基于海底混响和传播损失的深海海底参数反演方法与流程

本发明涉及一种利用海底混响和传播损失对深海海底参数进行反演的方法，适用于深海环境，属于水声工程、海洋工程和声纳技术等领域。

背景技术：

在深海环境中，海底的声学特性参数(如海底声速、密度和衰减系数)对声传播起着重要影响。深海原位测量与海底采样的难度和成本都增加，且往往只能获得局部的海底参数，而大范围的海底采样在深海环境中几乎不可能。因此获取深海海底参数的方法有限，海底地声参数反演是可行的手段之一。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。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的分层厚度，密度和声速，但对海底衰减系数不敏感。由于声传播特性的不同，许多浅海的地声反演方法在深海不再适用，且没有一种反演方法能够同时反演出海底声速、密度和衰减系数。

混响信号是声传播过程中海洋和沉积层中介质的非均匀性、海面/海底界面起伏引起的所有散射信号的集合。深海海底混响与海底参数有着密切的关系。深海多途信号之间的时延差大于浅海，因此可从水声信号中获得相对“纯净”的海底混响用于海底参数的反演。当收发合置时，声源与接收水听器位于同一位置，故单基地混响主要由后向散射起主要作用。当收发分置时，声源与接收水听器可位于同一垂线的不同深度，或者相距一定的距离。本发明采用声源与接收水听器相距一定的距离，接收到的混响信号主要是由侧向散射和前向散射引起的。经研究发现，海底混响强度随时间的衰减规律对声速和密度存在一定的敏感性，随距离变化的传播损失对声衰减系数存在一定的敏感性。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于海底混响和传播损失的深海海底参数反演方法，为获取深海海底参数提供有效的技术方法。

技术方案

一种基于海底混响和传播损失的深海海底参数反演方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将单水听器布放入水，船只走航，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，捞取单水听器获得海底混响和传播损失实验数据；

步骤2：建立海底模型：在海洋空间建立三维坐标系，其中声源S位于(0,0,z_s)，单水听器R位于(r_r,0,z_r)，任意散射体的位置位于(x_b,y_b,0)，θ_ij是第j个散射体的入射掠射角，θ_sj是散射掠射角，是散射波的方向角；7个海底参数：海底密度ρ，海底声速c_p，海底衰减系数α_λ，海底表面粗糙度谱强度w₂和谱指数γ₂，海底不均匀性谱强度w₃和谱指数γ₃；

步骤3：基于步骤2的海底模型对深海海底混响进行理论建模：

RL_model(f,z_s,z_r,t_j)＝Intensity(f,z_s,z_r,t_j)+NL(f,z_r) (1)

$Intensity(f,z_s,z_r,t_j)=\frac{I_0\·{\mathrm{\σ}}_j\·{\mathrm{\δA}}_j}{c_w^4\·{(t_{sj}\·t_{rj})}^2}\·{10}^{-{\mathrm{\α}}_w\·c_w\·t_j/10}---\left(2\right)$

t_j＝t_sj+t_rj (3)

其中，RL_model(f,z_s,z_r,t_j)为理论混响级，Intensity(f,z_s,z_r,t_j)为混响强度；f是信号的中心频率，NL是接收深度为z_r、频率为f时的海洋噪声强度，I₀是声源级，c_w是海水中的声速，α_w是海水的吸收，t_sj和t_rj分别是声源到散射点和散射点到接收水听器的时间，σ_j是散射截面，δA_j是散射体的声照射区，t_j与不同散射体传播时间的关系满足公式(4)；

步骤4：对深海海底混响实验数据进行带宽为100Hz滤波处理：

RL_exp(f,z_s,z_r,t_j)＝20log₁₀(V_eff(t_j))-m_v-10log₁₀(Δf) (4)

其中，RL_exp(f,z_s,z_r,t_j)是实验混响级，V_eff是有效电压值，m_v是水听器灵敏度，Δf是滤波器的频带宽度；

步骤5：采用多频联合反演，建立用于反演海底密度的代价函数：

$E(\mathrm{\ρ},w_2,{\mathrm{\γ}}_2,w_3,{\mathrm{\γ}}_3)=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}|{\mathrm{RL}}_{\exp }(f_i,z_s,z_r,t_j)-{\mathrm{RL}}_{\mathrm{mod}el}(f_i,z_s,z_r,t_j,\mathrm{\ρ},w_2,{\mathrm{\γ}}_2,w_3,{\mathrm{\γ}}_3){|}^2---\left(5\right)$

其中，m是用于反演的频率的个数，n是混响建模中散射体的个数；采用并行粒子群遗传优化算法，计算m个频率下的累积最小平方和误差，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最优值；海底声速由Hamilton经验公式得到：

c_p＝2330.4-1257.0ρ+487.7ρ² (6)

步骤6：将步骤5反演获得的海底密度和海底声速作为已知信息，建立用于反演衰减系数的代价函数：

$E_{\mathrm{\λ}}\left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ}}\right)=\underset{k=1}{\overset{l}{\Σ}}|{\mathrm{TL}}_{\exp }(f,z_s,z_r,r_{rk})-{\mathrm{TL}}_{\mathrm{mod}el}(f,z_s,z_r,r_{rk},{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ}}){|}^2---\left(7\right)$

其中，l是爆炸声源的个数，TL_exp(f,z_s,z_r,r_rk)是传播损失测量值，TL_model(f,z_s,z_r,r_rk,α_λ)是传播损失的模型计算值，代价函数取最小值时为海底衰减系数反演值。

单水听器可替换为具有多个水听器组成的阵列。

水听器数量范围是1-100个，组成直线阵或圆环阵。

有益效果

本发明提出的一种基于海底混响和传播损失的深海海底参数反演方法，首先在步骤一中布放深海反演系统，采集实验数据。然后在步骤二和步骤三中对海洋空间建立三维坐标系，对深海海底混响进行建模，得到模型仿真的海底混响强度时间序列；在步骤四对实验数据处理得到海底混响强度时间序列；步骤五中，提出基于海底混响时间衰减规律的多频反演代价函数，反演得到海底密度，由Hamilton经验公式得到海底声速。步骤六中，利用传播损失反演得到衰减系数。该方法在步骤一至步骤六中利用深海实验数据反演得到了海底参数，从而为获取深海海底参数提供有效的技术方法。有益效果如下：

1)利用单水听器获得混响和传播损失，即可进行海底参数的反演，潜标尺度很小，可以有效避免阵列的使用。

2)能同时获得海底声速、密度和衰减系数，提高声场模型的预报精度，具有重要的声学应用价值。

附图说明

图1是本发明方法利用CTD采样和WOA09数据库融合的实验海域的声速剖面

图2是本发明方法海洋空间三维坐标系示意图

图3是本发明方法利用海底混响模型对7个海底参数进行敏感性分析

图4是本发明方法水听器深度为820m，声源与水听器距离为2.8583km，中心频率为1000Hz时接收的(a)混响信号及(b)海底混响信号

图5是本发明方法将反演结果带入模型计算的海底混响强度与实验数据的对比图(a)反演频率(b)其他频率

图6是本发明方法基于海底混响的反演过程的散点图

图7是本发明方法反演值与实验采样值对比图(a)密度(b)声速

图8是本发明方法(a)包含地形的传播损失图和(b)利用传播损失对衰减系数的敏感性分析

图9是本发明方法基于传播损失的不同海底衰减系数的反演代价函数值

图10是本发明方法传播损失模型不同频率计算值与实验值对比图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

单水听器布放入水，接收发射的声源信号，提取海底混响实验数据与建模仿真的海底混响时间序列进行匹配，反演得到海底声速和密度。将传播损失实验值与声场模型的计算值进行匹配，反演得到海底衰减系数。其过程分为以下步骤：

步骤一单水听器布放入水，船只走航，期间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，捞取水听器获得海底混响和传播损失实验数据。

步骤二在海洋空间建立三维坐标系，声源S位于(0,0,z_s)，接收单水听器R位于(r_r,0,z_r)，任意散射体的位置位于(x_b,y_b,0)。θ_ij是第j个散射体的入射掠射角，θ_sj是散射掠射角，是散射波的方向角。海底假设为半无限空间，采用这种海底模型假设的优点是可以有效提高模型计算的效率，并能够反映出海底的平均结构。在模型下未知的海底参数共有7个：海底密度ρ，海底声速c_p，海底衰减系数α_λ，海底表面粗糙度谱强度w₂和谱指数γ₂，海底不均匀性谱强度w₃和谱指数γ₃。

步骤三对深海海底混响进行建模。海底混响是关于时间衰减的函数，忽略海水的不均匀性，其表达式可写为

RL_model(f,z_s,z_r,t_j)＝Intensity(f,z_s,z_r,t_j)+NL(f,z_r) (8)

$Intensity(f,z_s,z_r,t_j)=\frac{I_0\·{\mathrm{\σ}}_j\·{\mathrm{\δA}}_j}{c_w^4\·{(t_{sj}\·t_{rj})}^2}\·{10}^{-{\mathrm{\α}}_w\·c_w\·t_j/10}---\left(9\right)$

t_j＝t_sj+t_rj (10)

其中，RL_model(f,z_s,z_r,t_j)为理论混响级，Intensity(f,z_s,z_r,t_j)为混响强度；f是信号的中心频率，NL是接收深度为z_r、频率为f时的海洋噪声强度，可由实验数据获得。I₀是声源级，c_w是海水中的声速，α_w是海水的吸收，t_sj和t_rj分别是声源到散射点和散射点到接收水听器的时间，σ_j是散射截面，δA_j是散射体的声照射区，t_j与不同散射体传播时间的关系满足公式(4)。

步骤四对深海混响实验数据进行带宽为100Hz滤波处理，海底实验混响级由下式计算：

RL_exp(f,z_s,z_r,t_j)＝20log₁₀(V_eff(t_j))-m_v-10log₁₀(Δf) (11)

其中，V_eff是有效电压值，m_v是水听器灵敏度，Δf是滤波器的频带宽度。

步骤五为解决单频独立反演时代价函数收敛速度慢和解的不唯一性问题，采用多频联合反演，用于反演海底密度的代价函数为，

$E(\mathrm{\ρ},w_2,{\mathrm{\γ}}_2,w_3,{\mathrm{\γ}}_3)=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}|{\mathrm{RL}}_{\exp }(f_i,z_s,z_r,t_j)-{\mathrm{RL}}_{\mathrm{mod}el}(f_i,z_s,z_r,t_j,\mathrm{\ρ},w_2,{\mathrm{\γ}}_2,w_3,{\mathrm{\γ}}_3){|}^2---\left(12\right)$

其中，m是用于反演的频率的个数，n是混响建模中散射体的个数。为提高反演效率，采用并行粒子群遗传优化算法，计算m个频率下的累积最小平方和误差，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最优值。海底声速由Hamilton经验公式得到：

c_p＝2330.4-1257.0ρ+487.7ρ² (13)

步骤六将前面反演获得的海底密度和声速作为已知信息，用于反演衰减系数的代价函数为

$E_{\mathrm{\λ}}\left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ}}\right)=\underset{k=1}{\overset{l}{\Σ}}|{\mathrm{TL}}_{\exp }(f,z_s,z_r,r_{rk})-{\mathrm{TL}}_{\mathrm{mod}el}(f,z_s,z_r,r_{rk},{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ}}){|}^2---\left(14\right)$

其中，l是爆炸声源的个数，TL_exp(f,z_s,z_r,r_rk)是传播损失测量值，TL_model(f,z_s,z_r,r_rk,α_λ)是传播损失的模型计算值，代价函数取最小值时为海底衰减系数反演值。

其中步骤一的系统配置包括单水听器和装载爆炸声源或拖曳声源的船只。首先将单水听器布放入水，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，提取海底混响和传播损失实验数据。将海底混响实验数据与建模仿真的海底混响时间序列进行匹配，反演得到海底声速和密度。将传播损失实验值与声场射线模型的计算值进行匹配，反演得到海底衰减系数。

也可使用具有多个水听器的直线阵、圆环阵等任意阵型的阵列，频率范围为100-10kHz，水听器数量范围是1-100个，接收深度为10-5000m，获得深海实验数据，利用每个水听器的反演结果平均获得海底参数。

本实施例图1给出了利用CTD采样和WOA09数据库融合的实验海域的声速剖面，水深为4008m。在WOA09数据库中选取与声源经、纬度位置最接近的气候态剖面，并根据Mackenzie声速经验公式计算声速剖面(点线)。声道轴之上采用CTD采样得到的声速剖面(实线)，CTD最大采样深度之下采用由WOA09计算得到的声速剖面，声道轴与CTD最大采用深度之间利用两个剖面进行融合得到的声速剖面(虚线)。反演过程通过以下六个步骤完成：

(1)水听器布放入水，船只走航，期间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，捞取水听器获得实验数据。

(2)海洋空间三维坐标系建立过程：图2是在海洋空间建立三维坐标系，声源S位于(0,0,z_s)，接收水听器R位于(r_r,0,z_r)，任意散射体的位置位于(x_b,y_b,0)。θ_ij是第j个散射体的入射掠射角，θ_sj是散射掠射角，是散射波的方向角。海底假设为半无限空间，采用这种海底模型假设的优点在可以有效提高模型计算的效率，并能够反映出海底的平均结构。在模型下未知的海底参数共有7个：海底密度ρ，海底声速c_p，海底衰减系数α_λ，海底表面粗糙度谱强度w₂和谱指数γ₂，海底不均匀性谱强度w₃和谱指数γ₃。

(3)深海海底混响的建模过程：海底混响强度是关于时间衰减的函数，忽略海水的不均匀性，其表达式可写为

RL_model(f,z_s,z_r,t_j)＝Intensity(f,z_s,z_r,t_j)+NL(f,z_r) (15)

$Intensity(f,z_s,z_r,t_j)=\frac{I_0\·{\mathrm{\σ}}_j\·{\mathrm{\δA}}_j}{c_w^4\·{(t_{sj}\·t_{rj})}^2}\·{10}^{-{\mathrm{\α}}_w\·c_w\·t_j/10}---\left(16\right)$

t_j＝t_sj+t_rj (17)

其中，f是信号的中心频率，NL是接收深度为z_r、频率为f时的海洋噪声强度，可由实验数据获得。I₀是声源级，c_w是海水中的声速，α_w是海水的吸收，t_sj和t_rj分别是声源到散射点和散射点到接收水听器的时间，t_j与不同散射体传播时间的关系满足公式(10),δA_j是第j个散射体的声照射区，可由下式求出：

其中，φ是声源、散射体与接收器的夹角，L是声源与接收器之间的距离，δt是声源脉冲宽度，δφ是波束宽度。σ_j是散射截面，可由下式求出：

其中，是粗糙散射截面，是体积散射截面。其计算方法参见“High-frequency bottom backscattering:Roughness versus sediment volume scattering”，该文1992年8月发表在《The Journal of the Acoustical Society of America》第92期，起始页码为962。图3是利用海底混响模型对海底参数进行敏感性分析。由敏感性曲线分析结果可知，海底混响对衰减系数不敏感，海底密度和声速的敏感性都较强。

(4)海底混响实验数据处理：对深海混响实验数据有效电压值V_eff进行带宽100Hz为滤波处理，海底混响信号由下式计算：

RL_exp(f,z_s,z_r,t_j)＝20log₁₀(V_eff(t_j))-m_v-10log₁₀(Δf) (20)

其中，m_v是水听器灵敏度，Δf是滤波器的频带宽度。图4是水听器深度为820m，声源与水听器距离为2.8583km，中心频率为1000Hz时根据公式(8)处理得到的混响信号及海底混响信号，从图中可看到深海水声信号明显的多途及混响拖尾现象。由模型和实验数据的多途时延差对比可得到，直达波(D)与海面反射波(SR)的时延差较为接近，各自跟随的混响发生重叠，之后依次到达的是海底反射波(BR)、海面海底反射波(SBR)、海底海面反射波(BSR)和海面海底海面反射波(SBSR)及各自跟随的混响信号。

(5)海底密度和海底声速反演过程：为解决单频独立反演时代价函数收敛速度慢和解的不唯一性问题，采用多频联合反演，用于反演海底密度的代价函数为，

$E(\mathrm{\ρ},w_2,{\mathrm{\γ}}_2,w_3,{\mathrm{\γ}}_3)=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}|{\mathrm{RL}}_{\exp }(f_i,z_s,z_r,t_j)-{\mathrm{RL}}_{\mathrm{mod}el}(f_i,z_s,z_r,t_j,\mathrm{\ρ},w_2,{\mathrm{\γ}}_2,w_3,{\mathrm{\γ}}_3){|}^2---\left(21\right)$

其中，m是用于反演的频率的个数，n是混响建模中散射体的个数。为提高反演效率，采用并行粒子群遗传优化算法，计算m个频率下的累积最小平方和误差，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最优值。海底声速由Hamilton经验公式得到：

c_p＝2330.4-1257.0ρ+487.7ρ² (22)

图5是将反演结果带入模型计算的海底混响强度与实验数据在反演频率及其他频率的对比图，两者基本相符。图6是基于海底混响的反演过程的散点图，可看到反演参数向反演最优值收敛的过程。图7是反演值与实验采样值对比图。结果说明，海底声速和密度与实验采样值基本相符，具有较高的置信度。

(6)海底衰减系数的反演过程：图8是包含地形的传播损失图和利用传播损失对衰减系数的敏感性分析，在20km内因为有海底山的存在对海底衰减不敏感，对海底衰减在20-100km距离内的第一和第二影区对海底衰减较为敏感。用于反演衰减系数的代价函数为

$E_{\mathrm{\λ}}\left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ}}\right)=\underset{k=1}{\overset{l}{\Σ}}|{\mathrm{TL}}_{\exp }(f,z_s,z_r,r_{rk})-{\mathrm{TL}}_{\mathrm{mod}el}(f,z_s,z_r,r_{rk},{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ}}){|}^2---\left(23\right)$

其中，l是爆炸声源的个数，TL_exp(f,z_s,z_r,r_rk)是传播损失测量值，TL_model(f,z_s,z_r,r_rk,α_λ)是传播损失的模型计算值。图9是基于传播损失的不同海底衰减系数的反演代价函数值，代价函数取最小值时的衰减系数即为衰减系数反演值。图10是将反演值带入声场模型得到模型计算值(圆点)与实验测量值(实线)的对比，由于海底山的存在，此范围内的海底参数与距离相关，10-20km以内计算值与测量值失配，20km以外地形较为平坦，计算值与测量值基本吻合。

本发明在典型实施例中取得了明显的实施效果，与原位测量与海底采样相比，操作简单、易于实施，与现有传统的匹配场反演方法相比，不需要使用复杂的阵列，其优越性在于利用单水听器即可实现反演，且同时获得海底声速、密度和衰减系数，对获取深海海底参数提供有效的技术方法，具有重要的声学应用价值。