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

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A passive acquisition method of seabed sound velocity based on vertical velocity signal of noise field

The present invention relates to a method of passive acquisition of seabed sound velocity based on vertical velocity signal of noise field. Firstly, a prediction model of vertical coherence characteristics of vector signal of marine environmental noise field is established. Aiming at the three elements of inversion, optimization algorithm, forward modeling and cost function, an inversion model of seabed sound velocity based on vertical coherence characteristics of vertical velocity signal of noise field is given, and the vertical coherence of noise field is selected. Coherence is used to invert the sound velocity of the seabed. The acoustic parameters of the seawater can be obtained by actual measurement, the geological types of the experimental seabed can be roughly obtained by using the seabed geological database, the search range of the seabed parameters can be determined by looking up tables, and the theoretical results of the vertical coherence characteristics of the noise field under a set of geoacoustic parameters can be obtained by searching through genetic algorithm, which are in good agreement with the measured results, and the parameters can be approximated. It is considered to be the actual underwater acoustic parameters.

【技术实现步骤摘要】
一种基于噪声场垂直振速信号的海底声速被动获取方法
本专利技术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。
技术介绍
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，从而引出本专利技术的意义。(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。本专利技术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，本专利技术就采用两个垂直振速水听器来被动反演海底声速。
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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：

【技术特征摘要】
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，um(z)和u′m(z)为第m阶本征函数在深度z处的值及其导数，km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,ΔTK)和X2(f,ΔTK)分...

【专利技术属性】
技术研发人员：周建波，杨益新，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61