[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

摘要

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。

主权项

1.一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：其中：q²为噪声源谱强度，k²为参考波数，u_m(z)和u′_m(z)为第m阶本征函数在深度z处的值及其导数，k_m为第m阶本征值，R₀为噪声源圆平面的半径，ρ和c分别为声源处水体密度和声速，表示反傅里叶变换，ω为角频率，τ为时延；声压/垂直振速时空相关函数正比于声场时域格林函数，所以时空相关函数中各个相关峰对应于不同多途到达时刻，通过提取不同多途结构到达时刻可以获得海底的分层结构以及每层沉积层中声速与厚度之间的关系式；步骤2、建立基于双垂直振速水听器的海底声速分步反演模型：对两点噪声互谱密度函数做归一化处理得到理论噪声场垂直相干函数C12(ω)：实测噪声场垂直相干函数求解过程如下：其中：N是数据快照总数，ΔT为每个快照数据长度，X1(f,ΔTn)和X2(f,ΔTn)分别为第一个水听器和第二个水听器采集的第n个快照噪声场垂直振速信号的频域解；步骤3、给出基于噪声场矢量信号垂直相干特性的海底声速反演模型：其中：F_cost为代价函数，N为考虑的频点总数，Γ和分别为理论与实测噪声场声压/垂直振速相干函数；Γ中的本征值与本征函数等量需要将海水声学参数、海底声学参数以及接收器声学参数输入到声传播模型中计算得到；由步骤1能够获得海底的分层结构以及海底声速与厚度的关系，如果海底为半无限海底，那么待反演的海底参数集Ω可以表示成Ω＝[cb,ρb,αb]，如果海底有K层沉积层，那么待反演的海底参数集Ω可以表示成Ω＝[cb1,ρb1,αb1,hb1…cbK,ρbK,αbK,hbK,cbK+1,ρbK+1,αbK+1]；其中第K+1层表示半无限基底层采用小生境遗传算法在给定的海底声学参数搜索空间Ω内搜索一组参数使得代价函数F_cost最小，则该组参数即为真实的海底参数。