CN109556701A - 一种基于宽带垂直波阻抗的浅海地声参数反演方法 - Google Patents

一种基于宽带垂直波阻抗的浅海地声参数反演方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于宽带垂直波阻抗的浅海地声参数反演方法，属于水声探测技术领域，本发明采用矢量水听器获取海洋声场信息参数，海洋声场信息参数含有声阻抗率、声压场和振速；将所述的海洋声场信息参数经运算后获取海底声学参数。本发明利用矢量水听器获取海洋声场信息参数，结合运算公式反演，快速获取海底声学参数，并根据反演获得的海底声学参数构建海岸预警系统。

Description

一种基于宽带垂直波阻抗的浅海地声参数反演方法
技术领域
本发明属于水声探测技术领域，具体涉及一种基于宽带垂直波阻抗的浅海地声参数反演方法。
背景技术
水声研究中，通常定义受海底影响明显的声场环境为浅海波导环境。我国周边海域基本都可归为浅海环境。由于海底的作用，浅海声场相比深海声场更加复杂。浅海海底的声学参数，如密度、声速与衰减等变化都将改变上层流体中声场的分布，对低频、甚低频声场的作用尤其明显。而声场特性的不同对声纳的作用距离、目标定位、声场预报等都将产生重要的影响。由此可见，充分了解、归纳浅海地声参数对声场特性的影响，进而获取海洋环境信息，对水声工程研究有着重要的指导意义。
由于浅海海底参数对声场作用明显，近十几年来利用声学方法反演海底地声参数方法越来越受到重视，并且已经有了很大的发展。利用声学方法反演海底参数一般只需布放一个或几个水听器，就可进行大范围、长时间的进行海洋声场环境测量，与一般海底直接测量方法相比有着明显的优势。关注不同的声场物理量，国内外研究人员已经提出了多种海底参数反演方法，如基于简正波频散特性的反演方法、基于海洋环境噪声的反演方法等，但这些方法大都只是基于对声压信号的处理。随着矢量声场理论日趋成熟和矢量水听器的广泛使用，对声压与振速的联合处理越来越受到关注。声压与振速的联合处理方法在水声工程应用领域的研究已经取得了大量成果，但利用声压与振速的联合处理方法在海底参数获取方面国内鲜有报道，而且精准快速获取或演算浅海海底参数的对我国的国防事业意义重大，特别是在军事防御，形成海岸预警系统方面，因此，如何将声压与振速的联合处理方法应用于快速获取或反演海底参数是急待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供利用矢量水听器获取海洋声场信息参数，结合运算公式反演，快速获取海底声学参数，并根据反演获得的海底声学参数构建海岸预警系统的一种基于宽带垂直波阻抗的浅海地声参数反演方法。
本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：一种基于宽带垂直波阻抗的浅海地声参数反演方法，包括：
采用矢量水听器获取海洋声场信息参数，
海洋声场信息参数含有声阻抗率、声压场和振速；
将所述的海洋声场信息参数经运算后获取海底声学参数。
进一步的，运算公式为：
Z＝p/v；
式中Z为声阻抗率，p为声压场，v为振速。
进一步的，声阻抗率分为水平波阻抗Zr和垂直波阻抗Zz，其运算公式分别为：
从波阻抗的定义式可以看到，Z在计算中消除了声传播中波阵面几何扩展引起的能量损失和声源级S(ω)的影响；同时将声压场与振速场联合为一个物理量进行对比，便于同时利用两者所携带的声场信息。在远场条件下(ξlr>>1)，Zr和Zz可近似简化为：Zr≈ρ0ω/ξ0、Zz≈-iρ0ωZ0(z,ξ0)/[Z'0(z,ξ0)]。从两类近似结果可以看到：水平波阻抗Zr中仅有ξ0一项体现海底声学参数，而Zz中的Z(z,ξ0)及其导数均由海底声学参数决定。可以判定，声场中的波阻抗的垂直分量相比水平分量包含了更多的海底信息，即垂直波阻抗在反演中的对海底声学参数计算精准性提高效果更好，而且选用垂直波阻抗可减少矢量水听器的参数获取量，降低矢量水听器的工作量，还保证海底声学参数的精准性。
进一步的，运用评判公式对垂直波阻抗进行评判，设定带宽内、多个频率fi(i＝1-N)下，物理量参考真值为X1、比较值X2，两者相关系数ρXX'(f)，评判公式如下：
式中，r为各物理量在水平传输距离上的各接收点位置；
根据下表计算声场中物理量作为参考真值为X1，计算某一物理量对海底声学参数敏感度时，固定其他参数，变化该声学参数得到比较值X2；ρXX'体现了物理量参考真值X1与比较值X2间的差异，ρXX'越小，数据间的差异越大；当且仅当两组数据完全一致时ρ′XX'＝1。
利用小生境遗传算法对其在寻优区间内进行寻优求解得所需海底声学参数。
进一步的，海底声学参数包括海底纵波声速、海底横波声速、纵波声速衰减、横波声速衰减、海底密度、沉积层厚度、沉积层密度、沉积层声速、沉积层声速衰减。
进一步的，矢量水听器安置在海底且与水上移动工具无线连接，水上移动工具上分别连接有计算机和报警器。本发明采用计算机技术，将海底参数反演运算公式存储于计算机中，并且远程无线接收矢量水听器发出的海洋声场信息参数，运用反演运输公式获得海底声场参数，并且利用运算公式对获取的海底声场参数准确率进行评判，计算机根据反演获得的海底声学参数构建海岸预警系统，即将反演获取的海底声学参数与监测海域平时海底声学参数进行对比判断，反演获取的海底声学参数不在正常范围内，计算机直接控制报警器进行报警，实现海岸预警。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过将声压与垂直振速的联合处理更准确得到海底声学特性，构建海岸预警系统为沿海安全保障工作提供有效途径；波阻抗在计算中同时抵消了波阵面扩展引入的传播损失，更利于对远场处波导信息的利用和；波阻抗的垂直分量Zz由于同时包含了声压与垂直的幅度信息与相位信息，更适合应用于海底地声参数的反演。
本发明采用了上述技术方案提供的基于宽带垂直波阻抗的浅海地声参数反演方法，弥补了现有技术的不足，设计合理，操作方便。
附图说明
图1为本发明矢量水听器与水上移动工具连接示意图；
图2为实施例2中具有沉积层的浅海海洋声场环境示意图；
图3为实施例2中海底纵波声速反演结果的分布概率图；
图4为实施例2中海底横波声速反演结果的分布概率图；
图5为实施例2中纵波声速衰减反演结果的分布概率图；
图6为实施例2中横波声速衰减反演结果的分布概率图；
图7为实施例2中海底密度反演结果的分布概率图；
图8为实施例2中沉积层厚度反演结果的分布概率图；
图9为实施例2中沉积层密度反演结果的分布概率图；
图10为实施例2中沉积层声速反演结果的分布概率图；
图11为实施例2中沉积层声速衰减反演结果的分布概率图；
图12为实施例2中频率为100Hz时反演与实测结果图；
图13为实施例2中频率为200Hz时反演与实测结果图；
图14为实施例2中频率为100Hz时反演与实测结果图。
附图标记说明：1-水上移动工具；2-计算机；3-报警器；4-矢量水听器。
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：
一种基于宽带垂直波阻抗的浅海地声参数反演方法，包括：
采用矢量水听器获取海洋声场信息参数，
海洋声场信息参数含有声阻抗率、声压场和振速；
将所述的海洋声场信息参数经运算后获取海底声学参数。
运算公式为：
Z＝p/v；
式中Z为声阻抗率，p为声压场，v为振速。
声阻抗率分为水平波阻抗Zr和垂直波阻抗Zz，其运算公式分别为：
从波阻抗的定义式可以看到，Z在计算中消除了声传播中波阵面几何扩展引起的能量损失和声源级S(ω)的影响；同时将声压场与振速场联合为一个物理量进行对比，便于同时利用两者所携带的声场信息。在远场条件下(ξlr>>1)，Zr和Zz可近似简化为：Zr≈ρ0ω/ξ0、Zz≈-iρ0ωZ0(z,ξ0)/[Z'0(z,ξ0)]。从两类近似结果可以看到：水平波阻抗Zr中仅有ξ0一项体现海底声学参数，而Zz中的Z(z,ξ0)及其导数均由海底声学参数决定。可以判定，声场中的波阻抗的垂直分量相比水平分量包含了更多的海底信息，即垂直波阻抗在反演中的对海底声学参数计算精准性提高效果更好，而且选用垂直波阻抗可减少矢量水听器的参数获取量，降低矢量水听器的工作量，还保证海底声学参数的精准性。
运用评判公式对Zz进行评判，设定带宽内、多个频率fi(i＝1-N)下，物理量参考真值为X1、比较值X2，两者相关系数ρXX'(f)，评判公式如下：
式中，r为各物理量在水平传输距离上的各接收点位置；
根据下表计算声场中物理量作为参考真值为X1，计算某一物理量对海底声学参数敏感度时，固定其他参数，变化该声学参数得到比较值X2；ρXX'体现了物理量参考真值X1与比较值X2间的差异，ρXX'越小，数据间的差异越大；当且仅当两组数据完全一致时ρ′XX'＝1。
利用小生境遗传算法对其在寻优区间内进行寻优求解得所需海底声学参数；
海底声学参数包括海底纵波声速、海底横波声速、纵波声速衰减、横波声速衰减、海底密度、沉积层厚度、沉积层密度、沉积层声速、沉积层声速衰减。
参见图1，矢量水听器4安置在海底且与水上移动工具1无线连接，水上移动工具1上分别连接有计算机2和报警器3。本发明采用计算机技术，将海底参数反演运算公式存储于计算机2中，并且远程无线接收矢量水听器4发出的海洋声场信息参数，运用反演运输公式获得海底声场参数，并且利用运算公式对获取的海底声场参数准确率进行评判，计算机根据反演获得的海底声学参数构建海岸预警系统，即将反演获取的海底声学参数与监测海域平时海底声学参数进行对比判断，反演获取的海底声学参数不在正常范围内，计算机2直接控制报警器3进行报警，实现海岸预警。
实施例2：
本发明的方法在实际海上实测数据应用：
参见图2所述为应用的海洋环境，并且根据具有弹性沉积层和弹性半无限海底的浅海海洋环境，运用实施例1所例方法获取了搜索值和反演结果，如表1及图3-11所示，还在所选海域进行实测，将实测结果与反演结果进行对比，如图12-14所示，结果显示反演结果与实测结果一致，证明本发明的方法通过将声压与垂直振速的联合处理更准确得到海底声学特性，构建海岸预警系统为沿海安全保障工作提供有效途径。
表1参数搜索区间与反演结果
地声参数 搜索区间 搜索结果(真值)
海底纵波声速c<sub>p</sub>/m·s<sup>-1</sup> 1000-2000 1771.377±15.497
海底横波声速c<sub>s</sub>/m·s<sup>-1</sup> 100-1000 462.934±18.916
纵波声速衰减α<sub>p</sub>/dB·λ<sup>-1</sup> 0-0.5 0.063±0.052
横波声速衰减α<sub>s</sub>/dB·λ<sup>-1</sup> 0-0.5 0.219±0.171
海底密度ρ<sub>b</sub>/g·cm<sup>-3</sup> 1-3 1.737±0.194
沉积层厚度d/m 1-3 1.926±1.047
沉积层密度ρ<sub>2</sub>/g·cm<sup>-3</sup> 1-2 1.706±0.022
沉积层声速c<sub>2</sub>/m·s<sup>-1</sup> 1000-2000 1614.752±9.722
沉积层声速衰减α<sub>2</sub>/dB·λ<sup>-1</sup> 0-0.5 0.056±0.014
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 (7)

1.一种基于宽带垂直波阻抗的浅海地声参数反演方法，其特征在于，包括：
采用矢量水听器获取海洋声场信息参数，
所述的海洋声场信息参数含有声阻抗率、声压场和振速；
将所述的海洋声场信息参数经运算后获取海底声学参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于宽带垂直波阻抗的浅海地声参数反演方法，其特征在于：所述运算公式为：
Z＝p/v；
式中Z为声阻抗率，p为声压场，v为振速。
3.根据权利要求2所述的一种基于宽带垂直波阻抗的浅海地声参数反演方法，其特征在于：所述声阻抗率分为水平波阻抗Zr和垂直波阻抗Zz，其运算公式分别为：
4.根据权利要求3所述的一种基于宽带垂直波阻抗的浅海地声参数反演方法，其特征在于：运用评判公式对垂直波阻抗进行评判，设定带宽内、多个频率fi(i＝1-N)下，物理量参考真值为X1、比较值X2，两者相关系数ρXX'(f)，评判公式如下：
式中，r为各物理量在水平传输距离上的各接收点位置；
计算声场中物理量作为参考真值为X1，计算某一物理量对海底声学参数敏感度时，
固定其他参数，变化该声学参数得到比较值X2；
利用小生境遗传算法对其在寻优区间内进行寻优求解得所需海底声学参数。
5.根据权利要求4所述的一种基于宽带垂直波阻抗的浅海地声参数反演方法，其特征在于：所述海底声学参数包括海底纵波声速、海底横波声速、纵波声速衰减、横波声速衰减、海底密度、沉积层厚度、沉积层密度、沉积层声速、沉积层声速衰减。
6.根据权利要求1所述的一种基于宽带垂直波阻抗的浅海地声参数反演方法，其特征在于：所述矢量水听器(4)安置在海底且与水上移动工具(1)无线连接，水上移动工具(1)上分别连接有计算机(2)和报警器(3)。
7.根据权利要求6所述的一种基于宽带垂直波阻抗的浅海地声参数反演方法，其特征在于：海洋声场信息参数经运算公式存储于计算机(2)中。
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