一种基于低频水声传播特性的浅海地声参数反演方法与流程

本发明属于海洋声学技术领域，具体涉及一种基于低频水声传播特性的浅海地声参数反演方法。

背景技术：

浅海波导中，复杂海洋环境对声纳系统工作性能的限制一直以来是浅海水声工程应用所面临的挑战之一。浅海中，声纳工作环境复杂多变，声信号传播时受海底、波导尺度及流体水文条件等因素的影响显著，而海底作为海洋波导中声传播的重要边界对信号传播的影响尤为明显，可靠的声传播建模和水声设备性能评估都需要已知海底的声学参数，对于如何快速、低成本地获取整个试验海区的地声学参数国内还处于空白阶段，同时上述建模及参数运算等操作普遍采用计算机设备进行处理，而现有计算机的cpu在大量数据运算过程时温度升高后极易降低工作效率甚至cpu烧损。

技术实现要素：

本发明的的目的在于提供一种基于低频水声传播特性的浅海地声参数反演方法，消除声场误差影响，可快速、低成本地获取整个试验海区的地声参数，反演过程采用移动终端操作，设备运算稳定性高。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：一种基于低频水声传播特性的浅海地声参数反演方法：

采用移动终端获取和/或输入数据并构建参数化模型；

利用规范公式获取参数化模型声压场；

利用目标函数寻优求解获取参数化模型的海底各参数；

移动终端存储数据并输出；

利用移动终端连接的存储器和显示器将获取的参数化模型的海底各参数进行存储和显示。本发明选用具有弹性海底的浅海参数化模型为参数化模型，再利用规范公式获取参数化模型声压场，而在参数化模型中海底声产生变化对声压场分布会参数影响，通过选用目标函数并对目标函数寻优求解可实现对具有弹性海底的浅海参数化模型下海底各参数的计算获取，所获取的参数精准性高，消除在海底各参数获取时各因素的影响，提高对水声设备性能评估精准性。

优选的，步骤1建模中，令z＝0位置代表海面，海面向下为深度z轴正值方向，r正轴表示声场向外传播方向；设均匀流体层深度为h、密度ρ1、声速c1，声源位于海面以下深度zs处；海底为各向同性的半无限介质空间，纵波声速、横波声速、密度分别为cp、cs和ρb，αp和αs分别代表纵波声速衰减和横波声速衰减。

优选的，规范公式如下：

式中：ξ为水平波数；r为水平距离；j0为贝塞尔函数。本发明选用快速场方法可实现快速对浅海声场计算，避免了当声源频率很低或海水深度很浅时，流体层中激发其很少阶数的简正波，导致获取的声场结果存在误差的问题。

优选的，目标函数为：

式中i表示第n个水听器，tli表示该点处实测传播损失(transmissionloss，tl)，tli(m)表示该点处反演数据计算所得传播损失，c为常数，数值为声源级。

优选的，寻优求解选用模拟退火对目标函数进行寻优，对比实测传播损失与反演数据所得传播损失确定反演数据，通过上述操作验证所获得的参数精准性。

优选的，移动终端包括：数据获取模块，用于获取反演海底参数时所需数据或输入相关数据；数据运算模块，用于对海底各参数过程中的各参数运算获取海底各参数；数据存储模块，用于对获取的海底参数进行存储供用户提取；数据输出模块，用于存储并输出数据并在显示终端上显示。

优选的，移动终端为计算机，该计算机的主机箱体内设有cpu监控装置，该装置包括安装在箱体内的主板、用于监控cpu温度的红外温度传感器，该红外温度传感器设置于cpu附近，且红外温度传感器与安置在箱体内的微控芯片连接，箱体外侧设有显示灯,和温度指示屏，箱体上方还设有气泵，气泵连接有气箱，箱体内布设有气管，气管一端口与气泵连接，一端口与气箱连接，微控芯片还分别与气泵、显示灯、温度指示屏连接，气管表面均设有透气孔，透气孔内设有螺纹，气管内均设有孔状的滤板，该滤板与气管管壁倾斜设置，气管表面设有粘附层，通过设置cpu监控装置可对移动终端，即计算机主机内的cpu进行监控实时掌控cpu温度，根据cpu情况调整浅海地声参数反演运算量，避免运算量过大使cpu温度过高，导致反演运算数据出错或者设备烧损，并且为避免设备烧损保证cpu高效运作，通过设置气泵、气管等对主板上的主要硬件及cpu进行散热，气体从气管中散出进行散热，解决计算机在长时间使用状态下因散热问题出现计算机系统瘫痪或故障的问题。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明选用具有弹性海底的浅海参数化模型为参数化模型，再利用规范公式获取参数化模型声压场，而在参数化模型中海底声产生变化对声压场分布会参数影响，通过选用目标函数并对目标函数寻优求解可实现对具有弹性海底的浅海参数化模型下海底各参数的计算获取，所获取的参数精准性高，消除在海底各参数获取时各因素的影响，提高对水声设备性能评估精准性。

附图说明

图1为本发明一种基于低频水声传播特性的浅海地声参数反演方法的框图；

图2为本发明的参数化模型示意图；

图3为本发明移动终端的框图；

图4为实施例2中移动终端内的运算流程图；

图5为移动终端的主机箱体内cpu监控装置示意图；

图6为气管的剖视图；

图7为气管表面的粘附层示意图；

图8为微控芯片与红外温度传感器、气泵、显示灯、温度指示屏的连接示意图；

图9为实施例3中五项参数对tl的影响程度示意图；

图10为实施例3中单参数敏感度示意图；

图11为实施例3中仿真结果示意图；

图12为实施例3中仿真结果验证图；

图13为实施例3中实验装置示意图；

图14为实施例3中发射波形图；

图15为实施例3中接收心血号到达时间图；

图16为实施例3中实验测得的tl曲线图；

图17为实施例3中水池实验数据反演结果图；

图18为实施例3中反演结果验证图。

附图标记说明：1-箱体；2-主板；3-气泵；4-气箱；5-气管；501-滤板；502-透气孔；503-粘附层；6-红外温度传感器；7-显示灯；8-温度指示屏；9-微控芯片。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步详细描述：

实施例1：

如图1、2所示，一种基于低频水声传播特性的浅海地声参数反演方法：

采用移动终端获取和/或输入数据并构建参数化模型；

利用规范公式获取参数化模型声压场；

利用目标函数寻优求解获取参数化模型的海底各参数；

移动终端存储数据并输出；

利用移动终端连接的存储器和显示器将获取的参数化模型的海底各参数进行存储和显示。本发明选用具有弹性海底的浅海参数化模型为参数化模型，再利用规范公式获取参数化模型声压场，而在参数化模型中海底声产生变化对声压场分布会参数影响，通过选用目标函数并对目标函数寻优求解可实现对具有弹性海底的浅海参数化模型下海底各参数的计算获取，所获取的参数精准性高，消除在海底各参数获取时各因素的影响，提高对水声设备性能评估精准性。

步骤1建模中，令z＝0位置代表海面，海面向下为深度z轴正值方向，r正轴表示声场向外传播方向；设均匀流体层深度为h、密度ρ1、声速c1，声源位于海面以下深度zs处；海底为各向同性的半无限介质空间，纵波声速、横波声速、密度分别为cp、cs和ρb，αp和αs分别代表纵波声速衰减和横波声速衰减。

规范公式如下：

式中：ξ为水平波数；r为水平距离；j0为贝塞尔函数。本发明选用快速场方法可实现快速对浅海声场计算，避免了当声源频率很低或海水深度很浅时，流体层中激发其很少阶数的简正波，导致获取的声场结果存在误差的问题。

目标函数为：

式中i表示第n个水听器，tli表示该点处实测传播损失(transmissionloss，tl)，tli(m)表示该点处反演数据计算所得传播损失，c为常数，数值为声源级。

寻优求解选用模拟退火对目标函数进行寻优，对比实测传播损失与反演数据所得传播损失确定反演数据，通过上述操作验证所获得的参数精准性。

参见图3，移动终端包括：数据获取模块，用于获取反演海底参数时所需数据或输入相关数据；数据运算模块，用于对海底各参数过程中的各参数运算获取海底各参数；数据存储模块，用于对获取的海底参数进行存储供用户提取；数据输出模块，用于存储并输出数据并在显示终端上显示。

参见图5-8所示，移动终端为计算机，该计算机的主机箱体1内设有cpu监控装置，该装置包括安装在箱体1内的主板2、用于监控cpu温度的红外温度传感器6，该红外温度传感器6设置于cpu附近，且红外温度传感器6与安置在箱体1内的微控芯片9连接，箱体1外侧设有显示灯7,和温度指示屏8，箱体1上方还设有气泵3，气泵3连接有气箱4，箱体1内布设有气管5，气管5一端口与气泵3连接，一端口与气箱4连接，微控芯片9还分别与气泵3、显示灯7、温度指示屏8连接，气管5表面均设有透气孔502，透气孔502内设有螺纹，气管5内均设有孔状的滤板501，该滤板501与气管5管壁倾斜设置，气管5表面设有粘附层503，通过设置cpu监控装置可对移动终端，即计算机主机内的cpu进行监控实时掌控cpu温度，根据cpu情况调整浅海地声参数反演运算量，避免运算量过大使cpu温度过高，导致反演运算数据出错或者设备烧损，并且保证cpu高效运作，通过设置气泵3、气管5等对主板2上的主要硬件及cpu进行散热，气体从气管5中散出进行散热，解决计算机在长时间使用状态下因散热问题出现计算机系统瘫痪或故障的问题。

实施例2：

参见图4，本发明的基于低频水声传播特性的浅海地声参数反演方法再计算机内的程序运算流程为：

s1：获取和/或输入数据，具体数据为：令z＝0位置代表海面，海面向下为深度z轴正值方向，r正轴表示声场向外传播方向；设均匀流体层深度为h、密度ρ1、声速c1，声源位于海面以下深度zs处；海底为各向同性的半无限介质空间，纵波声速、横波声速、密度分别为cp、cs和ρb，αp和αs分别代表纵波声速衰减和横波声速衰减，构建具有弹性海底的浅海参数化模型；

s2：选用快速场方法并利用规范公式获取参数化模型声压场；

s3：利用目标函数寻优求解获取参数化模型的海底各参数；

s4：将获取的参数化模型的海底各参数进行存储和显示；

s5：检测是否满足结束条件，若满足进入下一步骤，若不是重复s1；

s6：结束程序。

实施例3：

本实施例通过实验来对本发明的方法进一步验证：

海洋环境仿真参数如表1给出。

表1海洋环境仿真参数

图9(a)-(e)中实线对应表1中真值参数计算结果，点线与虚线分别对应五项海底地声参数取讨论值时的计算结果。图9(f)结合距平给出了在五项海底地声参数讨论值区间内，各参数变化时对tl曲线的影响程度，计算中以真值计算得出的tl值视为均值，以讨论值计算得出的tl值视为离散数据计算距平。

从图9(a)-图9(f)的对比中可以看出，在其它仿真条件不变的前提下，改变任一海底声参数，对tl的影响程度各有差异；从图9(f)中可以看出，五项海底参数的讨论值在真值偏移+10％的条件下，对tl的影响程度从大到小依次为cp、cs、ρb、αp、αs；在真值偏移-10％的条件下，对tl的影响程度从大到小依次为cs、cp、ρb、αp、αs。因此，五项海底参数对tl的影响程度可初步定性为：cp、cs>ρb>αp、αs。

为了进一步探究各参数的敏感度差异，图10(a)-(f)给出了五项海底参数单个参数变化时，目标函数的变化差异。

图10(f)给出了五项参数敏感度的对比情况，e(m)值变化范围从大到小依次为cp、cs、ρb、αp、αs。从e(m)值变化范围分析，五项海底参数对tl的影响程度可定性为：cp>cs>ρb>αp>αs，进一步细化了图9的讨论结果。

仿真实验中设声源位于水下zs＝20m深度处，接收点z位于水下z＝10m处，传播距离r＝1-1500m，海洋环境参数仍取表1中数值。

表2寻优结果

表2列出了数值模拟中设定的五项地声参数的仿真真值和利用模拟退火算法寻优时设定的各参数的搜索范围，最终搜索结果及其与设定真值的误差。在sa算法中，设定初始温度为100℃，每次执行迭代时的降温系数为0.99，算法终止温度为0.001℃，算法终止时共迭代1147次。从表2可以看出，对于本文所建立的目标函数利用sa算法寻优得到的结果与真值误差基本一致，其中海底横波衰减αs寻优结果与真值相差最大，但也不超过2.2％。

图11(a)-(f)给出了模拟退火算法在寻优求解过程中，搜寻到的最后一代五项海底参数在搜索区间内的概率分布及在寻优过程中目标函数e(m)随寻优代数的数值变化，图11(a)-图11(e)的纵坐标p表示对应参数最后一代的概率(下同)。

图12对比了实测传播损失与反演数据所得传播损失来验证反演结果，从图12可以看出，两个传播损失拟合度非常高，证明了该反演方法的可靠性。

在以上仿真分析的基础上，利用实验数据对该反演方法进行实验。如图13所示，实验中选取硬度高、质地均匀、耐磨性好的塑料板模拟“半无限弹性海底”；实验中将发射换能器固定于一端水中；接收水听器固定于带有光栅尺的精确移动平台上；根据发射换能器的频响特性，实验过程中发射信号中心频率为135khz的cw脉冲信号。

表3给出了实验中各参数的测量结果，其中水中声速c1由测量水中温度(11.15℃)后通过经验公式求得。测量过程中，保持声源位置固定，发射中心频率为135khz的cw信号(如图14所示)；水听器固定于可移动走架上，设置采集卡采样率fs＝20mhz，每个测量点重复测量10次，避免随机扰动带来的影响；完成一点测量后，走架带动水听器向远离声源方向移动2mm(误差不超过20um)；图15给出了测量中所接收到的第50-150道接收信号时域图，图中各条线段是由表3中布放参数计算得到的、第50-150接收点上直达信号、水面反射信号和水底反射信号的达到时间。从图15中可以看到，理论计算得到的各路径信号到达时间与实测达到时间基本吻合，证明了测量中接收信号的可靠性；图16给出了实验过程中测得的传播损失曲线。

表3实验参数

表4列出了基于实测135khz声压场，利用本文所研究的反演方法得到“海底”地声参数，包括：五项参数的搜寻范围以及寻优的结果：

表4寻优结果

参见图17，给出了模拟退火算法对水池实验数据的寻优结果。

在水池实验中选取的塑料板密度在购置时已知为1.2g/cm³左右，这与对海底密度ρb寻优所得到的数值1.2109g/cm³仅仅相差0.91％，验证了本次反演结果的正确性，也更进一步证明了该反演方法的可行性和可靠性。

最后同样采用对比两种不同方法计算所得tl来验证反演结果的可靠性，如图18给出。

从图18的对比中可以看到，在各测量点上，理论计算tl与实测tl(m)均吻合较好，再次证明了本次反演所得结果的有效性。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。