CN109443516B - 一种基于噪声场垂直振速信号的海底声速被动获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于噪声场垂直振速信号的海底声速被动获取方法，首先建立海洋环境噪声场矢量信号垂直相干特性预报模型，针对反演的三要素，优化算法、正演建模和代价函数，给出基于噪声场垂直振速信号垂直相干特性的海底声速反演模型，选用噪声场垂直相干特性来进行海底声速的反演。本发明海水声学参数可以通过实际测量获得，利用海底地质数据库可以大致获得实验海底的地质类型，通过查表可以确定海底参数的搜索区间范围，通过遗传算法能够搜索得到一组地声参数下的噪声场垂直相干特性理论结果与实测结果吻合最好，该组参数近似可以认为是实际海底的地声参数。

Description

一种基于噪声场垂直振速信号的海底声速被动获取方法

技术领域

本发明涉及一种基于噪声场垂直振速信号的海底声速被动获取方法，只需要两个垂直振速水听器即可实现海底声速的准确获取。仿真结果表明：相对于用噪声场声压信号，用噪声场垂直振速信号能够反演获得更准确的海底声速。

背景技术

我国大陆架绵延数千公里，大部分海域为浅海，而浅海的水文参数以及海底地声参数对声传播过程具有很大的影响，尤其是海底声速会显著影响浅海声波的远程传播，从而对水下装备的性能产生影响。所以获取海底声速对水下声场预报、声呐作用距离估计以及水下目标探测等活动都具有重要意义。目前海底声速的获取方法主要有直接测量法和间接测量法。其中直接测量法是通过海底采样来获取海底声速，或者通过某些现场测量手段，比如将声源和接收水听器掩埋到海底中来测量海底的声速与衰减。直接测量法往往代价较高，实际中实施起来比较困难且非常地耗费时间和财力，空间的测量范围也非常得有限。因此实际应用中往往通过反演的方法来获取海底声速。海底声速反演又可分为主动反演和被动反演，这里对两种反演方式及其国内外研究现状进行简单介绍，通过分析现有反演方式的缺点，从而引出本发明的意义。

(1)主动反演国内外研究现状：

主动反演方法是利用主动声源发射声信号，通过阵列(或者单个水听器)获取声信号在时域、频域、空域的幅度和相位信息，并通过有效的寻优过程，得到与接收数据匹配的环境信息。通常选取的声场物理量有传播损失、简正波频散特性、声场垂直相关特性等，需要知道发射信号形式或者声源级等信息才能实施。历经几十年的发展国内外学者对主动反演做了诸多研究：

1973年，Ingenito从理论和实验上开展了浅海简正波模态分离研究，利用简正波模态衰减系数与海底衰减系数之间的联系确定了海底声吸收系数。Rubano利用爆炸声源测量了传播损失以及模态分布函数，通过匹配场反演得到了三层海底地声模型的参数。Rajan等和Lynch利用简正波群速度分布曲线反演获得海底地声参数，并采用线性扰动反演技术比较了窄带和宽带反演结果。Potty等利用不同频率不同模态传播速度的不同，在新英格兰跨大陆架海域开展了与距离无关波导和与距离有关波导环境下声学参数的反演。Holland等采用时频域分析技术对Capraia海盆进行了地声参数的反演。Holland和Dettmer采用固定的接收水听器与拖曳声源，利用海底反射损失来反演海底参数，得到了较为准确的海底表层声速和密度。

国内在主动反演方面也做了很多研究。1996年中美在黄海开展了匹配场反演实验，通过反演方法获得了海底参数。哈尔滨工程大学黄益旺与唐俊峰等人开展了声源定位和声速剖面反演方面的研究，并完成了海洋环境声学参数反演的海上实验。西北工业大学与哈尔滨工程大学等单位在2001年的中美联合考察实验中，利用爆炸声做声源，采用匹配波束处理的方法反演了浅海声速剖面，取得了显著的成果。中科院声学所张仁和领导的研究小组和西北工业大学等单位在浅海声源定位和声速剖面、沉积层参数反演等方面取得了大量的成果。杨坤德等人利用ASIAEX实验数据采用宽带匹配场反演方法对实验海区环境参数进行了反演，反演结果表明宽带匹配场反演得到的结果更为准确。

(2)被动反演国内外研究现状：

主动反演方法需要主动声源，实际实施起来代价较高，实验中布放回收也相对复杂，最重要的是主动反演不具有隐蔽性，难以应用到有争议的海区以及作战海域。被动反演利用的是海洋波导中自然存在的噪声信号，如飞行器辐射噪声、舰船辐射噪声及风成环境噪声等，所以无需主动声源。本发明利用的就是风成噪声来被动获取地声参数，所以这里重点对利用风成噪声被动反演地声参数国内外研究现状予以介绍。

用噪声空间结构来反演地声参数最早是由Buckingham提出的，利用噪声场垂直指向性密度函数与噪声场垂直相干函数的转化关系来确定海底临界角，从而得到海底的声速。但是Buckingham给出的模型只适用于高声速液态海底，具有一定局限性。Desharnais等人考虑了噪声源深度变化与接收阵倾斜的影响，对Buckingham的模型进行了完善，并采用混合非线性优化算法来获取海底参数。Harrison和Simons利用波束处理手段来测量噪声场上行波束和下行波束之间的幅度比值得到海底反射系数，再利用海底反射系数来进行海底地声参数的反演。上述方法实际上都利用的是噪声场垂直指向性来反演，需要多阵元的垂直线列阵才能实现。Carbone和Deane等人给出了水平分层波导中基于噪声场声压相干结构的地声参数反演方法，该方法只需要两个声压水听器即可实现。作者在文章中基于简正波理论给出了水平分层介质中噪声场垂直方向两点互谱密度函数解析表达式，利用该模型讨论了弹性海底声学参数对噪声场垂直相干特性的影响，发现海底声速会显著影响噪声场垂直相干结构，因此可以用噪声场垂直相干特性来反演地声参数。最后利用海上实验数据证明了该反演模型的有效性。

国内很多学者都对用噪声信号被动反演海底声学参数表现出了极大的兴趣。李丙辉等人基于水平分层浅海波导风成海洋环境噪声模型，对用噪声场垂直指向性、垂直相干特性以及利用垂直相干特性反演海底参数等问题作了研究。殷宝友等人分析了噪声场垂直相干函数对海底声速、密度以及衰减的敏感度，被动反演了某实验海区的海底声学参数，根据吉布斯采样方法评价了反演结果的有效性。该学者又基于PQ传播模型给出了噪声场垂直相干特性预报模型，并将该模型应用于海底参数反演中，该模型不需要考虑海底的声速、密度及衰减信息，只需P和Q两个参数，非常便于理论分析。郭新毅等人利用实验数据分析了水听器位置对用噪声场垂直相干特性反演海底参数的影响，结果表明用靠近海底的水听器采集的噪声信号反演得到的效果更佳。林建恒等人根据垂直相干函数经验公式，采用曲线拟合和多项式拟合获取海底临界角与海底表层声速，两种方法得到的海底声速与真实海底声速非常接近。国内黄益旺等人还开展了利用噪声场声压与水平振速信号水平互相关特性来反演地声参数的理论研究，比用噪声场声压场水平互相关来反演获得了更好的性能。

(3)反演方法性能分析

主动反演方法获取的地声参数的精度一般较高，但是主动获取方式具有以下几个缺陷：需要主动声源发射信号，会对海洋造成声污染，可能会对海洋生物造成伤害；主动声源能耗较多，且布放回收相对繁琐，获取的代价较高；不具有隐蔽性，在有争议的海区以及作战海区无法实施。被动反演方法则不存在上述三个问题，目前基于海洋环境噪声的地声参数被动获取方法主要有两种：一种是利用噪声场垂直指向性来反演，该方法需要垂直布放的多阵元声压线列阵来实现，线列阵的造价较高且布放回收相对困难。一种是利用噪声场垂直相干特性来反演，该方法只需要两个水听器即可实现，所需成本较低且布放与回收过程相对简单。目前基于噪声场垂直相干特性来反演海底声速都是采用噪声场声压信号来实现的。声场的垂直振速成分包含了更多高阶模态的信息，高阶模态对海底声速比低阶模态更为敏感，所以用噪声场垂直振速信号相干结构来被动反演海底声速可以获得更好的结果，本发明就采用两个垂直振速水听器来被动反演海底声速。

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噪声场垂直振速信号的海底声速被动获取方法，相对于现有的用噪声场声压信号相干特性的反演方法，以较小代价实现海底声速的准确获取。

技术方案

一种基于噪声场垂直振速信号的海底声速被动获取方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、建立海洋环境噪声场矢量信号垂直相干特性预报模型：

声压互谱密度函数：

垂直振速互谱密度函数：

对两点噪声互谱密度函数做归一化处理得到理论噪声场垂直相干函数Γ(f,z₁,z₂)：

其中q²为噪声源谱强度，k²为参考波数，u_m(z)和u′_m(z)为第m阶本征函数在深度z处的值及其导数，k_m为第m阶本征值，R₀为噪声源圆平面的半径。ρ和c分别为声源处水体密度和声速；

实测噪声场垂直相干函数

求解过程如下：

其中K是数据快照总数，ΔT为每个快照数据长度，X₁(f,ΔT_K)和X₂(f,ΔT_K)分别为第一个水听器和第二个水听器采集的第k个快照噪声场垂直振速信号的频域解；

步骤2、给出基于噪声场垂直振速信号垂直相干特性的海底声速反演模型：

其中：F_cost为代价函数，N为考虑的频点总数，Γ和

分别为理论与实测噪声场声压/垂直振速相干函数；Γ中的本征值与本征函数等量需要将海水声学参数、海底声学参数以及接收器声学参数输入到声传播模型中计算得到；其中海水声学参数和接收器声学参数由实际测量得到，海底声学参数Ω＝[c_b,ρ_b,α_b]为待反演量；

采用小生境遗传算法在给定的海底声学参数搜索空间Ω内搜索一组参数

使得代价函数F_cost最小，则该组参数即为真实的海底参数。

有益效果

本发明提出的一种基于噪声场垂直振速信号的海底声速被动获取方法，首先建立海洋环境噪声场矢量信号垂直相干特性预报模型，针对反演的三要素，优化算法、正演建模和代价函数，给出基于噪声场垂直振速信号垂直相干特性的海底声速反演模型，选用噪声场垂直相干特性来进行海底声速的反演。本发明海水声学参数可以通过实际测量获得，利用海底地质数据库可以大致获得实验海底的地质类型，通过查表可以确定海底参数的搜索区间范围，通过遗传算法能够搜索得到一组地声参数下的噪声场垂直相干特性理论结果与实测结果吻合最好，该组参数近似可以认为是实际海底的地声参数。

附图说明

图1：为基于噪声场垂直振速信号垂直相干特性的海底声速反演方法流程

图2：为声压相干函数与垂直振速相干函数对海底声速敏感度对比

(a)I类底质基底声速；(b)II类底质沉积层声速；(c)II类底质基底声速

图3：基底纵波声速后验概率密度分布

图4：沉积层纵波声速后验概率

图5：基底纵波声速后验概率

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明提出的反演方法能够获得更为准确的海底声速反演结果。具体内容如下：(1)建立海洋环境噪声场矢量信号垂直相干特性预报模型

黄益旺等人将经典的KI简正波噪声预报模型、Harrison射线噪声预报模型以及PK绝热简正波噪声预报模型从标量场推广至矢量场。但是KI模型不能考虑高阶泄露模态的贡献且忽略了不同模态间的干涉作用，只适用于弱海底反射损失的波导；射线噪声预报模型适用于高频情况，对于浅海低频段噪声场空间相干特性无法给出准确的预报结果；PK噪声预报模型不仅能够考虑高阶非波导简正波模态的贡献，还考虑了不同模态之间的干涉作用，非常适合噪声场空间特性的预报，但是黄益旺等人给出的PK矢量噪声预报模型无法直接用来计算矢量噪声场垂直方向空间特性。所以需要重新推导给出矢量噪声场垂直方向相干特性预报模型，为用噪声矢量信号反演海底声速奠定理论基础。

考虑半径为R₀的有限圆平面区域内的噪声源，假设该区域内海洋环境和噪声源强度均不随距离变化，则该区域内噪声源作用下声压可以表示为：

其中S为噪声源谱强度，

为点源声压格林函数。假设不同噪声源的强度是不相关的，且其相关函数仅与噪声源间距ρ有关，也即：

其中δ为冲击响应函数。垂直方向上两点间噪声场声压互谱密度函数可以表示成：

其中k为水中波数，上标*表示共轭。水平分层介质中点源声压格林函数

为：

将(4)式代入到(3)式中：

将两类汉克尔函数展开并相乘得到：

计算式(5)中的积分，将积分转换成柱坐标积分的形式，积分项可以写成：

将(9)式代入到(5)式中，得到声压互谱密度函数表达式：

根据尤拉公式，可以得到三个正交振速分量与声压之间的关系：

引入微分算子：

令

U＝[p u_x u_y u_z]^T (13)

噪声矢量场互谱密度函数可以表示成:

其中：

上式中上标H表示求矩阵的共轭转置。上式表明：声压与质点振速、质点振速的互谱为声压互谱密度函数对相应分量的偏导数，此式极大地简化了噪声矢量场互谱密度函数的求解过程。对汉克尔函数乘积项求导，得到：

对(16)式在r′上积分，代入到(14)式中，最终得到噪声矢量场互谱密度矩阵各元素表达式：

其中u_n′为本征函数的导数。在垂直方向上，振速场互谱密度函数中除了v_1x与v_2x，v_1y与v_2y，v_1z与v_2z的互谱密度不为零外，其它组合即v_1x与v_2y，v_1x与v_2z，v_1y与v_2z方向振速场的互谱密度皆为零。三个方向振速中，声压只与垂直振速v_z相关。

在噪声场的诸多特性当中，垂直相干特性相对稳定，可以充分反映噪声场的空间结构。对垂直方向上两点噪声互谱密度函数做归一化处理得到理论噪声场垂直相干函数Γ_f：

(2)给出基于噪声场垂直振速信号垂直相干特性的海底声速反演模型

在噪声场的诸多特性当中，垂直相干特性相对稳定，可以充分反映噪声场的空间结构，常常被用来进行海底参数反演。现有的模型大多都是利用噪声场声压信息来反演的，没用充分利用噪声场的矢量信息。从声场角度来讲，声场垂直振速成分中包含了更多高阶简正波的信息，而高阶简正波对海底声速更为敏感，所以利用噪声场垂直振速信息反演海底声速有望能够获得更好的效果。

针对反演的三要素，优化算法、正演建模和代价函数，本章节将结合前面的研究成果，选取代价函数，给出基于海洋环境噪声场垂直振速信号的地声参数反演模型。

①寻优算法：

简单遗传算法(SGA)在解决单峰值目标函数优化时是比较有效的，但是工程中常常遇到的是多峰值复杂函数优化问题，SGA往往收敛于局部最优解。分析其原因，主要是因为大多数选择策略采用繁殖机会同适应度成正比的方法，这很容易导致封闭竞争问题。实际上，导致以上问题的原因是简单遗传算法的选择策略缺乏多样性保护机制。对于多峰值函数优化问题，群体中个体的多样性可保证优化算法能够搜索出问题的所有最优解，包括局部最优解和全局最优解。为此，将小生境(niche)技术引入遗传算法。

小生境技术就是将每一代个体划分为若干类，每个类中选出若干适应度较大的个体作为一个类的优秀代表组成一个群，再在种群中，以及不同种群之间杂交与变异产生新一代个体群。同时采用预选机制和排挤机制或分享机制完成任务。基于这种小生境的遗传算法(Niched Genetic Algorithms，NGA)，可以更好的保持解的多样性，同时具有很高的全局寻优能力和收敛速度，特别适合于复杂多峰函数的优化问题。

小生境遗传算法的基本思想是，首先两两比较群体中各个个体之间的距离，若这个距离在预先的距离L之内的话，再比较两者之间的适应度大小，并对其中适应值较低的个体施加一个较强的罚函数，极大地降低其适应度。这样，对于在预先指定的某一距离L之内的两个个体，其中较差的个体经处理后其适应度变得更差，它在后面的进化过程被淘汰的概率就极大。该算法的优点是，在距离L内将只存在一个优良个体，从而既维护了群体的多样性，又使得各个个体之间保持一定的距离，并使得个体能够在整个约束的空间中分散开来。

②敏感度函数的选取：

本发明选用噪声场垂直相干特性来进行海底声速的反演。首先需要研究噪声场垂直相干特性对海底声速的敏感度。定义敏感度函数为：

其中y_k为真值向量，x_k为拷贝值向量。这里真值向量为噪声场垂直相干特性向量。当讨论敏感度函数对海底某一声学参数的敏感程度时，固定其它参数，只在研究范围内变化该声学参数得到拷贝值向量x_k。Φ_n(x)体现了真值向量y_k与拷贝值向量x_k间的差异，Φ_n(x)越小，表示真值向量与拷贝值向量间的差异越大；当且仅当两组数据完全一致时Φ_n(x)＝1。

③代价函数的选取：

反演过程就是将模型计算的垂直相干函数Γ(f_n,z₁,z₂)和观察得到的垂直相干函数

进行匹配，从而反演出最佳的海底参数矢量。定义目标函数为：

其中f_n为第n个频点，N为求解相干函数频点的个数。当F_cost最小时，搜索达到最优。

参数反演的不确定分析是反演步骤中的重要环节。根据贝叶斯理论，反演结果的不确定性可以通过后验概率进行分析。模型中第i个参数的一维后验边缘概率密度分布定义为：

eⁱ(mⁱ)≡∫e(m)dm¹…dm^i-1dmⁱ⁺¹…dm^M (25)

对模型矢量的采样值按照其目标函数值(能量值)的大小进行排序，在形成概率分布时通过能量的Boltzmann函数进行加权，从而得到第k组模型矢量的概率分布为：

模型矢量中第i个参数反演结果值为v的边缘概率分布为上式的和：

Q为目标函数，T为类似模拟退火方法中的温度控制参数。反演经验表明，优化过程中50个最佳目标函数的平均值减去最好的一个目标函数值，作为T比较合适。

具体实施方案：

图1为基于噪声场垂直振速信号垂直相干特性的海底声速反演方法流程，具体实施如下：

(1)求解实测噪声场的垂直相干特性

将数据等分成K段，每段数据长ΔT秒。设一号水听器和二号水听器采集的噪声场垂直振速信号时间序列分别为x₁(t)和x₂(t)，等分之后的每个片段噪声信号傅里叶变换后得到频域解分别为X₁(f,ΔT_K)和X₂(f,ΔT_K)，为了减小噪声源随机特性对计算结果的影响，对K段归一化后的噪声相关系数取平均，最终得到第一个水听器和第两个水听器间实测噪声场垂直互相干系数：

(2)海底声速反演

海水声学参数可以通过实际测量获得，利用海底地质数据库可以大致获得实验海底的地质类型，通过查表可以确定海底参数的搜索区间范围，通过遗传算法能够搜索得到一组地声参数下的噪声场垂直相干特性理论结果与实测结果吻合最好，该组参数近似可以认为是实际海底的地声参数。

仿真验证：

(1)反演的海洋波导环境

表1参数讨论区间与仿真真值

仿真两种海洋波导，I类海洋波导为半无限海底，II类海洋波导为有沉积层的海底。两种波导海底地声参数的讨论区间与真值见表1。仿真中水体声速为1500m/s，海深34m，两个接收水听器分别位于27m和30m。强度不相关的噪声源均匀分布在海面下0.1m深度上的无限大平面上，仿真的声波频率带宽范围为100Hz-2500Hz。分析两类波导环境下声压相干函数与垂直振速相干函数对海底声速的敏感度，进而对比讨论用两种方法反演海底声速的性能。

(2)反演结果及分析

首先讨论表1中两种波导环境下噪声场垂直相干函数对海底声速的敏感度。图2给出的是声压相干函数和垂直振速相干函数对两种底质的海底声速敏感度。无论是对半无限海底还是有沉积层的海底，无论是对沉积层声速还是基底声速，噪声场垂直振速相干函数对海底声速的敏感度都优于声压相干函数。所以用垂直振速相干函数代替声压相干函数来反演能够获得更为准确的海底声速信息。

图2声压相干函数与垂直振速相干函数对海底声速敏感度对比，(a)为I类底质基底声速；(b)II类底质沉积层声速；(c)II类底质基底声速；

取半无限海底噪声场垂直相干特性模型作为正演模型，被反演参数取值范围以及反演结果见表2。从表中可以看到反演得到的基底声速比较接近真实的基底声速。用声压相干函数和垂直振速相干函数反演得到的基底声速分别为1990.9m/s和1996.7m/s，都比较接近基底声速真值2000m/s。用噪声场垂直振速信号反演得到的基底声速更接近真值。

表2底质I海底参数反演结果

图3给出的是用声压相干函数和垂直振速相干函数反演时基底声速的一维后验概率分布。因为声压相干特性与垂直振速相干特性对基底声速都比较敏感，所以基底声速能够较好地收敛于真实值。对比图3中用声压相干函数和垂直振速相干函数反演时基底纵波声速的后验概率分布，显然用垂直振速相干函数反演时，基底声速出现在真实值附近的概率更大一些。说明用噪声场垂直振速相干函数反演海底声速性能优于声压相干函数。因为本发明关注的重点是海底声速，所以这里不对基底衰减与密度后验概率进行讨论。

表3底质II海底参数反演结果

表3给出的是II类底质的地声参数反演结果，反演得到的沉积层声速比较接近真实值。用声压相干函数与垂直振速相干函数反演得到的沉积层声速分别为1808.4m/s和1802.3m/s，和真实的沉积层声速1800m/s很接近。反演得到的基底声速和实际基底声速也比较接近，用声压相干函数与垂直振速相干函数反演得到的基底纵波声速与真实基底纵波声速误差分别为17.7m/s与11.4m/s。显然无论是对于沉积层声速还是下层基底声速，用噪声场垂直振速信号反演得到的结果更准确。因为噪声场垂直相干特性对海底表层声速更为敏感，所以沉积层声速反演结果优于下层基底声速反演结果。

图4和图5给出的是用声压垂直相干函数与垂直振速相干函数来反演海底声速时，沉积层声速与基底声速的一维后验概率分布。从图中可以看到，沉积层声速与基底声速均能较好收敛于真值，但是基底纵波声速收敛效果显然不如沉积层纵波声速收敛效果好，但是无论是对于沉积层声速还是下层基底声速，用垂直振速相干函数反演海底声速，海底声速收敛于真值的概率更高一些，证明用噪声场垂直振速信号垂直相干特性反演海底声速的性能优于声压相干函数。

Claims (1)

1.一种基于噪声场垂直振速信号的海底声速被动获取方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、建立海洋环境噪声场矢量信号垂直相干特性预报模型：

声压互谱密度函数：

垂直振速互谱密度函数：

对两点噪声互谱密度函数做归一化处理得到理论噪声场垂直相干函数Γ(f,z₁,z₂)：

其中q²为噪声源谱强度，k²为参考波数，u_m(z)和u′_m(z)为第m阶本征函数在深度z处的值及其导数，k_m为第m阶本征值，R₀为噪声源圆平面的半径，ρ和c分别为声源处水体密度和声速；

实测噪声场垂直相干函数

求解过程如下：

其中K是数据快照总数，ΔT为每个快照数据长度，X₁(f,ΔT_K)和X₂(f,ΔT_K)分别为第一个水听器和第二个水听器采集的第k个快照噪声场垂直振速信号的频域解；

步骤2、给出基于噪声场垂直振速信号垂直相干特性的海底声速反演模型：

其中：F_cost为代价函数，N为考虑的频点总数，Γ和

分别为理论与实测噪声场声压/垂直振速相干函数；Γ中的本征值与本征函数等量需要将海水声学参数、海底声学参数以及接收器声学参数输入到声传播模型中计算得到；其中海水声学参数和接收器声学参数由实际测量得到，海底声学参数Ω＝[c_b,ρ_b,α_b]为待反演量；

采用小生境遗传算法在给定的海底声学参数搜索空间Ω内搜索一组参数

使得代价函数F_cost最小，则该组参数即为真实的海底参数。

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