负跃层条件下浅海海底单参数反演技术

海底参数反演是获取海底声学特性一种经济高效的办法。近年来,课题组提出用小掠射角下海底反射损失随掠射角的变化率F_dB（dB·rad^-1）作为描述海底的单参数,建立了浅海均匀水层和负跃层水文条件下的海底单参数模型。负跃层单参数模型的建立,为海底单参数反演提供了新的设计思路。文章基于浅海负跃层海底单参数模型,设计海底单参数地声反演方法。首先对负跃层水文条件下浅海海底单参数模型进行简单的描述和介绍;然后在浅海负跃层单参数模型基础上,利用声传播损失对海底单参数进行反演;最后利用实验数据对反演方法的有效性进行了验证。     

利用匹配场方法反演海底单参数

用海底反射损失对掠射角的斜率作为单个参数描述海底可以简化地声反演过程,快速获得海底的地声性质。基于单参数模型及其相干声场的反射相位近似关系,利用匹配场处理技术反演海底性质。通过Hamilton地声模型中的密度声速关系,同时获得海底的密度和声速值。对2001年中美东海联合实验(ASIAEX 2001)实验数据进行了反演,获得海底地声参数。最后利用反演结果进行传播损失预报及海底沉积物辨别,其效果证实了基于单参数海底模型反演方法的有效性及实用性。     

浅海负跃层海底单参数模型研究

海底反射特性在浅海声传播中起着决定性的影响。用小掠射角下海底反射损失随掠射角变化率Fd B构建单参数模型可很好地描述浅海海底特性。对单参数模型进行深入研究和改进,建立了在浅海负跃层条件下描述水下声场的海底单参数模型,并利用数值仿真和海上实验数据,对浅海负跃层海底单参数模型水下声场预报的正确性进行了验证。     

浅海海底单参数模型分析与研究

介绍了单参数模型,提出以小掠射角下反射损失随掠射角的变化率Fd B作为描述海底性质的单参数,并分析研究了该海底单参数模型的适用性,分析得到,当频率不低于数十赫兹且海底沉积物类型属于高声速海底时,单参数模型可以用来描述海底性质。还研究了海水声速对于海底单参数模型描述水下声场的适用性的影响,结果表明,当海水声速剖面可以近似等效为均匀水层时,可用海底单参数模型对水下声场进行预报应用。     

基于深海声影区海底反射损失的地声参数反演方法

海底的声速、密度、衰减系数等地声参数,在声场预报、目标定位中十分重要。因地声参数原位测量和海底采样在深海中实施困难,需要寻找新的方法来获取地声参数。在深海声影区环境下,直达波会随着距离的增加而逐渐消失,一次反射波及多次反射波是对深海声影区声场起重要作用的多途信号。文章首先对声影区多途达到结构进行分析,利用多次比较法得到随掠射角变化的反射损失,并对海底地声参数进行反演,然后将反演的地声参数代入声场模型得到海底反射损失,将其与实验测量结果进行比较,结果吻合较好。并通过对反演过程的散点图和后验概率进行分析,证明了反演结果的可靠性。该方法可用于深海声影区的海底地声参数的反演。     

浅海相干声场的单参数海底模型建构

海底反射性质在浅海声传播中起着决定性的影响。利用海底反射损失对掠射角的斜率可作为单个参数F dB来描述海底这一前提,对平面波入射液态半无限空间的情况进行推导,提出一种基于简单近似表示反射相位角关系的算法。将单参数F dB以及反射相变作为计算模型的边界条件输入参数,对浅海相干声场进行计算,将适用范围推广到复杂声速和水平变化情况。通过对三种类型海底进行仿真,比较基本参数海底模型及单参数海底模型计算所得传播损失曲线,验证了所提包含反射相变关系的单参数模型的有效性。     

基于舰船噪声的海底单参数反演

利用舰船噪声进行地声参数反演是近年来的热门研究课题之一。目前大多数利用舰船噪声的反演方法依赖于多参数海底模型,而多维参数的求解加大了反演的复杂度,因此,基于海底单参数模型,提出一种使用舰船噪声作为声源的海底单参数反演方法。基于实验数据进行海底单参数反演,并用反演得到的结果,对实验海域的传播损失进行预报。最后,对海底单参数与频率的关系进行了拟合和研究,验证了反演方法的有效性。     

声波在海底的折射

低频声能传播的主要模式是很浅地穿过海底未固结沉积物的折射路径。成功地以海底折射模式来模拟传播需要沉积物厚度、声速和在沉积物中声衰减的知识。未固结沉积物可看作为水柱在海洋的声海底上的延伸,而这种海底就是未固结沉积物的基底。本文讨论了太平洋二个站位上所观测到的不同沉积物厚度的海底损失的结果。沉积物厚的站位在小掠射角时记下的海底损失较小,这是因为附加接收到经线的海底折射而来的声能。另方面,沉积物薄的站位在大掠射角时记下的海底损失较小,这是因为附加接收到出现在未固结沉积物基底上的次海底(Subbottom)反射的声能。     

由矢量水听器阵列反演浅海地声参数

基于矢量水听器能够比传统的声压水听器提供更多的声场信息,文章提供了一种利用矢量水听器阵列（AVS）进行浅海地声参数反演的方法。首先,对声场矢量的传播规律进行了研究;其次,利用矢量匹配场（MFP）方法进行了海底声速的反演：最后利用声压和质点垂直振速的传播损失差反演了海底吸收。基于矢量水听器的海底参数反演方法主要具有下述优点：一是利用矢量匹配场反演海底声速能够有效减小参数估计误差：二是利用声场矢量传播损失差进行海底吸收反演能够排除信号源级起伏对反演的干扰。实验结果表明,基于矢量水听器阵列的海底参数反演能够很好的进行声场传播预报工作。     

改进粒子滤波在海底地声参数反演中的应用

海底地声参数作为海洋声信道的重要组成部分,很大程度上决定了海洋声传播特性。地声参数可以通过反演算法获得,与距离相关的地声反演问题近年来是研究的热点。粒子滤波是一种高效的序贯寻优算法,可以在海底声学特性随距离缓慢变化情形下,有效解决地声参数的估计问题。但当海底声学特性随距离变化剧烈,如沉积层分层情况发生改变时,传统的粒子滤波则可能失效。为解决此问题,有文献使用了带桥接重采样的粒子滤波反演地声参数。文章在此基础上进一步改进了粒子的采样方式,并将此方法应用到基于海底反射系数的反演中。通过仿真数据处理结果证明,文中提出的改进粒子滤波在地声参数随距离变化剧烈的情况下仍具有较好性能,可以准确地估计海底特性随距离的变化规律和海底沉积层的声学参数。     

掩埋物体的小掠角散射声场与回波信混比

探测掩埋物体的水声系统,通常是在一定距离之外以小掠角声波扫描海底的方式工作,现有的射线声学模型已不能进行系统性能预报。采用波数积分模型和等效源建模方法,将声波在介质中的传播和掩埋物体的散射场计算融为一体,可以高精度地进行各种形状物体、不同声波束和任意掩埋状态下的三维散射场计算。利用开发的声场模型,计算出了典型球壳的等效目标强度和信号混响比随频率、掠射角及掩埋深度的关系曲线。在此基础上,提出一种基于时反聚焦发射、水下移动平台接收的双基地探测设想,并采用开发的声场模型验证了其正确性。     

一种声线修正的查表方法

在利用时延测距的水声定位系统中,由于在海洋中存在声速梯度,声线传播发生弯曲,为了提高定位精度,提出了一种声线修正的查表方法。由射线声学理论可知,声传播距离和时间都是声线初始掠射角的函数,在声源深度、接收深度和声速分布已知的情况下,对每一个初始掠射角,必有唯一一个传播时间和距离与它相对应,根据声线的这一特征,可以用查表法通过声传播时间来确定相应的传播距离。通过建立传播时延与声源与接收机的水平距离的对应关系表,利用声线在水平面的投影水平距离通过圆交汇解算出目标的位置,而不是利用声线弯曲的斜距进行球面交汇解算出目标的位置。仿真和海试结果表明,在复杂水文条件下,该方法能有效提高水声定位精度。     

波导不变量和航向角联合估计方法研究

波导不变量是一个与环境特性和传播特性有关的物理量,对其准确估计有重要意义.结合LOFAR图和方位-时间历程图,提出了利用Hough变换进行波导不变量和目标航向角联合估计算法,该算法无需知道运动目标的距离信息,不要求目标有最近通过距离.提出了综合Hough变换参数估计算法,较提取单条纹参数估计算法有更好的稳健性,但增加了计算开销.仿真研究和海试数据分析均验证了算法的可行性,并表明该参数估计算法有较高的估计精度.