距离域干涉谱反演海底参数方法研究

吕 杨 何青海 储泽国

（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）

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：

其中，

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

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：

图1 浅海三种典型海底模型Fig1.Three kinds of typicalbottom m odelof shallow-water

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。

图2 声速剖面和加噪距离-频率平面干涉谱图Fig.2 Sound velocity profile and distance-frequency plane interference spectra w ith noise

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。

图3 降噪后的距离-频率平面干涉谱图Fig.3 the distance frequency plane interference spectra after noise reduction

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。

图4 滤波前和滤波后的距离域谱图Fig.4 Range domain spectra before and after filtering

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。

表1 最优解搜索结果Table.1 The optim alsolution search results

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。

图5 传播损失对比图Fig.5 Transm ission loss com parison

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。

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

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