[發明專利]一種基于雙矢量水聽器的海底聲速分步反演方法

有效

• 申請號: 201811590470.2
• 申請日: 2018-12-25
• 公開（公告）號: CN109489799B
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發明（設計）人: 周建波;楊益新
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01H5/00
• 分類號: G01H5/00;G01S7/539
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

本發明涉及一種基于雙矢量水聽器的海底聲速分步反演方法，先用噪聲場垂直振速信號重構垂直方向兩點間聲場格林函數，提取不同多途的到達結構，從而得到海底分層結構以及每一層沉積層的聲速與厚度之間的關系式，然后選擇相對應的海底模型，最后利用噪聲場垂直振速信號垂直相干特性來反演海底聲速。本發明提出的分步反演方法能夠保證在反演時候選擇的海底模型是正確的，為反演結果的準確性提供了保障。此外分步反演方法能夠將海底沉積層聲速與厚度用一個反演量來表征，降低了反演時參數搜索空間的維度，提高了反演的效率。

技術領域

本發明屬于水聲信號處理技術，涉及一種基于雙矢量水聽器的海底聲速分步反演方法。

背景技術

海洋環境噪聲是海洋中的背景聲場，它無時不刻存在于海洋當中。任何聲吶設備的性能都會受到海洋環境噪聲的影響。傳統的水聲學是將海洋環境噪聲信號當做干擾信號，研究噪聲場的目的在于抑制噪聲，提高信噪比，最大程度上提升聲吶設備的作用距離。事實上，海洋環境噪聲信號在傳播過程中不斷與海面和海底相互作用，所以噪聲場中會攜帶海洋環境參數(特別是海底參數)信息，因此可以利用噪聲場空間特性來被動反演獲得海底的聲學參數。相對于主動反演方法，被動反演方法無需主動發射信號，可以節約調查成本且隱蔽性好。目前利用風成噪聲被動反演地聲參數主要有兩種途徑，下面分別簡單介紹：

第一種途徑是利用海洋環境噪聲場垂直指向性結構來進行地聲參數的反演，采用小間距多陣元垂直線列陣來接收海洋環境噪聲信號，對接收噪聲信號在不同掠射角方向做波束形成得到噪聲場中各個方向到達的聲波強度，通過對上行波束和下行波束做比值得到海底反射系數，利用理論與實測海底反射系數構建代價函數，然后選用適當的尋優算法搜索一組最優參數使得代價函數最優，從而反演獲得實際海底的反射系數。由于海底聲學參數會顯著地影響海底反射系數，所以用噪聲場垂直指向性結構能過反演獲得相對準確的地聲參數。但是該方法需要垂直陣列才能實現且對陣元數量以及陣元間距都有較高的要求。此外垂直陣的布放回收相對繁瑣且垂直陣在水下的的姿態很難保證，因此用噪聲場垂直指向性來反演地聲參數的代價較高且操作難度較大。

第二種途徑是利用噪聲場垂直相干特性來反演。該方法只需要兩個垂直布放的水聽器即可，整套系統布放相對簡單且在水下的姿態比較好保證。通過對兩個水聽器接收的噪聲信號做互相關并做歸一化處理得到兩點間相干函數，然后以實測及理論噪聲場相干函數構造代價函數來反演得到海底聲學參數。目前大多方法都利用的是噪聲場聲壓信號的垂直相干結構來實現的，周建波等人利用噪聲場垂直相干結構對海底聲速更為敏感這一特征，提出了一種基于噪聲場垂直振速信號相干結構的海底聲速反演方法，獲得了更準確的海底聲速反演結果。

上述兩種反演方法都假設海底分層結構是已知的，而實際中需要借助淺剖等聲學設備才能獲得海底的分層結構，而利用淺剖獲取海底分層結構需要主動發射聲波信號，就會喪失被動反演的優勢。

發明內容

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種基于雙矢量水聽器的海底聲速分步反演方法，以較小代價快速準確地獲取海底聲速。

技術方案

一種基于雙矢量水聽器的海底聲速分步反演方法，其特征在于步驟如下：

步驟1、建立基于噪聲場垂直振速信號的聲場格林函數提取模型：

聲壓互譜密度函數：

垂直振速互譜密度函數：

聲壓時空相關函數：

垂直振速時空相關函數：