CN109472069A - 一种由贝叶斯理论和声压场反演海底参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种由贝叶斯理论和声压场反演海底参数的方法，步骤如下：步骤1：在移动终端内输入并建立具有弹性海底的浅海参数化模型；步骤2：利用公式获取流体层中的各位置声压场；步骤3：建立衡量实测值和理论预报值间适配的目标函数；步骤4：对步骤3的目标函数寻优求解获取浅海参数化模型的海底各参数。本发明通过建立衡量实测值和理论预报值间适配的目标函数，将对海底参数的反演问题转化为在寻优范围内对目标函数极小值求解的问题，同时运算环境优良，设备稳定性和安全性高。

Description

一种由贝叶斯理论和声压场反演海底参数的方法

技术领域

本发明属于海洋声学领域，具体涉及一种由贝叶斯理论和声压场反演海底参数的方法。

背景技术

海洋环境参数尤其是海底声参数的获取对声场建模以及水声设备性能的评估有着重要的作用。同直接测量的方法相比，利用声学方法反演可以快速、低成本地获取试验海区海底声参数，因此受到了越来越多的关注。线性反演方法对初始模型依赖很强，容易陷入局部最优解，因此非线性反演方法逐渐被应用于地声参数反演的研究中。非线性贝叶斯反演方法是基于概率论、应用数学和最优化理论等交叉学科的全局优化算法，但是如何有效地获取最大后验概率模型参数，从统计角度定性和定量分析参数反演结果的不确定性在国内还处于空白阶段，并且上述算法通常在计算机设备中进行存储或运算，现有的计算机设备放置稳定性不高常导致数据丢失或损坏严重影响上述算法的正常运算。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术的中的问题提供一种通过建立衡量实测值和理论预报值间适配的目标函数，将对海底参数的反演问题转化为在寻优范围内对目标函数极小值求解的问题，同时运算环境优良，设备稳定性和安全性高的由贝叶斯理论和声压场反演海底参数的方法。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：一种由贝叶斯理论和声压场反演海底参数的方法，步骤如下：

步骤1：在移动终端内输入并建立具有弹性海底的浅海参数化模型；

步骤2：利用公式获取流体层中的各位置声压场；

步骤3：建立衡量实测值和理论预报值间适配的目标函数；

步骤4：对步骤3的目标函数寻优求解获取浅海参数化模型的海底各参数。由于具有弹性海底的浅海参数化模型中海底声参数的变化会对声压场的分布产生重要影响，因此通过建立衡量实测值与理论预报值间适配的目标函数，通过对其的寻优求解可实现对具有弹性海底的浅海参数化模型下海底各参数的计算获取，所获取的参数精准性高，消除在海底各参数获取时各因素的影响，提高对水声设备性能评估精准性，有益于声场建模。

优选的，步骤1建模中，令z＝0位置代表海面，海面向下为深度z轴正值方向，r正轴表示声场向外传播方向；设均匀流体层深度为H、密度ρ₁、声速c₁，声源位于海面以下深度z_s处；海底为各向同性的半无限介质空间，纵波声速、横波声速、密度分别为c_p、c_s和ρ_b，α_p和α_s分别代表纵波声速衰减和横波声速衰减。

优选的，步骤2中的公式如下：

式中：ξ为水平波数；r为水平距离；J₀为贝塞尔函数，本发明选用快速场方法可实现快速对浅海声场计算，避免了当声源频率很低或海水深度很浅时，流体层中激发其很少阶数的简正波，导致获取的声场结果存在误差的问题。

优选的，目标函数如下：

d_f为N个水听器接收到的复声压；B(m)为归一化的Bartlett失配器。

优选的，移动终端为计算机，其内部分别搭载有数据获取模块、数据计算模块、数据存储模块、数据输出模块，数据获取模块用于获取反演海底参数时所需数据或输入相关数据，数据计算模块用于对海底各参数过程中的各参数运算获取海底各参数，数据存储模块用于对获取的海底参数进行存储供用户提取，数据输出模块用于输出数据并在显示终端上显示。

优选的，移动终端为计算机，计算机的主机箱安置于减震设备内，减震设备包括安置在外箱内的内箱，外箱与内箱之间设有减震器，外箱与内箱底面之间设有支撑座，外箱上表面均设有操作孔和通风孔，外箱侧面开设有散热孔，外箱各棱边处均设橡胶条。通过设置双层箱体放置计算机主机可大程度的降低主机箱体受外部撞击而硬件设备受损的情况出现，也避免计算机主机箱体底部有水体时存在的安全隐患，在外箱各棱边处设置橡胶条可在人们脚部撞击到外箱时减轻人体脚部撞击的撞伤和对计算机主机的震动影响，并且外箱与内箱之间的减震器、支撑座的设置可进一步降低震动，保证计算机主机箱体的稳定性，保护主机箱体内的硬件设备，保证计算机的稳定运行，操作孔的设置便于人们通过操作孔将耳机、USB等与计算机主机箱体配合连接，通风孔和散热孔的设置均用于实现计算机主机与外界的空气流通，放置计算机主机过热影响运算效率。

优选的，减震器包括中部贯穿的筒体，筒体内中部设有海绵块，海绵块两侧面均连接有与筒体内孔相对应且可滑动的支撑板，支撑板上连接有第一弹簧，第一弹簧端部连接有支撑板，筒体中部壁上开设有流通孔，第一弹簧长度为筒体长度的50％～65％。将减震器设置于外箱与内箱之间在外箱受到外部冲击时，双向设置的第一弹簧对冲击力吸收，海绵块两端的支撑板向海绵块中部移动并挤压海绵块，将冲击力向海绵块施放，而海绵块在短时间内产生形变将桶体内的空气向外从流通孔挤压出去，起到减震作用，在震动力消失的时候海绵块和第一弹簧快速恢复原形，在海绵块恢复原形的过程中筒体内的负压增强对流通孔外的空气产生吸力促使筒体外部空气向流通孔内流动并经过海绵块，海绵块对流经空气起到过滤作用，实现对箱内空气净化的作用，减少灰尘漂浮，避免灰尘对计算机主机硬件的影响，保证优良的运行环境。

优选的，支撑座包括安置在外箱底部的橡胶块，橡胶块上设有底板，橡胶板与底板之间设有对向设置的弧形板，底板表面均设有与内箱底面连接的第二弹簧。支撑座的设置可对垂直向下的冲击力起到缓冲效果，例如在搬运过程中放下时，放下高度过高很容易导致计算机主机内硬件受冲击损坏，而设有的支撑座可通过第二弹簧、对向设置的弧形板、橡胶块对垂直冲击力吸收避免影响计算机主机箱体。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过建立衡量实测值与理论预报值间适配的目标函数，通过对其的寻优求解可实现对具有弹性海底的浅海参数化模型下海底各参数的计算获取，所获取的参数精准性高，消除在海底各参数获取时各因素的影响，提高对水声设备性能评估精准性，有益于声场建模。将移动终端设备的主机放置在双层箱体内大程度的降低主机箱体受外部撞击而硬件设备受损的情况出现，降低设备安全隐患，保证优良的运行环境，进而保证反应海底参数获取的效率和精准性。

附图说明

图1为本发明的具有弹性海底的浅海参数化模型示意图；

图2为一种由贝叶斯理论和声压场反演海底参数的方法流程框图；

图3为本发明移动终端的框图；

图4为本发明计算机主机安放的减震设备结构示意图；

图5为减震设备的剖视图；

图6为减震器示意图；

图7为支撑座示意图；

图8为本发明实施例2中五项参数对TL的影响程度图；

图9为本发明实施例2中单参数敏感度图；

图10为本发明实施例2中c_p及其后验概率密度分布图；

图11为本发明实施例2中c_s及其后验概率密度分布图；

图12为本发明实施例2中ρ_b及其后验概率密度分布图；

图13为本发明实施例2中α_p及其后验概率密度分布图；

图14为本发明实施例2中α_s及其后验概率密度分布；

图15为本发明实施例2中放置实验装置示意图；

图16为本发明实施例2中发射波形图；

图17为本发明实施例2中接收信号到达时间图；

图18为本发明实施例2中c_p及其后验概率密度分布图；

图19为本发明实施例2中c_s及其后验概率密度分布图；

图20为本发明实施例2中ρ_b及其后验概率密度分布图；

图21为本发明实施例2中α_p及其后验概率密度分布图；

图22为本发明实施例2中α_s及其后验概率密度分布图。

附图标记说明：1-外箱；2-橡胶条；3-操作孔；4-通风孔；5-散热孔；6-内箱；7-减震器；701-筒体；702-海绵块；703-流通孔；704-第一弹簧；705-支撑板；8-支撑座；801-第二弹簧；802-底板；803-橡胶块；804-弧形板；9-散热风扇。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步详细描述：

实施例1：

如图1、2所示，一种由贝叶斯理论和声压场反演海底参数的方法，步骤如下：步骤1：在移动终端内输入并建立具有弹性海底的浅海参数化模型，；

步骤2：利用公式获取流体层中的各位置声压场；

步骤3：建立衡量实测值和理论预报值间适配的目标函数；

步骤4：对步骤3的目标函数寻优求解获取浅海参数化模型的海底各参数。由于具有弹性海底的浅海参数化模型中海底声参数的变化会对声压场的分布产生重要影响，因此通过建立衡量实测值与理论预报值间适配的目标函数，通过对其的寻优求解可实现对具有弹性海底的浅海参数化模型下海底各参数的计算获取，所获取的参数精准性高，消除在海底各参数获取时各因素的影响，提高对水声设备性能评估精准性，有益于声场建模。

优选的，步骤1建模中，令z＝0位置代表海面，海面向下为深度z轴正值方向，r正轴表示声场向外传播方向；设均匀流体层深度为H、密度ρ₁、声速c₁，声源位于海面以下深度z_s处；海底为各向同性的半无限介质空间，纵波声速、横波声速、密度分别为c_p、c_s和ρ_b，α_p和α_s分别代表纵波声速衰减和横波声速衰减。

步骤2中的公式如下：

式中：ξ为水平波数；r为水平距离；J₀为贝塞尔函数，本发明选用快速场方法可实现快速对浅海声场计算，避免了当声源频率很低或海水深度很浅时，流体层中激发其很少阶数的简正波，导致获取的声场结果存在误差的问题。

目标函数如下：

d_f为N个水听器接收到的复声压；B(m)为归一化的Bartlett失配器。

目标函数的具体推导过程如下：

借鉴基于声传播模型的匹配场反演方法中的思路，用d_f表示N个水听器接收到的复声压(测量场)，f＝1,…F表示F个频点的观测数据。假设数据误差为复的、具有零均值的高斯随机变量，忽略频率间的相关性，但用协方差矩阵代替方差来表征潜在的空间相关性，此时经非相干处理得到的似然函数可以写为：

其中，d_f(m)为模型参数向量m的预报复声压(拷贝场)，C_f为频率f下的协方差矩阵，上角标“+”代表共轭转置。如果进一步忽略数据的空间相关性，对于每一个频点可以用一个通常意义的方差v_f来表示，则协方差矩阵可以写为：

C_f＝v_fI (2)

方差v_f只与频率有关，I为单位阵，此时似然函数可以简化为：

然而，此种似然函数表达形式并不适用于匹配场反演，因为模型预报值d_f(m)需要已知复声源强度，而声源信息通常是未知的。模型预报值d_f(m)可以表示为：

其中，P_f(m)可以看作根据声传播模型计算得到信道传输函数，A_f和θ_f表示未知的声源幅度和相位。把(4)式代入(3)式，令可以得到声源的最大似然估计：

继而得到的似然函数为：

其中，B_f(m)表示归一化的Bartlett失配器：

(6)式具有L(m)∝exp[-E(m)]的形式，因而得到的目标函数为：

由于独立的方差信息(包括理论误差)很少能够通过测量数据直接获得，因此，E₁仅能在针对合成数据进行仿真研究时采用。考虑数据不确定性的影响，必须明确或隐含数据方差，显然E₁是不可取的。为了达到这一目的，需要估计方差，令使似然函数最大，得到v_f的最大似然估计：

代入(6)式得到的目标函数为：

对上式进一步简化为：

从公式(7)可以看出，当且仅当d(r,z)＝p(r,z)时，B(m)达到最优匹配，此时E(m)取到极小值。通过目标函数的建立，将对海底参数的反演问题转化为在寻优范围内对公式(11)极小值求解的问题。

移动终端为计算机，其内部分别搭载有数据获取模块、数据计算模块、数据存储模块、数据输出模块，数据获取模块用于获取反演海底参数时所需数据或输入相关数据，数据计算模块用于对海底各参数过程中的各参数运算获取海底各参数，数据存储模块用于对获取的海底参数进行存储供用户提取，数据输出模块用于输出数据并在显示终端上显示。

参见图3-7，移动终端为计算机，计算机的主机箱安置于减震设备内，减震设备包括安置在外箱1内的内箱6，外箱1与内箱6之间设有减震器7，外箱1与内箱6底面之间设有支撑座8，外箱1上表面均设有操作孔3和通风孔4，外箱1侧面开设有散热孔5，外箱1各棱边处均设橡胶条2，内箱6上与散热孔5对应设置有散热风扇9，通过设置双层箱体放置计算机主机可大程度的降低主机箱体受外部撞击而硬件设备受损的情况出现，也避免计算机主机箱体底部有水体时存在的安全隐患，在外箱1各棱边处设置橡胶条2可在人们脚部撞击到外箱1时减轻人体脚部撞击的撞伤和对计算机主机的震动影响，并且外箱1与内箱6之间的减震器7、支撑座8的设置可进一步降低震动，保证计算机主机箱体的稳定性，保护主机箱体内的硬件设备，保证计算机的稳定运行，操作孔3的设置便于人们通过操作孔3将耳机、USB等与计算机主机箱体配合连接，通风孔4和散热孔5的设置均用于实现计算机主机与外界的空气流通，放置计算机主机过热影响运算效率。

减震器7包括中部贯穿的筒体701，筒体1内中部设有海绵块702，海绵块702两侧面均连接有与筒体701内孔相对应且可滑动的支撑板705，支撑板705上连接有第一弹簧704，第一弹簧704端部连接有支撑板705，筒体701中部壁上开设有流通孔703，第一弹簧704长度为筒体701长度的50％～65％，优选为55％，将减震器7设置于外箱1与内箱6之间在外箱1受到外部冲击时，双向设置的第一弹簧704对冲击力吸收，海绵块702两端的支撑板705向海绵块702中部移动并挤压海绵块，将冲击力向海绵块702施放，而海绵块702在短时间内产生形变将桶体1内的空气向外从流通孔703挤压出去，起到减震作用，在震动力消失的时候海绵块702和第一弹簧704快速恢复原形，在海绵块702恢复原形的过程中筒体1内的负压增强对流通孔703外的空气产生吸力促使筒体701外部空气向流通孔703内流动并经过海绵块702，海绵块702对流经空气起到过滤作用，实现对箱内空气净化的作用，减少灰尘漂浮，避免灰尘对计算机主机硬件的影响，保证优良的运行环境。

支撑座8包括安置在外箱1底部的橡胶块803，橡胶块803上设有底板802，橡胶板803与底板802之间设有对向设置的弧形板804，底板802表面均设有与内箱6底面连接的第二弹簧801。支撑座8的设置可对垂直向下的冲击力起到缓冲效果，例如在搬运过程中放下时，放下高度过高很容易导致计算机主机内硬件受冲击损坏，而设有的支撑座8可通过第二弹簧801、对向设置的弧形板804、橡胶块803对垂直冲击力吸收避免影响计算机主机箱体。

实施例2：

本实施例通过实验来对本发明的方法进一步验证。

海洋环境仿真参数如表1所示。

表1海洋环境仿真参数

参见图8(A)-(F)实线对应表1中真值参数计算结果，点线与虚线分别对应五项海底地声参数取讨论值时的计算结果。图8(F)结合距平给出了在五项海底地声参数讨论值区间内，各参数变化时对TL曲线的影响程度，计算中以真值计算得出的TL值视为均值，以讨论值计算得出的TL值视为离散数据计算距平。

从图8的对比中可以看出，在其它仿真条件不变的前提下，改变任一海底声参数，对TL的影响程度各有差异；从图8(F)中可以看出，五项海底参数的讨论值在真值偏移+10％的条件下，对TL的影响程度从大到小依次为c_p、c_s、ρ_b、α_p、α_s；在真值偏移-10％的条件下，对TL的影响程度从大到小依次为c_s、c_p、ρ_b、α_p、α_s。因此，五项海底参数对TL的影响程度可初步定性为：c_p、c_s>ρ_b>α_p、α_s。

在讨论目标函数对某一海底声学参数的敏感度时，采用控制变量法，其他参数不变，在讨论区间内改变该参数计算声压场理论预报值p(r,z)，由公式(12)计算p(r,z)与d(r,z)间的目标函数值E(m)作为敏感度评价标准。

按上述处理方法，参见图9(A)-(E)分别给出了目标函数E(m)随单项参数变化时的数值变化。在各参数讨论区间内，目标函数E(m)均只在参数真值处形成尖锐极小值峰，且无伪峰或第二极小值，可以避免局部最优解对目标函数在后续算法寻优中的影响。但E(m)在五项海底声参数变化时波动范围不尽相同，从图9(F)中可以看出，在五项参数的讨论区间内，E(m)值变化范围从大到小依次为c_p、c_s、ρ_b、α_p、α_s。五项海底参数对p(r,z)的影响程度可定性为：c_p>c_s>ρ_b>α_p>α_s。

仿真实验中，海洋环境参数仍同表1所设，五项待反演参数寻优区间同上所设。在模拟退火算法中，设定初始温度T₁为100°，降温幅度为0.2°，终止温度T为1°，算法终止时共迭代496次。算法终止时，各参数的分布及其后验概率密度分布如图10-14给出，各参数平均值及其方差由表2给出。

表2寻优结果

图10-14中，红色线段表示仿真真值，蓝色线段表示最后一代参数的均值及其方差。从图10-14和表2可以看出，各参数仿真真值均处于其概率较高或最高处，且在寻优均值附近、方差范围之内，证明了该反演方法的可行性。

在以上仿真分析的基础上，利用实验数据对该反演方法进行实验。如图15所示，实验中选取硬度高、质地均匀、耐磨性好的塑料板模拟“半无限弹性海底”；实验中将发射换能器固定于一端水中；接收水听器固定于带有光栅尺的精确移动平台上；根据发射换能器的频响特性，实验过程中发射信号中心频率为135kHz的CW脉冲信号。

表3给出了实验中各参数的测量结果，其中水中声速c₁由测量水中温度(11.15℃)后通过经验公式求得。测量过程中，保持声源位置固定，发射中心频率为135kHz的CW信号(如图16所示)；水听器固定于可移动走架上，设置采集卡采样率fs＝20MHz，每个测量点重复测量10次，避免随机扰动带来的影响；完成一点测量后，走架带动水听器向远离声源方向移动2mm(误差不超过20um)；图17给出了测量中所接收到的第50-150道接收信号时域图，图中各条线段是由表3中布放参数计算得到的、第50-150接收点上直达信号、水面反射信号和水底反射信号的达到时间。从图17中可以看到，理论计算得到的各路径信号到达时间与实测达到时间基本吻合，证明了测量中接收信号的可靠性。

表3实验参数

算法终止时，各参数的分布及其后验概率密度分布如图18-22给出，各参数平均值及其方差由表4给出。

表4寻优结果

图18-22中，GA表示遗传算法寻优结果，Ave表示最后一代参数的均值，横向蓝色线段范围表示了各参数的误差范围。从图18-22和表4可以看出，各参数遗传算法寻优结果均处于模拟退火给出的参数PPD较高处，且在寻优均值附近、方差范围之内，再次证明了该反演方法的可行性。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种由贝叶斯理论和声压场反演海底参数的方法，其特征如下：

步骤1：在移动终端内输入并建立具有弹性海底的浅海参数化模型；

步骤2：利用公式获取流体层中的各位置声压场；

步骤3：建立衡量实测值和理论预报值间适配的目标函数；

步骤4：对步骤3的目标函数寻优求解获取浅海参数化模型的海底各参数。

2.根据权利要求1所述的一种由贝叶斯理论和声压场反演海底参数的方法，其特征在于：步骤1建模中，令z＝0位置代表海面，海面向下为深度z轴正值方向，r正轴表示声场向外传播方向；设均匀流体层深度为H、密度ρ₁、声速c₁，声源位于海面以下深度z_s处；海底为各向同性的半无限介质空间，纵波声速、横波声速、密度分别为c_p、c_s和ρ_b，α_p和α_s分别代表纵波声速衰减和横波声速衰减。

3.根据权利要求1所述的一种由贝叶斯理论和声压场反演海底参数的方法，其特征在于：步骤2中的公式如下：

式中：ξ为水平波数；r为水平距离；J₀为贝塞尔函数。

4.根据权利要求1所述的一种由贝叶斯理论和声压场反演海底参数的方法，其特征在于：所述目标函数如下：

E(m)＝log_e[B(m)|d_f|²]；

d_f为N个水听器接收到的复声压；B(m)为归一化的Bartlett失配器。

5.根据权利要求1所述的一种由贝叶斯理论和声压场反演海底参数的方法，其特征在于：所述移动终端为计算机，其内部分别搭载有数据获取模块、数据计算模块、数据存储模块、数据输出模块。

6.根据权利要求1所述的一种由贝叶斯理论和声压场反演海底参数的方法，其特征在于：所述移动终端为计算机，计算机的主机箱安置于减震设备内，所述的减震设备包括安置在外箱(1)内的内箱(6)，所述的外箱(1)与内箱(6)之间设有减震器(7)，所述外箱(1)与内箱(6)底面之间设有支撑座(8)，所述的外箱(1)上表面均设有操作孔(3)和通风孔(4)，所述外箱(1)侧面开设有散热孔(5)，所述外箱(1)各棱边处均设橡胶条(2)。

7.根据权利要求6所述的一种由贝叶斯理论和声压场反演海底参数的方法，其特征在于：所述减震器(7)包括中部贯穿的筒体(701)，筒体(1)内中部设有海绵块(702)，所述海绵块(702)两侧面均连接有与筒体(701)内孔相对应且可滑动的支撑板(705)，所述支撑板(705)上连接有第一弹簧(704)，所述的第一弹簧(704)端部连接有支撑板(705)，所述筒体(701)中部壁上开设有流通孔(703)，所述第一弹簧(704)长度为筒体(701)长度的50％～65％。

8.根据权利要求6所述的一种由贝叶斯理论和声压场反演海底参数的方法，其特征在于：所述支撑座(8)包括安置在外箱(1)底部的橡胶块(803)，所述橡胶块(803)上设有底板(802)，所述橡胶板(803)与底板(802)之间设有对向设置的弧形板(804)，所述底板(802)表面均设有与内箱(6)底面连接的第二弹簧(801)。