距離域干涉譜反演海底參數方法研究

呂 楊 何青海 儲澤國

（1.中國人民解放軍海軍蚌埠士官學校，安徽 蚌埠233012；2.中國人民解放軍海軍潛艇學院，山東 青島266042；3.中國人民解放軍海軍91388部隊92分隊，廣東 湛江524022）

0 引言

在淺海中，海底參數對聲傳播特性的影響很大，快速有效地獲得海底參數，對淺海聲場預報及匹配場定位[1]等問題都具有重要意義。由于淺海的多途效應，在遠場產生了距離-頻率平面的干涉條紋，淺海聲場干涉圖案中蘊含了海洋環境和聲源的信息。本文提出一種基于淺海遠場干涉譜圖分析的海底參數的反演方法。

1 距離域干涉譜

水平無關的分層淺海波導中，遠場條件下，點聲源輻射的聲壓場可以表示為各號簡正波的累加，對于聲強有：

其中，

式（1）中r為聲源到接收器的水平距離;zs和z分別為聲源和接收器的深度；ψn（z）為n號簡正波的本征函數；kn和βn分別為n號簡正波的水平波數和衰減系數。第1項為非相干項，隨距離和頻率緩慢變化；第2項為相干項，由于各號簡正波之間相互干涉，相干項會隨距離出現振蕩。當聲源頻率較低時，激發的簡正波的號數較少，相干項會在距離-頻率平面上表現出明顯的干涉條紋。從式（1）進行分析，對于某一固定頻率，聲場隨著距離的分布，有一定的周期性，即

式中，δr表示目標聲源產生的聲場聲強值在距離坐標上的周期值，當然這一周期對應第m號和第n號簡正波的干涉效果，不同的簡正波模態對應不同的周期分布，我們把這種干涉周期分布稱為距離域干涉譜[2-3]。對于某一頻率點對應的距離域干涉譜，本文將相鄰條紋距離差的平均值定義為距離域干涉準周期。

2 地聲模型的建立

圖1給出了三種典型的淺海海底模型，本文采用的是第一種地聲模型，選取壓縮波聲速、沉積層密度以及海底衰減系數作為反演參數，均勻海底層具有待反演參數少的特點。

3 代價函數的建立

本文利用最小均方差準則建立代價函數[4]，具體公式如下：

圖1 淺海三種典型海底模型Fig1.Three kinds of typicalbottom m odelof shallow-water

4 仿真分析

4.1 構造實驗端

本文仿真的海洋環境聲速剖面為負躍層聲速剖面，15m～20m處有負躍層，如圖2(a)所示。聲源深度為3m，接收端深度為25m。通過加噪，在實際參數組合為：沉積層密度為1.6g/cm3，壓縮波聲速為1600m/s，衰減系數為0.15dB/λ情況下產生信噪比較低的距離-頻率干涉譜圖，作為得到的實驗數據端結果，如圖2(b)所示。通過分析處理此圖來反演海底參數。

圖2 聲速剖面和加噪距離-頻率平面干涉譜圖Fig.2 Sound velocity profile and distance-frequency plane interference spectra w ith noise

4.2 實驗分析

采用TV降噪方法[5]對接收端數據進行降噪，如圖3所示，對降噪后的干涉譜圖進行分析。

圖3 降噪后的距離-頻率平面干涉譜圖Fig.3 the distance frequency plane interference spectra after noise reduction

從200Hz到300Hz每隔10Hz取一個頻率點，采用濾波法處理實驗端數據。例如當f=200Hz時，水平距離聲場分布如圖4(a)所示，經過濾波后得到圖4(b)。從圖4(b)計算得到實驗端200Hz時距離域干涉準周期，其他頻率點處理方法相同。將得到的實驗端數據值和前向聲場計算值代入式(4)，可得到不同地聲參數組合代價函數值。本文采用的地聲模型為單無限均勻沉積層，搜索的地聲參數組合中沉積層密度取值范圍為：1.2g/cm3～1.8g/cm3；壓縮波聲速的取值范圍為：1500m/s～1700m/s；衰減系數的取值范圍為：0～3dB/λ。

圖4 濾波前和濾波后的距離域譜圖Fig.4 Range domain spectra before and after filtering

4.3 實驗結果

本文采用模擬退火法作為代價函數最優解搜索策略，搜索結果為表1所示。

表1 最優解搜索結果Table.1 The optim alsolution search results

為觀測反演參數在預報聲場方面效果情況，將反演海底參數組合與實際海底參數組合代入Kraken模型進行200Hz～300Hz寬帶平均傳播損失的預報，如圖5所示，其中帶箭頭標識的為反演參數預報結果。通過對比，差值在2dB左右，因此在預報聲場寬帶平均傳播損失方面，反演的海底參數組合效果較好。

圖5 傳播損失對比圖Fig.5 Transm ission loss com parison

5 結論

本文利用淺海距離域干涉譜相關理論，通過干涉準周期這一物理量進行匹配，提出了一種新的地聲參數反演方法，從仿真結果對比可得到以下結論：

（1）本文方法反演沉積層密度以及壓縮波聲速效果較好，反演海底衰減系數效果一般。

（2）從實際傳播損失與預報傳播損失對比來看，本文方法在典型的負躍層剖面下聲場預報方面有較好的應用價值。

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［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］李世進.數字圖像的平滑處理[J].湖南科技學院學報,2008,29(12)：23-24.