一种基于可靠声路径的深海地声参数反演方法技术

本发明专利技术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，本发明专利技术中获取的实验数据信噪比高，反演方法稳健性好。

A deep sea geo acoustic parameter inversion method based on reliable sound path

The invention relates to a deep sea acoustic parameter inversion method based on the reliable sound path. First, the single hydrophone is placed near the bottom of the critical depth of the deep sea. The ship is navigating in the investigation sea, and the sound source signal is transmitted, and the experimental data of the deep sea are collected. After receiving the hydrophone near the bottom of the sea bottom, the multipath signal is obtained by the sound source target, and the multipath information of the direct and submarine reflected waves is extracted and the reflection loss of the sea bottom is calculated with the change of the grazing angle. Finally, the parameters of the seabed are retrieved from the model simulated seabed loss. Compared with the existing technology, its advantages are: no need for large aperture array, easy to arrange. By using the stable physical phenomenon of \interference\ between layers and layers of different frequencies, the underwater acoustic parameters of large depth sea area are retrieved through experimental data processing and seabed modeling and simulation. The experimental data obtained in this invention have high signal-to-noise ratio and good robustness in the inversion method.

【技术实现步骤摘要】
一种基于可靠声路径的深海地声参数反演方法
本专利技术属于水声工程、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。
技术介绍
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“Areliableacousticpath:Physicalpropertiesandasourcelocalizationmethod”，该文2012年发表在《ChinesePhysicsB》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。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术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c1(m/s)1450-16001551.28沉积层衰减系数α1(dB/λ)0-10.37沉积层密度ρ1(g/cm3)1-21.53沉积层厚度h(m)0-2010.29基底层声速c2(m/s)1550-18001614.47基底层衰减系数α2(dB/λ)0-10.49基底层密度ρ2(g/cm3)1-21.96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。有益效果本专利技术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是本专利技术方法从SimpleOceanDataAssimilation数据库提取的实验海域的声速剖面。图2是本专利技术方法实验几何配置。图3是本专利技术方法深度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是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术方法深海实验数据提取的水声信号多途信息。图7是本专利技术方法频率为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是本专利技术方法反演过程的散点图。图9是本专利技术方法代价函数的收敛过程图。图10是本专利技术方法反演结果的后验概率图。具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：本实施例图1给出了从SimpleOceanDataAssimilation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。为说明本专利技术的物理原理，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，计本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨坤德，徐丽亚，段睿，刘鸿，杨秋龙，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61