM(f,θ)＝-10log|Eb(f,θ)/Ed(f,θ)|
其中，Eb为海底反射波的能量，Ed为直达波的能量；f为中心频率；
反演过程如下：
步骤4：海底的上层为沉积层，下层为基底，沉积层的声速、衰减系数和密度为c1、α1、ρ1，基底的声速、衰减系数和密度为c2、α2、ρ2，沉积层厚度为h，对七个待反演参数设定先验区间，利用基于波数积分的反射损失模型OASR计算理论海底反射损失，反演目标函数采用以下公式：
其中,BLM为步骤3计算得到海底反射损失向量，BLC为模型仿真得到的海底反射损失向量；
七个待反演参数设定先验区间表：
。
2.根据权利要求1所述基于可靠声路径的深海地声参数反演方法，其特征在于：计算反演目标函数采用粒子群优化工具箱，计算多个中心频率下的累积最小平方误差，得到目标函数的最小值，此时对应的寻优参数最优值即为反演得到的海底参数。
3.根据权利要求1所述基于可靠声路径的深海地声参数反演方法，其特征在于：所述多个水听器采用任意阵型的阵列。
4.根据权利要求1所述基于可靠声路径的深海地声参数反演方法，其特征在于：所述多个水听器布放不同深度。
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