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距离域干涉谱反演海底参数方法研究
编辑时间: 2015-09-25 来源: 作者: admin 浏览次数: 2997 次

吕 杨1 何青海2 储泽国3

(1.中国人民解放军海军蚌埠士官学校,安徽 蚌埠 233012;2.中国人民解放军海军潜艇学院,山东 青岛 266042;3.中国人民解放军海军91388部队92分队,广东 湛江 524022)

 

  【摘 要】浅海多途效应形成了在距离-频率平面的干涉谱图,本文利用距离域干涉谱提取干涉准周期作为反演匹配物理量,在单无限均匀海底模型的基础上,以最小均方差原则建立代价函数,通过模拟退火法搜索最优解,提出一种海底参数反演方法。仿真结果表明,该方法反演所得参数在典型负跃层剖面下能有效地用于声场预报。

  【关键词】距离域;干涉谱图;浅海;地声反演;声场预报

Geoacoustic Characterization Research Based on the Range Domain Interference Spectrum

LV Yang1 HE Qing-hai2 CHU Ze-guo3

(1.Bengbu Navy Petty Officer Academy,Bengbu Anhui 233012,China; 2.Naval Submarine Academy,Qingdao Shandong 266042,China;3.92 Unit of 91388 Naval,Zhanjiang Guangdong 524022,China)

  【Abstract】Coherent structure has been leaded by multipath propagation in a shallow-water environment in the received field, both spatially and temporally. In this paper, range domain interference spectrum extraction cycle is used as a matching physical quantity. On the basis of single homogeneous infinite ocean model, the optimal solution has been searched through the simulated annealing method which established with minimum mean square error cost function, and a seafloor parameters inversion method has been put forward. Simulation results show that the method of inversion obtained parameters can be effectively applied to acoustic field prediction.

  【Key words】Range domain; Interference spectrum; Shallow water; Inversion; Acoustic field prediction

 

0 引言

  在浅海中,海底参数对声传播特性的影响很大,快速有效地获得海底参数,对浅海声场预报及匹配场定位[1]等问题都具有重要意义。由于浅海的多途效应,在远场产生了距离-频率平面的干涉条纹,浅海声场干涉图案中蕴含了海洋环境和声源的信息。本文提出一种基于浅海远场干涉谱图分析的海底参数的反演方法。

1 距离域干涉谱

  水平无关的分层浅海波导中,远场条件下,点声源辐射的声压场可以表示为各号简正波的累加,对于声强有:

  ■(1)

  其中,

  ■(2)

  式(1)中r为声源到接收器的水平距离;zs和z分别为声源和接收器的深度;ψn(z)为n号简正波的本征函数;kn和βn分别为n号简正波的水平波数和衰减系数。第1项为非相干项,随距离和频率缓慢变化;第2项为相干项,由于各号简正波之间相互干涉,相干项会随距离出现振荡。当声源频率较低时,激发的简正波的号数较少,相干项会在距离-频率平面上表现出明显的干涉条纹。从式(1)进行分析,对于某一固定频率,声场随着距离的分布,有一定的周期性,即

  ■(3)

  式中,δr表示目标声源产生的声场声强值在距离坐标上的周期值,当然这一周期对应第m号和第n号简正波的干涉效果,不同的简正波模态对应不同的周期分布,我们把这种干涉周期分布称为距离域干涉谱[2-3]。对于某一频率点对应的距离域干涉谱,本文将相邻条纹距离差的平均值定义为距离域干涉准周期。

2 地声模型的建立

  图1给出了三种典型的浅海海底模型,本文采用的是第一种地声模型,选取压缩波声速、沉积层密度以及海底衰减系数作为反演参数,均匀海底层具有待反演参数少的特点。

3 代价函数的建立

  本文利用最小均方差准则建立代价函数[4],具体公式如下:

  ■(4)

  式中N表示频率点数;■表示某一频率对应的实验数据值;■表示某一频率正向声场计算值。最优组合即为A取得最小值时对应的沉积层密度、压缩波声速以及衰减系数。

4 仿真分析

4.1 构造实验端

  本文仿真的海洋环境声速剖面为负跃层声速剖面,15m~20m处有负跃层,如图2(a)所示。声源深度为3m,接收端深度为25m。通过加噪,在实际参数组合为:沉积层密度为1.6g/cm3,压缩波声速为1600m/s,衰减系数为0.15dB/λ情况下产生信噪比较低的距离-频率干涉谱图,作为得到的实验数据端结果,如图2(b)所示。通过分析处理此图来反演海底参数。

4.2 实验分析

  采用TV降噪方法[5]对接收端数据进行降噪,如图3所示,对降噪后的干涉谱图进行分析。

  从200Hz到300Hz每隔10Hz取一个频率点,采用滤波法处理实验端数据。例如当f=200Hz时,水平距离声场分布如图4(a)所示,经过滤波后得到图4(b)。从图4(b)计算得到实验端200Hz时距离域干涉准周期,其他频率点处理方法相同。将得到的实验端数据值和前向声场计算值代入式(4),可得到不同地声参数组合代价函数值。本文采用的地声模型为单无限均匀沉积层,搜索的地声参数组合中沉积层密度取值范围为:1.2g/cm3~1.8g/cm3;压缩波声速的取值范围为:1500m/s~1700m/s;衰减系数的取值范围为:0~3dB/λ。

4.3 实验结果

  本文采用模拟退火法作为代价函数最优解搜索策略,搜索结果为表1所示。

  为观测反演参数在预报声场方面效果情况,将反演海底参数组合与实际海底参数组合代入Kraken模型进行200Hz~300Hz宽带平均传播损失的预报,如图5所示,其中带箭头标识的为反演参数预报结果。通过对比,差值在2dB左右,因此在预报声场宽带平均传播损失方面,反演的海底参数组合效果较好。

5 结论

  本文利用浅海距离域干涉谱相关理论,通过干涉准周期这一物理量进行匹配,提出了一种新的地声参数反演方法,从仿真结果对比可得到以下结论:

(1)本文方法反演沉积层密度以及压缩波声速效果较好,反演海底衰减系数效果一般。

(2)从实际传播损失与预报传播损失对比来看,本文方法在典型的负跃层剖面下声场预报方面有较好的应用价值。

 

【参考文献】

[1]Tolstory A,Linearization of the matched field processing approach to acoustic tomography[J]. J.Acouat.Soc.Am. 1992, 91(2): 781-787.

[2]G.L. D’Spain and W .A .Kuperman, Application  of  waveguide invariants to analysis of spectrograms from shallow  water  environments  that  vary in range and azimuth, [J].J. Acoust. Soc. Amer., vol.106, pp:2454-2470,  1999.

[3]Jensen  F  B, Kuperman W A, Porter M B et al. Computatinal ocean acoustics[M]. New York: AIP Press, 1994: 271-341.

[4]K.D.Heaney, Rapid geoacoustic characterization using a surface ship of opportunity[J], IEEE.J.Oceanic Eng, vol.29,pp. 88-99, Jan. 2004.

[5]李世进. 数字图像的平滑处理[J].湖南科技学院学报, 2008,29(12):23-24.

 

[责任编辑:曹明明]



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