基于沉积层形成机理的陆坡海域海底地声参数获取方法技术

本发明专利技术公开了一种基于沉积层形成机理的陆坡海域海底地声参数获取方法，包括：步骤1)从待探测的陆坡海域区域中选定一条等深线，然后确定平行于等深线方向的S1S3测线和垂直于等深线方向的S2S4测线；两条测线相交于测线的中点O1；步骤2)根据S1S3测线上的海底声学参数的均匀分布特性，获取S1S3测线上的海底地声参数，从而得到中点O1的海底地声参数；步骤3)根据中点O1的海底地声参数，以及S2S4测线上的海底地声参数的分段分布特性，分段计算S2S4测线上的海底地声参数；步骤4)根据平行于等深线方向的海底地声参数的均匀分布特性，将S2S4测线上的每一段海底地声参数按平行于等深线方向进行扩展，由段及带，由带及面，获取待探测的陆坡海域区域的海底地声参数。坡海域区域的海底地声参数。坡海域区域的海底地声参数。

【技术实现步骤摘要】
基于沉积层形成机理的陆坡海域海底地声参数获取方法


[0001]本专利技术涉及水声物理领域，具体涉及基于沉积层形成机理的陆坡海域海底地声参数获取方法。

技术介绍

[0002]海底声学参数在水下目标定位、环境监测等方面都是极为重要的水声参数，而陆坡过渡海域作为非典型深海大洋环境，海底底质类型分布变化多样，现场直接测量的方法难以满足实际应用中快速获取大面积海底参数的需求。因此，利用声学反演方法来获取海底地声参数并进行海底地声建模的研究得到了国内外学者的广泛关注。目前常用的地声反演方法是匹配场反演方法和声传播损失最小二乘方法，但是都是基于单点、单线进行，不能快速获取大面积海底地声参数。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于克服上述技术缺陷，提出一种基于沉积层形成机理的陆坡海域海底地声参数获取方法，该方法从沉积层的形成机理出发，建立陆坡海域的海底地声模型，以明确的物理意义保障所建立的海底模型的可解释性和可验证性；首先通过传统的匹配场和声传播损失最小二乘法，对平行于海区等深线方向的测线进行地声反演；其次，基于沉积层的环陆分布和环带分布特性，对垂直于海区等深线方向的测线进行分段地声反演；最后，基于沉积层的环陆分布和环带分布特性，由段及带，由带及面，可实现陆坡海域大面积海底地声参数的获取。
[0004]为实现上述目，本专利技术提出了一种基于沉积层形成机理的陆坡海域海底地声参数获取方法，所述方法包括：
[0005]步骤1)从待探测的陆坡海域区域中选定一条等深线，然后确定平行于等深线方向的S1S3测线和垂直于等深线方向的S2S4测线；两条测线相交于测线的中点O1；
[0006]步骤2)根据S1S3测线上的海底声学参数的均匀分布特性，获取S1S3测线上的海底地声参数，从而得到中点O1的海底地声参数；
[0007]步骤3)根据中点O1的海底地声参数，以及S2S4测线上的海底地声参数的分段分布特性，分段计算S2S4测线上的海底地声参数；
[0008]步骤4)根据平行于等深线方向的海底地声参数的均匀分布特性，将S2S4测线上的每一段海底地声参数按平行于等深线方向进行扩展，由段及带，由带及面，从而获取待探测的陆坡海域区域的海底地声参数。
[0009]作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体包括：
[0010]海底地声参数反演是通过测量数据所携带的海底信息来反推海底模型参数，其代价函数E1(m)为宽带非相干Bartlett匹配器：
[0011][0012]式中，m为待反演的参数向量,包含沉积层厚度、沉积层声速和基底层声速三个量；N
f
代表频率点数，H代表复共轭转置，p
n
和q
n
(m)分别为垂直阵接收的第n个频点的声压场向量和拷贝场向量；
[0013]在使用宽带非相干Bartlett匹配处理时，首先将海底衰减系数的经验值作为海底衰减系数α；按m的经验值给出m的搜索区间，使用模拟退火算法在区间上进行搜索，当(1)式中代价函数取最小值时，m值即为待反演的参数向量的最优解；
[0014]然后用传播损失最小二乘法反演海底衰减系数α：将m的最优解及实测水文参数作为声场模型的输入，得到数值仿真的不同距离r不同频点上的传播损失另外，通过海上试验数据计算得到距离r在不同频点上的传播损失
[0015]代价函数E2为：
[0016][0017]其中，和分别每一个频点的1/3倍频程上平均值；N代表待反演的测线或测段上的爆炸声源总数，n代表爆炸声源的序号，n＝1,2
…
N；海底衰减系数α的初始值为经验值，在α值的经验区间上进行遍历法搜索，当代价函数E2取得最小值时，此时的α值为海底衰减系数的最优解；
[0018]则S1S3测线上的海底声学参数为待反演的参数向量m的最优解和海底衰减系数α的最优解，O1点的海底声学参数即为S1S3测线上的海底声学参数。
[0019]作为上述方法的一种改进，所述步骤3)具体包括：
[0020]步骤3
‑
1)将O1点的海底声学参数及O1S2测线上的实测水文参数同时输入到声场计算模型中，得到仿真传播损失曲线；当在某一个距离以及大于该距离上，仿真传播损失值与实测传播损失值的差的绝对值大于第一阈值，将此距离记为r1：
[0021]当r1＝0时，认为此时O1点的海底分层数不足以描述O1S2测线上的实际海底分层，需要增加海底的分层。这是由于在坡度较陡的海域，声传播问题需要考虑大掠射角的声线，一般需要增加海底分层。因此在陡坡斜率大于第二阈值的距离内，增加海底分层。并将此距离记为r1′
，对应的测点为T1，段1为O1点与T1点之间的测段。每增加一层海底分层i，i≥3，相当于海底参数向量m在原来的基础上增加两个新的元素：层i中的声速c
i
和层i
‑
1的厚度h
i
‑1，将m更新为m
′
，再通过代价函数E1(m
′
)重新寻找段1上的c
i
值和h
i
‑1值的最优解，不断迭代，直到将m
′
的值和O1点上α值的最优解及O1S2测线上的实测水文参数同时输入到声场计算模型中，得到的仿真传播损失值与实测传播损失值使得段1上的代价函数E2小于第三阈值；m
′
值和O1点上α值的最优解就是段1上的海底声学参数；
[0022]当r1＞0时，r1距离对应的测点为T1，说明在T1点海底声学参数发生了变化，段1为O1点与T1点之间的测段，段1上的海底声学参数即为O1点的海底声学参数；
[0023]段2为T1点与S2点之间的测段，在段2的区域内，重新执行步骤2)：通过代价函数E1(m)重新寻找段2上的m值的最优解，通过代价函数E2重新寻找段2上的α值的最优解；将段1
的海底声学参数、段2上m值及α值的最优解及O1S2测线上的实测水文参数同时输入到声场计算模型中，当得到的仿真传播损失值与实测传播损失值使得段2上的代价函数E2小于第三阈值时，则段2上m值及α值的最优解就是段2的海底声学参数；当得到的仿真传播损失值与实测传播损失值使得段2上的代价函数E2不小于第三阈值，认为此时的海底分层不足以描述段2上的实际海底分层，需要增加海底分层，每增加一层海底分层i，i≥3，相当于海底参数向量m在原来的基础上增加两个新的元素：层i中的声速c
i
和层i
‑
1的厚度h
i
‑1，将m值更新为m
′
，然后重新执行步骤2)：通过代价函数E1(m
′
)重新寻找段1上的c
i
值和h
i
‑1值的最优解，不断迭代，直到将段1的海底声学参数、段2上m
′
值及α值的最优解及O1S2测线上的实测水文参数同时输入到声场计算模型中，得到的仿真传播损失值与海上试验实测传播损失值使得段2上的代价函数E2小于第三阈本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于沉积层形成机理的陆坡海域海底地声参数获取方法，所述方法包括：步骤1)从待探测的陆坡海域区域中选定一条等深线，然后确定平行于等深线方向的S1S3测线和垂直于等深线方向的S2S4测线；两条测线相交于测线的中点O1；步骤2)根据S1S3测线上的海底声学参数的均匀分布特性，获取S1S3测线上的海底地声参数，从而得到中点O1的海底地声参数；步骤3)根据中点O1的海底地声参数，以及S2S4测线上的海底地声参数的分段分布特性，分段计算S2S4测线上的海底地声参数；步骤4)根据平行于等深线方向的海底地声参数的均匀分布特性，将S2S4测线上的每一段海底地声参数按平行于等深线方向进行扩展，由段及带，由带及面，从而获取待探测的陆坡海域区域的海底地声参数。2.根据权利要求1所述的基于沉积层形成机理的陆坡海域海底地声参数获取方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：海底地声参数反演是通过测量数据所携带的海底信息来反推海底模型参数，其代价函数E1(m)为宽带非相干Bartlett匹配器：式中，m为待反演的参数向量,包含沉积层厚度、沉积层声速和基底层声速三个量；N
f
代表频率点数，H代表复共轭转置，p
n
和q
n
(m)分别为垂直阵接收的第n个频点的声压场向量和拷贝场向量；在使用宽带非相干Bartlett匹配处理时，首先将海底衰减系数的经验值作为海底衰减系数α；按m的经验值给出m的搜索区间，使用模拟退火算法在区间上进行搜索，当(1)式中代价函数取最小值时，m值即为待反演的参数向量的最优解；然后用传播损失最小二乘法反演海底衰减系数α：将m的最优解及实测水文参数作为声场模型的输入，得到数值仿真的不同距离r不同频点上的传播损失另外，通过海上试验数据计算得到距离r在不同频点上的传播损失代价函数E2为：其中，和分别每一个频点的1/3倍频程上平均值；N代表待反演的测线或测段上的爆炸声源总数，n代表爆炸声源的序号，n＝1,2
…
N；海底衰减系数α的初始值为经验值，在α值的经验区间上进行遍历法搜索，当代价函数E2取得最小值时，此时的α值为海底衰减系数的最优解；则S1S3测线上的海底声学参数为待反演的参数向量m的最优解和海底衰减系数α的最优解，O1点的海底声学参数即为S1S3测线上的海底声学参数。3.根据权利要求2所述的基于沉积层形成机理的陆坡海域海底地声参数获取方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：
步骤3
‑
1)将O1点的海底声学参数及O1S2测线上的实测水文参数同时输入到声场计算模型中，得到仿真传播损失曲线；当在某一个距离以及大于该距离上，仿真传播损失值与实测传播损失值的差的绝对值大于第一阈值，将此距离记为r1：当r1＝0时，在陡坡斜率大于第二阈值的距离内，增加海底分层；并将此距离记为r1′
，对应的测点为T1，段1为O1点与T1点之间的测段；每增加一层海底分层i，i≥3，相当于海底参数向量m在原来的基础上增加两个新的元素：层i中的声速c
i
和层i
‑
1的厚度h
i
‑1，将m更新为m
′
，再通过代价函数E1(m
′
)重新寻找段1上的c
i
值和h
i
‑1值的最优解，不断迭代，直到将m
′
的值和O1点上α值的最优解及O1S2测线上的实测水文参数同时输入到声场计算模型中，得到的仿真传播损失值与实测传播损失值使得段1上的代价函数E2小于第三阈值；m
′
值和O1点上α值的最优解就是段1上的海底声学参数；当r1＞0时，r1距离对应的测点为T1，说明在T1点海底声学参数发生了变化，段1为O1点与T1点之间的测段，段1上的海底声学参数即为O1点的海底声学参数；段2为T1点与S2点之间的测段，在段2的区域内，重新执行步骤2)：通过代价函数E1(m)重新寻找段2上的m值的最优解，通过代价函数E2重新寻找段2上的α值的最优解；将段1的海底声学参数、段2上m值及α值的最优解及O1S2测线上的实测水文参数同时输入到声场计算模型中，当得到的仿真传播损失值与实测传播损失值使得段2上的代价函数E2小于第三阈值时，则段2上m值及α值的最优解就是段2的海底声学参数；当得到的仿真传播损失值与实测传播损失值使得段2上的代价函数E2不小于第三阈值，认为此时的海底分层不足以描述段2上的实际海底分层，需要增加海底分层，每增加一层海底分层i，i≥3，相当于海底参数向量m在原来的基础上增加两个新的元素：层i中的声速c
i
和层i
‑
1的厚度h
i
‑1，将m值更新为m
′
，然后重新执行步骤2)：通过代价函数E1(m
′
)重新寻找段1上的c
i
值和h
i
‑1值的最优解，不断迭代，直到将段1的海底声学参数、段2上m
′
值及α值的最优解及O1S2测线上的实测水文参数同时输入到声场计算模型中，得到的仿真传播损失值与海上试验实测传播损失值使得段2上的代价函数E2小于第三阈值；此时，m
′
值和O1点上α值的最优解就是段2上的海底声学参数；步骤3
‑
2)将段1的海底声学参数、段2的海底声学参数及O1S2测线上的实测水文参数同时输入到声场计算模型中，得到仿真传播损失曲线；当在某一个距离以及大于该距离上，仿真传播损失值与实测传播损失值的差的绝对值大于第一阈值，将此距离记为r2，对应的测点为T2，说明在T2点海底声学参数发生了变化，将段2更新为与T1点与T2点之间的测段，段3为T2点与S2点之间的测段；则T2点是“段2与段3”之间的“连接过渡点”：在段3的区域内，重新执行步骤2)：即通过代价函数E1(m)重新寻找段3上的m值的最优解，通过代价函数E2重新寻找段3上的α值的最优解；将段1的海底声学参数、段2的海底声学参数、段3上m值及α值的最优解及O1S2测线上的实测水文参数同时输入到声场计算模型中，当得到的仿真传播损失值与实测传播损失值使得段3上的代价函数E2小于第三阈值时，认为段3上m值及α值的最优解就是段3的海底声学参数；当得到的仿真传播损失值与实测传播损失值使得段3上的代价函数E2不小于第三阈值时，认为此时的海底分层不足以描述段3上的实际海底分层，这时需要增加海底分层，每增加一层海底分层i，i≥3，相当于海底参数向量m在原来的基础上增加两个新的元素：层i中的声速c
i
和层i
‑
1的厚度h
i
‑1，将m值更新为m
′
，并且重新执行步骤2)：通过代价函数E1(m
′
)重新寻找段3上的c
i
值和h
i
‑1值的最优解，不断迭代，直到将段1的海底声学参数、段2的海底声学参数、段3上m
′
值及α值的最优解及O1S2
测线上的实测水文参数同时输入到声场计算模型中，得到的仿真传播损失值与实测传播损失值使得段3上的代价函数E2小于第三阈值；此时，m
′
值和O1点上α值的最优解就是段3上的海底声学参数；步骤3
‑
3)令迭代次数j的初始值为3；步骤3
‑
4)将段1的海底声学参数、段2的海底声学参数、
…
、段j的海底声学参数及O1S2测线上的实测水文参数同时输入到声场计算模型中，得到仿真传播损失曲线；当在某一个距离以及大于该距离上，仿真传播损失值与实测传播损失值的差的绝对值大于第一阈值，将此距离记为r
j
，对应的测点为Tj，说明在此处海底声学参数发生了变化，将段j更新为与Tj
‑
1点与Tj点之间的测段，段j+1为Tj点与S2点之间的测段，即Tj是“段j与段j+1”之间的“连接过渡点”，进入步骤3
‑
5)；若所有仿真传播损失值与海上试验实测传播损失值的差的绝对值均不大于第一阈值，转入步骤3
‑
6)；步骤3
‑
5)在段j+1上，重新执行步骤2)：即通过代价函数E1(m)重新寻找段j+1上的m值的最优解，通过代价函数E2重新寻找段j+1上的α值的最优解；将段1的海底声学参数、段2的海底声学参数、
…
、段j+1的m值及α值的最优解及O1S2测线上的实测水文参数同时输入到声场计算模型中，当得到的仿真传播损失值与实测传播损失值使得段j+1上的代价函数E2小于第三阈值时，认为段j+1上m值及α值的最优解就是段j+1的海底声学参数；当得到的仿真传播损失值与实测传播损失值使得段j+1上的代价函数E2不小于第三阈值时，认为此时的海底分层不足以描述段j+1上的实际海底分层，这时需要增加海底分层，每增加一层海底分层i，i≥3，相当于海底参数向量m在原来的基础上增加两个新的元素：层i中的声速c
i
和层i
‑
1的厚度h
i
‑1，将m值更新为m
′
，并且重新执行步骤2)：通过代价函数E1(m
′
)重新寻找段j+1上的c
i
值和h
i
‑1值的最优解，不断迭代，直到将段1的海底声学参数、段2的海底声学参数、
…
、段j+1上m
′
值及α值的最优解及O1S2测线上的实测水文参数同时输入到声场计算模型中，得到的仿真传播损失值与实测传播损失值使得段j+1上的代价函数E2小于第三阈值；此时，m
′
值和O1点上α值的最优解就是段j+1上的海底声学参数；j+1后转入步骤3
‑
4)；步骤3
‑
6)迭代结束，获取O1S2上垂直于带状分布的步进式的海底声学参数；步骤3
‑
7)分段获取O1S4测线上的海底声学参数；由此得到S2S4测线上的海底声学参数。4.一种基于沉积层形成机理的陆坡海域海底地声参数获取系统，其特征在于，所述系统包括：测线确定模块、S1S3测线海底地声参数计算模块、S2S4测线海底地声参数计算模块和待探测区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：鹿力成，姚美娟，马力，郭圣明，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：