[发明专利]一种基于双矢量水听器的海底声速分步反演方法

说明书

本发明涉及一种基于双矢量水听器的海底声速分步反演方法，先用噪声场垂直振速信号重构垂直方向两点间声场格林函数，提取不同多途的到达结构，从而得到海底分层结构以及每一层沉积层的声速与厚度之间的关系式，然后选择相对应的海底模型，最后利用噪声场垂直振速信号垂直相干特性来反演海底声速。本发明提出的分步反演方法能够保证在反演时候选择的海底模型是正确的，为反演结果的准确性提供了保障。此外分步反演方法能够将海底沉积层声速与厚度用一个反演量来表征，降低了反演时参数搜索空间的维度，提高了反演的效率。

技术领域

本发明属于水声信号处理技术，涉及一种基于双矢量水听器的海底声速分步反演方法。

背景技术

海洋环境噪声是海洋中的背景声场，它无时不刻存在于海洋当中。任何声呐设备的性能都会受到海洋环境噪声的影响。传统的水声学是将海洋环境噪声信号当做干扰信号，研究噪声场的目的在于抑制噪声，提高信噪比，最大程度上提升声呐设备的作用距离。事实上，海洋环境噪声信号在传播过程中不断与海面和海底相互作用，所以噪声场中会携带海洋环境参数(特别是海底参数)信息，因此可以利用噪声场空间特性来被动反演获得海底的声学参数。相对于主动反演方法，被动反演方法无需主动发射信号，可以节约调查成本且隐蔽性好。目前利用风成噪声被动反演地声参数主要有两种途径，下面分别简单介绍：

第一种途径是利用海洋环境噪声场垂直指向性结构来进行地声参数的反演，采用小间距多阵元垂直线列阵来接收海洋环境噪声信号，对接收噪声信号在不同掠射角方向做波束形成得到噪声场中各个方向到达的声波强度，通过对上行波束和下行波束做比值得到海底反射系数，利用理论与实测海底反射系数构建代价函数，然后选用适当的寻优算法搜索一组最优参数使得代价函数最优，从而反演获得实际海底的反射系数。由于海底声学参数会显著地影响海底反射系数，所以用噪声场垂直指向性结构能过反演获得相对准确的地声参数。但是该方法需要垂直阵列才能实现且对阵元数量以及阵元间距都有较高的要求。此外垂直阵的布放回收相对繁琐且垂直阵在水下的的姿态很难保证，因此用噪声场垂直指向性来反演地声参数的代价较高且操作难度较大。

第二种途径是利用噪声场垂直相干特性来反演。该方法只需要两个垂直布放的水听器即可，整套系统布放相对简单且在水下的姿态比较好保证。通过对两个水听器接收的噪声信号做互相关并做归一化处理得到两点间相干函数，然后以实测及理论噪声场相干函数构造代价函数来反演得到海底声学参数。目前大多方法都利用的是噪声场声压信号的垂直相干结构来实现的，周建波等人利用噪声场垂直相干结构对海底声速更为敏感这一特征，提出了一种基于噪声场垂直振速信号相干结构的海底声速反演方法，获得了更准确的海底声速反演结果。

上述两种反演方法都假设海底分层结构是已知的，而实际中需要借助浅剖等声学设备才能获得海底的分层结构，而利用浅剖获取海底分层结构需要主动发射声波信号，就会丧失被动反演的优势。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于双矢量水听器的海底声速分步反演方法，以较小代价快速准确地获取海底声速。

技术方案

一种基于双矢量水听器的海底声速分步反演方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、建立基于噪声场垂直振速信号的声场格林函数提取模型：

声压互谱密度函数：

垂直振速互谱密度函数：

声压时空相关函数：

垂直振速时空相关函数：