浅海海底单参数快速反演研究

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浅海海底声学参数是声场计算与分析、声呐系统性能最优化应用、匹配场定位等领域必不可少的先验信息。地声反演是获取海底声学参数一种经济高效的办法,因此研究人员做了大量工作来发展反演方法。一般来讲,目前绝大多数的反演方法都是在多维海底模型的基础上利用数值方法求解,而多维求解过程加大了反演的复杂度。根据反演复杂性随着反演参数个数减少不断降低的原理,本文开展了基于单个参数海底模型的快速反演方法的研究,主要工作和创新点包括以下几个方面:  1.构建单参数海底模型。根据历史数据中反射损失在小掠射角下随掠射角近似线性变化的客观规律,在液态半无限海底模型基础上对密度、声速以及声衰减系数进行拟合,提出以小掠射角下反射损失随掠射角的变化率FdB为海底单参数,并建立FdB与海底基本参数间的关系式。基于简正波理论推导了利用单参数计算浅海平滑平均声场的表达式,用FdB定量表示了四个传播区域的区间以及衰减规律。提出一种反射相位角的近似算法以计算声场相关结构,利用三种典型海底的传播损失仿真证明了单参数模型的有效性。  2.设计一种利用传播损失反演海底单参数的方法。通过测量海深,利用最小二乘法拟合距离—声强关系即可直接获得海底单参数FdB,进一步提出“过渡距离r0”对海底沉积进行分类。对东中国海实验数据进行了实际反演,所获结果与多维反演方法以及实测真值进行比较,其一致性验证了方法的有效性。  3.设计一种利用脉冲波形反演海底单参数的方法。从简正波与射线理论出发,对时域脉冲波形与FdB关系进行推导,并据此利用波形衰减速度对FdB进行反演。对北黄海实验数据进行了实际反演,传播损失预报与海底采样结果验证了反演方法的有效性。随后利用传播损失进一步反演海底声速,进行沉积物分类。该方法仅需单个水听器测量、测量物理量少、无需多维寻优,是一种有效的快速地声反演方法。  4.将海底单参数拓展到匹配场应用。得益于将多维海底模型降低为一维,基于单参数模型的反演及其他应用能得到极大的简化。分别设计了基于单参数海底模型的匹配场地声反演以及匹配场定位方案,通过实验数据验证了这些方案的可行性。
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