海底聲參數(shù)反演-第二稿

1、目錄1 背景和研究意義當前，世界各軍事強國將制海權(quán)放在相當重要的位置，他們投入了大量的人力物力財力研究海洋環(huán)境信息的獲取方法，以充分保證其政治、經(jīng)濟和軍事利益。而且，大約70%的地球表面被海洋覆蓋。聲波可以行駛穿越海洋的距離超過數(shù)百公里。因為它的相對易于傳播，水下聲音已被應(yīng)用于各種用途的海洋的使用與探索 Lin Wan. Matched Field Processing based Geo-acoustic Inversion in Shallow WaterD.Georgia Inst. of Tech, 2010.，如聲場預(yù)報、聲納作用距離估算及目標定位等。因此，通過對海底沉積物的各種實驗

2、、觀測手段，開展現(xiàn)場調(diào)查和實驗、理論研究，建立起在不同區(qū)域適用的海底地聲學(xué)模型，并確定海底沉積物聲學(xué)參數(shù)和力學(xué)參數(shù)以及其他物理參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系，從而實現(xiàn)用聲學(xué)方法對海底沉積物的地質(zhì)構(gòu)造及地質(zhì)屬性進行測繪和分類識別具有重大意義。其中，由于海底的作用，淺海聲場相比深海聲場更加復(fù)雜，海底中的各類聲學(xué)參數(shù)，如密度、聲速與衰減等變化都將改變上層流體中聲場的分布 祝捍皓.基于波阻抗的淺海地聲參數(shù)反演研究J.聲學(xué)技術(shù),2015,34(2):204-206.，進而影響到水下聲音的應(yīng)用，所以研究海底參數(shù)是十分必要的。而我國的大部分海域為淺海，所以研究淺海聲場參數(shù)具有重要的戰(zhàn)略意義。傳統(tǒng)的海底表層參數(shù)測量方法多

3、為采用海底采樣實驗室分析或?qū)⒏哳l聲學(xué)測量設(shè)備插入海底直接測量海底聲速、衰減系數(shù)的原位測量方法。但是，一般情況下這兩種方法獲得的海底聲學(xué)參數(shù)只能是局地的，而且起伏較大，不易確定沉積層的厚度， 翁晉寶.深海近距離聲場頻率-距離干涉結(jié)構(gòu)反演海底聲學(xué)參數(shù)J 聲學(xué)技術(shù),2015,40(2):207-215. 并且要耗費大量的人力和物力，而且采集到的樣品由于脫離了原生態(tài)的海底，它的壓力、溫度等物理力學(xué)等參數(shù)會發(fā)生變化。另一類常用的海底聲學(xué)參數(shù)獲取方法為地聲反演，反演即是根據(jù)假設(shè)的模型，從測量得到的聲場分布情況反推海底分層介質(zhì)的特征。 王占軍.垂直陣的海底參數(shù)反演研究D.哈爾濱工程大學(xué).2008.通常是利用

4、一艘船發(fā)射聲信號、另一艘船吊放接收陣接收聲信號的雙船實驗，或一艘船發(fā)射、浮潛標接收的方式實驗，兩者距離數(shù)公里到數(shù)十公里，通過比對理論計算與實驗測量的聲場傳播損失、簡正波模態(tài)、垂直陣或水平陣聲場空間結(jié)構(gòu)、混響信號、脈沖波形等方法確定海底聲學(xué)參數(shù)3。反演獲取的海底參數(shù)可以反映大距離尺度上的海底特征，是一個方便、經(jīng)濟、高效的途徑 邱海賓.水平變化環(huán)境下的拖線陣海底參數(shù)反演研究J.兵工學(xué)報,2011,32(3):298-304.。一般而言，目前的反演辦法多是多維反演，即反演出與地聲模型相對應(yīng)的一組多個海底參數(shù)。多維反演雖然能準確獲得海底聲參數(shù)，但也面臨一些問題，例如它針對多個待反演參數(shù)的敏感度不同，對

5、特定聲信號影響微弱的參數(shù)容易被海洋中的不確定性所掩蓋，針對這一問題國外提出了選取不同代價函數(shù)的解決辦法，而國內(nèi)學(xué)者提出了多種方法反演不同參數(shù)的聯(lián)合反演思路，較好地解決了這一問題。除此以外，多維反演因為待求未知數(shù)多，自然需要更多求解條件，另外還會遇到海上待測物理量多且復(fù)雜以及反演聲信號處理復(fù)雜等問題。當反演的目的為快捷地獲得海底性質(zhì)時，最大限度減少需要的參數(shù)數(shù)量是一種可行的思路。國外對于單個參數(shù)表示海底性質(zhì)較早進行了研究，但是設(shè)計的反演方法報道較少。 PENG Z H. Sea-bed acoustic parameters from dispersion analysis and transm

6、ission loss in the East China SeaJ. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2004, 29(4):1038-1045.目前反演方法主要有以下幾種：匹配場法，垂直陣或水平陣聲場法，空間結(jié)構(gòu)法，環(huán)境噪聲法，混響信號法，海底反射法，傳播損失與波形匹配反演法，脈沖波形法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，淺底層剖面聲納反演法，分步聯(lián)合反演法。其中，匹配場處理方法發(fā)展最快，它得益于最大限度地利用水聲信道模型等技術(shù)優(yōu)勢，成為了快速低成本獲取局部海域環(huán)境參數(shù)的有效方法7 于盛齊.應(yīng)用表面噪聲矢量場空間相關(guān)特性反演海底參J. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2012，33

7、（7）:828-833，已經(jīng)取得了一系列具有實用價值的結(jié)果；而利用環(huán)境噪聲反演地聲參數(shù)，由于其不需要發(fā)射聲源，易于實施等優(yōu)點受到人們的青睞。8 江鵬飛.一種海洋環(huán)境噪聲分步反演地聲參數(shù)方法J.聲學(xué)技術(shù),2016,41(1):59-66.地聲參數(shù)的聲學(xué)反演一般包括 (1)環(huán)境和可觀測數(shù)據(jù)的表征 (2)前向模型 (3)優(yōu)化算法 (4)反演結(jié)果的不確定性分析等環(huán)節(jié)。其中，優(yōu)化算法是決定反演速度和精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，也是近20年來水聲學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一?，F(xiàn)有優(yōu)化算法中以全局搜索算法應(yīng)用最廣，如模擬退火算法、遺傳算法等。利用全局搜索算法可以獲得某種目標函數(shù)極值意義下的最優(yōu)解，但在實際應(yīng)用中往往需要對海

8、量數(shù)據(jù)進行分批分時處理，此時對每組數(shù)據(jù)(不同時刻或不同地點采集)應(yīng)用全局搜索算法都需要重新搜索一次目標函數(shù)極值，并且在搜索過程中需要反復(fù)調(diào)用前向模型計算拷貝場，因此運算量很大、計算時間很長，難以滿足工程上的實時反演要求。為解決海量數(shù)據(jù)處理的實時性問題，一些研究人員提出了基于BP， RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地聲參數(shù)反演方法，通過對一個基于前向模型產(chǎn)生的拷貝場樣本集的訓(xùn)練學(xué)習(xí)來近似估計地聲參數(shù)反演算子。原則上，只要水聽器陣列參數(shù)配置一定，在分批分時處理數(shù)據(jù)時僅需估計一次反演算子，此后直接把各組數(shù)據(jù)代入該反演算子計算即可，不必再調(diào)用前向模型重新估計，因此比全局搜索算法在計算速度方面具有更大的優(yōu)勢。但是，此類

9、方法存在反演精度較低的不足，主要有兩方面原因：(1)反演中僅利用了實測聲場的幅度，而沒有用到相位信息，對觀測信息的利用不充分;(2)現(xiàn)有方法是在整個映射空間內(nèi)對反演算子的全局最優(yōu)近似，結(jié)果具有整體平滑性，忽略了反演算子精細、復(fù)雜的局域結(jié)構(gòu)特征，從而導(dǎo)致部分地損失了反演精度。9 Satyanarayana Yegireddi. Geo-acoustic inversion using adaptive neuro-fuzzy inference systemJ. Comput Geosci, 2008, 12:513-523隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展以及科學(xué)家對現(xiàn)有反演精度的更高的追求，海底環(huán)境的復(fù)雜性

10、使現(xiàn)有的標準數(shù)學(xué)算法和水聲學(xué)專業(yè)知識的局限性得以展現(xiàn)，科學(xué)家開始尋求跨領(lǐng)域的分析反演方法比如柔性計算技術(shù)（專家系統(tǒng)、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、基因算法、概率推算和平行處理技術(shù)）。柔性計算技術(shù)可以近似演算復(fù)雜的非線性方程，也能很好的適應(yīng)環(huán)境的不確定性、不精確性和條件不全性。因而比傳統(tǒng)算法（擬合函數(shù)）更加強大、高效、成本低廉。10 趙梅.由爆炸聲源及傳播損失反演海底聲學(xué)參數(shù)J.聲學(xué)技術(shù),2009,28(2):104-108.地聲反演是淺海聲學(xué)中最具挑戰(zhàn)的課題之一，它之所以受到持續(xù)的重視至少有以下幾個原因：（1）海底參數(shù)很難直接測量，而這些參數(shù)對淺海聲傳播有重要影響。（2）海底衰減隨頻率的變化規(guī)

11、律是目前比較有爭議的問題，需要更多的實驗數(shù)據(jù)來進行分析研究。（3）現(xiàn)有的很多反演方法應(yīng)用于數(shù)值模擬時取得很好結(jié)果，但用于處理實驗數(shù)據(jù)時卻不很成功，尤其是對較高頻率的實驗數(shù)據(jù)。（4）現(xiàn)有研究大多集中在淺海海底參數(shù)，而隨著人類對深海的深入探索，深海的參數(shù)反演需要更多的研究。正是基于上面的原因使得地聲反演技術(shù)近年來成為研究熱點。本文從海洋聲場的聲學(xué)預(yù)報模型和搜索控制策略兩個方面來探討反演方法。文獻 39 鄒大鵬.海底沉積物物理參數(shù)的聲學(xué)反演模式J.海洋學(xué)報,2008,30(5):17-22.40 Jan Dettmer. Geoacoustic Reflectivity Inversion: A B

12、ayesian approachD. Univ. of Victoria, 2006.41 Gavin Steininger. Determination of Seabed Acoustic Scattering Properties by Trans-Dimensional Bayesian InversionD. Univ. of Victoria, 2013.42 吳金榮.基于地聲模型的淺海混響地聲反演研究J. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,2010,31(7):856-862.43 Bishwajit Chakrabortyl, Chanchal De. Seafloor characteri

13、zation using time-dependent acoustic backscatter: study at Arabian Sea. Oceans 2008 MTS/IEEE Kobe Techno-Ocean, 2008:791-794.引用了那么多篇？ 指出聲學(xué)預(yù)報模型的兩種模式分別基于聲學(xué)理論和統(tǒng)計理論，所以本文討論將從這兩方面討論聲學(xué)預(yù)報模型的建立方法。2 基于聲學(xué)理論的反演方法基于現(xiàn)有的聲學(xué)理論，如簡正波和射線聲學(xué)理論來推導(dǎo)反演式。它有以下特點：1、 不確定性，由于理論公式涉及參數(shù)多，而且許多參數(shù)需要測量或者是根據(jù)經(jīng)驗進行選擇，這樣很難應(yīng)用推導(dǎo)出的反演式，甚至有無實數(shù)解的現(xiàn)

14、象；2、普適性差，由于應(yīng)用理論公式時需進行簡化，適用限制性大，并且有誤差傳遞等因素，影響了反演式的普適性。122.1 環(huán)境噪聲法文獻10提出一種根據(jù)表面噪聲矢量場空間相關(guān)函數(shù)進行海底參數(shù)反演的方法。與傳統(tǒng)的基于聲傳播模型的匹配場反演方法相比，所提方法可利用的信息更加豐富，而且水下系統(tǒng)配置簡單，無需聲源，隱蔽性好，具有一定的軍事應(yīng)用前景。建立了如下的目標函數(shù)：仿真研究結(jié)果表明：應(yīng)用表面噪聲矢量場空間相關(guān)性的海底聲學(xué)遙測方法在沒有取樣器數(shù)據(jù)以及上層沉積物均勻時是十分有價值的，而盡可能多地考慮不同的組合方式時可以得到更為理想的反演結(jié)果。但仿真過程的假設(shè)條件還比較簡單，與實際的復(fù)雜海洋環(huán)境存在一定的差

15、別，在實際應(yīng)用中還需考慮各向同性體積噪聲背景干擾、海水中聲速剖面和海底分層等因素的影響， 這些將在今后的實驗研究階段作進一步地分析。由于淺海環(huán)境噪聲垂指指向性和海底地聲參數(shù)密切相關(guān)，文獻20 殷寶友.淺海環(huán)境噪聲垂直指向性探測海底參數(shù)J. 應(yīng)用聲學(xué)，2011,30（1）：31-36，21 Chunxia Meng. Geo-Acoustic Parameters Inversion from Vertical Coherence Characteristic of Ambient NoiseJ. Applied Mechanics and Materials. ISSN: 1662-7482,

16、 Vols. 385-386, pp 567-570利用它來反演海底參數(shù)。在水平分層介質(zhì)噪聲場垂直指向性簡正波模型下，討論了海底參數(shù)對噪聲垂直指向性的敏感度，并假設(shè)半無限大液態(tài)海底，采用效率較高的自適應(yīng)單純形模擬退火算法全局尋優(yōu)。鑒于單頻反演聲速和密度在不同頻率的反演結(jié)果不夠一致，文中提出多頻海底參數(shù)聯(lián)合反演方法，提高了反演海底聲學(xué)參數(shù)的精度。利用海洋環(huán)境噪聲垂直指向性反演海底參數(shù)，與傳統(tǒng)的聲傳播反演相比，不需要專門的發(fā)射聲源，設(shè)備簡便，花費少，但取得的反演結(jié)果精度相近，具有一定的優(yōu)勢。2.2 混響信號法混響信號法是利用淺?；祉憯?shù)據(jù)反演海底參數(shù)和海底散射常數(shù)?；祉懶纬蛇^程中聲波多次與海底發(fā)生相

17、互作用，因此海底參數(shù)之間以及它們與海底散射常數(shù)之間的耦合非常嚴重，未知參數(shù)之間的耦合使得常規(guī)地聲反演方法很難獲得海底參數(shù)。 （1）過程文獻42首先利用相對混響強度消除了混響數(shù)據(jù)中的海底散射常數(shù)項，然后利用Hamilton地聲模型，分別將海底聲速、密度和衰減系數(shù)表示成孔隙率的函數(shù)，采用自適應(yīng)下山模擬退火混合反演算法，對單個未知數(shù)(孔隙率)進行反演，最后再分別獲得海底參數(shù)和海底反向散射常數(shù)。理論分析和數(shù)值模擬表明，該方法可以快速準確獲得海底參數(shù)，同時具有很好的抗噪聲干擾能力。文獻42采用的淺海混響模型所涉及的環(huán)境模型如圖1所示，為了簡單起見，這里考慮液態(tài)半無限海底的波導(dǎo)。海水底層的聲速和密度分別為

18、c0和0，海底平均深度為H，海水海底之間的粗糙界面認為是隨機擾動量，用表示，有<>=0。在液態(tài)海底半空間里，海底聲速和密度分別cb和b，海底衰減系數(shù)為圖1中，R0表示源點，R表示聲場中任意一點，R1表示散射點。海底反向散射常數(shù)為常數(shù)，利用相對混響強度來消除參數(shù)。假定混響參考時間為t0，則相對混響強度為：G(t，t0)=I(t)/I(t0)。 利用測量數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)的均方差作為混響反演的目標函數(shù)：利用自適應(yīng)下山模擬退火混合方法進行孔隙率的快速反演。反演出孔隙率之后利用一下三式可計算出海底的密度、聲速和衰減系數(shù)海底密度擬合公式縱波聲速擬合公式海底衰減擬合公式最后將海底參數(shù)代入下式獲得海

19、底反向散射常數(shù)：（2）優(yōu)劣關(guān)于海底參數(shù)頻率關(guān)系的爭論已經(jīng)持續(xù)幾十年了，Biot地聲模型認為海底衰減、海底聲速和頻率之間存在著非線性的關(guān)系，Hamilton地聲模型則認為海底衰減和頻率之間有著簡單的線性關(guān)系，其他參數(shù)和頻率無關(guān)。因為缺少大量有效的測量數(shù)據(jù)，這一爭論至今還沒有令人滿意的結(jié)果。僅考慮了一個水聽器接收混響的反演問題，該方法很容易推廣到垂直陣接收混響數(shù)據(jù)的反演問題上，由于垂直陣的混響信息量比單個水聽器接收混響的信息量大，因此可以預(yù)測垂直陣混響反演的效果會比單個水聽器反演的效果好。2.3 海底反射法考慮到海底反射系數(shù)相位準確測量的復(fù)雜性，以及水中聲場對海底介質(zhì)衰減系數(shù)的不敏感性，將海底視為

20、彈性沉積層覆蓋彈性半無限基底的彈性分層模型，忽略海底聲吸收衰減，用海底反射損失進行海底參數(shù)反演。反演參數(shù)通常包括沉積層密度、縱波速度、橫波速度、厚度及基底的密度、縱波速度、橫波速度共7個參數(shù)。在某些海域，若海底不存在明顯的分層，或分層厚度太小不能分離淺底層反射信號，則可利用海底反射損失估計出海底表層的聲速、密度和分層結(jié)構(gòu)。文獻 23 St´ephanie Gautier, Dominique Gibert. Inversion of roughness parameters of self-affine surfaces from backscattered wavesJ. Geop

21、hys. J. Int., 2005, 160: 797803.反映了介觀（mesoscopic scales）內(nèi)的強烈波動如何解釋自仿射粗糙海底表面的粗糙參數(shù)反向散射波反演。首先建立了反向散射場模型，基于Helmholyz-Kirchhoff 衍射方程，得到如下聲場算法：之后采用貝葉斯反演得到：其中，h0為振幅，H為Hurst指數(shù)，均為海底粗糙度參數(shù)。反演結(jié)果表明： Hurst指數(shù)H反演精度高，振幅h0反演誤差大。所以此方法僅適用于反演Hurst指數(shù)。此方法可用于反應(yīng)地表的粗糙度特性，進而可以用來研究這些自然分界面的成因和變化。不同研究在不同方面都做出了優(yōu)化。1、參數(shù)方面，文獻27 鄭廣贏.

22、彈性分層海底參數(shù)的迭代反演方法J.聲學(xué)技術(shù), 2013,32(5):84-86.考慮了沉積層中微弱的橫波影響，反演的參數(shù)更加全面。提出了依據(jù)沉積層厚度可能的變化范圍選取反演所需的聲信號頻率的方法，并采用迭代反演方法，依此可準確地反演沉積層厚度、縱波參數(shù)和橫波參數(shù)等參數(shù)。這種反演要注意所需要聲波頻率的選擇，頻率f1，f2分別為反射系數(shù)幅值僅涵蓋橫波信息和縱波信息的極限頻率，反演時小于f1會缺失縱波信息，大于f2會缺失橫波信息。因此反演時頻率建議在f1和f2之間選取。2、精度方面，普通的基于海底反射損失的反演方法，相對于匹配場反演，可以較高分辨地反演局部海底的分層厚度、密度和聲速，但對海底衰減系數(shù)

23、不敏感。有些方法采用拖曳聲源和固定的接收點，通過提取海底反射損失曲線來反演海底參數(shù)，可以較好地估計海底表層的聲速和密度，但其缺點是聲源拖曳在離海面幾十厘米的位置，海浪起伏影響較大，且由于聲源距離不斷變化和聲速剖面波動，提取的海底反射損失波動較大。因此，文獻26 楊坤德.利用海底反射信號進行地聲參數(shù)反演的方法J.物理學(xué)報,2009，58（3）：1798-1805. 提出了一種優(yōu)化的地聲參數(shù)高分辨反演方法。在短距離、多個深度位置上發(fā)射寬帶信號，采用垂直陣進行接收，接收點處的多徑到達時間和幅度可通過匹配濾波技術(shù)提取。然后，對不同的聲源深度和接收深度，估計出海底表面反射損失隨掠射角、頻率的變化曲線后，

24、進行海底表層密度和聲速的反演。最后，對明顯的淺底層反射信號，估計出海底表面反射和淺底層反射信號的到達時差；假定水深、聲源深度、接收深度和聲速剖面為已知，并假設(shè)沉積層厚度和速度為不同值時，利用射線跟蹤程序，可計算出海底表面反射和淺底層反射信號的到達時差。圖2給出了從聲源到接收點的四條特征聲線，即直達波、海面反射波、海底表面反射波和淺底層反射波。若海水聲速剖面和實驗幾何參數(shù)已知，則沉積層厚度和聲速可通過以下目標函數(shù)進行估計其中I是數(shù)據(jù)樣本的數(shù)量，tm與tr分別是實驗測量和模型計算得到的到達時間差。利用淺底層反射估計沉積層的衰減系數(shù)本方法有如下幾點優(yōu)勢：（1）將聲源固定在近距離和不同深度上連續(xù)發(fā)射寬

25、帶信號，通過脈沖壓縮和時間平均，可以提取更穩(wěn)定的海底反射損失。（2）在淺海環(huán)境中，直達波通常會受到內(nèi)波的影響而存在較大的波動，選擇海底表面反射路徑作為參考，來估計淺底層反射的到達時間和幅度，穩(wěn)定性更高。（3）高分辨淺底層剖面聲納以垂直方式照射海底，由于沉積層的厚度和聲速的耦合性，而不能精確地加以估計，然而，采用不同的聲源和接收深度幾何配置，可以同時求解沉積層的厚度和速度。（4）沉積層衰減對遠距離傳播損失較敏感，但本文方法采用淺底層反射的頻率依賴性，為在短距離估計沉積層衰減系數(shù)提供了可能。3、維數(shù)方面，多維反演復(fù)雜耗時長，因此也有不少研究旨在海底單參數(shù)反演。文獻24 屈科.利用時域波形快速反演海

26、底單參數(shù)的方法J. 物理學(xué)報, 2013,62(22).就是基于海底反射損失的利用時域波形快速反演海底單參數(shù)的方法。首先定義了小掠射角下反射損失隨掠射角變化率 FdB為單個參數(shù)描述海底性質(zhì)，構(gòu)建單參數(shù)反演模型。其次，從簡正波與射線理論出發(fā)，對時域脈沖波形與海底反射性質(zhì)之間的關(guān)系進行了推導(dǎo)，并討論衰減機制；最后，基于該關(guān)系設(shè)計出利用最小二乘法對時域波形進行反演的方法。該方法實施僅需要單個水聽器，待測物理量少，所獲結(jié)果較為可靠，且能滿足大多數(shù)應(yīng)用的需要。而且其推導(dǎo)過程中采取一些近似，在很多復(fù)雜的實際情況中的準確性仍需要去驗證。其適用范圍及效果需要在實驗中進一步檢驗，并依據(jù)具體問題對反演方法進一步優(yōu)

27、化。 4、方法上，文獻40完全采用非線性貝葉斯反演方法對海底反射率做出嚴格的統(tǒng)計檢驗。具體的方法是用時間跟蹤記錄場單個接收機停泊在較低的來源地，然后用軌道穿越接收機傳輸在固定范圍的增量。一個數(shù)據(jù)由貝葉斯聯(lián)合域反演，再利用優(yōu)化的結(jié)果域頻率信息來反演。還有其他研究再研究模式上進行了完全的創(chuàng)新。文獻25 GUO Yong-Gang. Time-domain Geoacoustic Inversion Based on Normal Incidence reflection from layered sediment.Chin. Phys. Lett,2006,23(9):2483-2486. 提出了

28、一種建立在用垂直入射反射數(shù)據(jù)反演出的穩(wěn)定的沉積物聲阻抗基礎(chǔ)上的新的地聲學(xué)反演方法。通過一個低通濾波器過濾垂直入射反射數(shù)據(jù)，低頻（小于400Hz）信息在還原阻抗中是至關(guān)重要的，因為它提供了阻抗的趨勢信息。在靠近海底的十米范圍內(nèi)，在低頻中，由于衰減而損失的能量遠遠少于高頻中的，并且界面韌性和不均勻性的散射分量可以大大減少。海底以Goupillaud 模型建模，得到第i層的阻抗。將阻抗視為一個基于漢密爾頓經(jīng)驗公式的孔隙度函數(shù)，畫出孔隙度曲線即可得到速度和密度變化曲線。2.4 傳播損失法 文獻28 屈科.利用傳播損失反演海底單參數(shù)J.聲學(xué)學(xué)報, 2013,38(4): 473-476.44 彭漢書.由

29、矢量水聽器陣列反演淺海地聲參數(shù)J.聲學(xué)技術(shù)，2008,27(2):163-167.根據(jù)地聲反演復(fù)雜性隨著待反演參數(shù)的個數(shù)減少不斷降低的原理，提出一種利用傳播損失反演海底單個參數(shù)的方法。通過對海底聲阻抗的推導(dǎo)，利用聲速、密度和衰減系數(shù)擬合出海底反射損失對掠射角的斜率F?；诤喺ɡ碚撏茖?dǎo)了用F描述聲場的公式，并據(jù)此設(shè)計出對傳播損失數(shù)據(jù)進行最小二乘法處理的反演方法。得益于將待反演參數(shù)減少至一個，該方法只需單個水聽器，避免了復(fù)雜測量及多維尋優(yōu)。但傳播損失預(yù)測及海底性質(zhì)估計與實驗結(jié)果符合良好，在反演簡單的同時能夠獲得多維反演一樣有效可靠的結(jié)果。根據(jù)Weston的理論，淺海衰減隨距離依次服從4種衰減規(guī)律

30、，分別是：球面擴展、柱面擴展、“三分之二方”多號簡正波干涉區(qū)、單號簡正波柱面擴展衰減。采用無限大均勻液態(tài)海底模型，取靠近海底海水聲速，以上4種衰減規(guī)律的單參數(shù)表達式如表1。多號簡正波干涉區(qū)的衰減受到單參數(shù)F的控制可以近似表達為簡單的關(guān)系式：利用若干距離上聲強衰減的數(shù)據(jù)和以上各衰減表達式，即可以直接擬合出海底反射損失隨掠射角變化率F。值得指出，盡管單參數(shù)反演在水平不變的軟質(zhì)高速海底情況下能快捷地獲得相對可靠結(jié)果，但是仍然存在待研究的地方。如何將該方法推廣到傾斜海底及復(fù)雜海水聲速梯度情況；硬質(zhì)高剪切速度底質(zhì)是否有效；當海面及海底散射效果不可忽略時如何處理等問題是下一步研究的方向。3 基于統(tǒng)計理論的

31、反演以統(tǒng)計分析理論為基礎(chǔ)，從實測數(shù)據(jù)出發(fā)，用最小二乘法等方法得出聲速與物理參數(shù)的關(guān)系式，再用聲速預(yù)報經(jīng)驗方程反演沉積物物理參數(shù)。海底沉積物聲速預(yù)報經(jīng)驗方程可分為四類：單參數(shù)線性方程、多參數(shù)線性方程、單參數(shù)多項式方程和多參數(shù)多項式方程。經(jīng)驗方程的通式為式中，c代表壓縮波聲速或者切變波聲速;A， B為系數(shù)矩陣;X表示沉積物物理參數(shù)組合。 單參數(shù)線性方程反演最為明了，方程解算簡單。海底沉積物的許多物理參數(shù)之間具有較好的線性關(guān)系，但與聲速一次線性相關(guān)性較差，為非線性相關(guān)性，因此較少采用單參數(shù)線性方程。兩個參數(shù)以上的多參數(shù)多項式方程包含了影響聲速的多因素的信息，但由于多物理參數(shù)之間有關(guān)聯(lián)，具有耦合性，無

32、法實現(xiàn)參數(shù)反演，因此很少被采用。廣為采用的是單參數(shù)二次方程或雙參數(shù)線性方程，以此為基礎(chǔ)建立反演方程。應(yīng)用雙參數(shù)線性反演公式受到的限制小，無臨界聲速限制、不需要選擇方程的符號。通過擴大建立經(jīng)驗方程的適用范圍和提高它的精度，兩種模式的反演方程的精度都可以相應(yīng)提高。3.1 匹配場法11 唐曉丹.利用匹配場方法反演海底單參數(shù)J. 聲學(xué)技術(shù),2013,32(3):208-211.匹配場反演 ( MFI，Matched Field Inversion)利用水聽器陣接受信號和包括聲源位置在內(nèi)的聲音，來逆推海洋信道信息。MFI的難易主要取決于反演參數(shù)的數(shù)量，一般地，未知參數(shù)越多，反演問題就越復(fù)雜，因為在多維參

33、數(shù)空間中存在眾多的局部最優(yōu)點，使得全局最優(yōu)解的獲取十分困難。同時，某個參數(shù)反演的有效性依賴于在反演過程中它對目標函數(shù)的影響力，即參數(shù)的敏感性。敏感性強的參數(shù)比敏感性弱的參數(shù)能取得更好的估計結(jié)果，在測量海底聲學(xué)參數(shù)的實際海洋環(huán)境中，聲源和接收位置的距離這兩個參數(shù)常常無法準確測量，在這種情況下，需要采用匹配場反演方法來估計海底的聲學(xué)參數(shù)。其原理為：基于單參數(shù)海底模型的匹配場反演中，以單參數(shù) FdB和海底聲速 c作為匹配物理量。在 N個不同距離 ri上，拷貝場傳播損失 TLm(ri)與實驗測量傳播損失 TL(ri)之差的絕對值為 TL(ri)，在不同距離上的 TL(ri)的平均值為 DT L，定義

34、TL(r)的標準偏差作為代價函數(shù)：對于較低頻率的二維海洋環(huán)境，上式中的拷貝場傳播損失可以用簡正波理論來計算。利用稍加修改的 Kraken 計算模型，輸入單參數(shù)海底模型的模FdB與相位變量 F這兩個變量，來計算拷貝場的傳播損失。通過窮舉法搜索 FdB及 c 的值，使代價函數(shù)最小的值即為反演值。匹配場反演方法常用于遠距離實驗數(shù)據(jù)，反映了水體和海底空間變化環(huán)境的平均效果，對海底密度和衰減系數(shù)的敏感性較小，且反演參數(shù)多，存在不唯一性?；趶?fù)雜的Biot模型和淺底層剖面聲納垂直反射數(shù)據(jù)，Schock提出了一種估計海底物理和聲學(xué)參數(shù)的方法，但其需要估計Biot模型的13個參數(shù)，過程復(fù)雜。但改進的單參數(shù)匹配

35、場反演方法的反演維數(shù)較小(位置參數(shù)只有兩個)，尋優(yōu)計算量較小，由于單參數(shù)及海底聲速對傳播損失比較敏感，反演結(jié)果較穩(wěn)健。3.2 垂直陣或水平陣聲場空間結(jié)構(gòu)法垂直陣、水平陣（拖線陣）都是基于匹配場法的特殊改良的反演方法?；静襟E為：建立傳播模型建立目標函數(shù) 尋優(yōu)算法 反演結(jié)果的不確定性分析。3.2.1 拖線陣（HLA）文獻12的傳播模型，采用水平變化環(huán)境下的RAM模型（RAM是基于拋物方程的一種精確解決水平變化環(huán)境下聲場傳播問題的方法，能夠應(yīng)用于海底分層介質(zhì)問題中，易于處理復(fù)雜海底地形）。目標函數(shù)方面，考慮到海洋聲傳播的頻率依賴性，利用寬帶信號則可以得到更多的聲場傳播信息，取得更精確、更穩(wěn)健的反演

36、結(jié)果。寬帶匹配場處理方法主要包含2種：一種是傳統(tǒng)的非相干方法，另一種是相干方法。文章中用頻率非相干而距離相干的Bartlett匹配處理器：式中：Nf表示寬帶信號頻率數(shù)量;Nx表示要計算的距離個數(shù)(拖線陣水聽器陣元個數(shù));pij與qij分別代表測量場與拷貝場向量(其中表示共軛)。 文獻13 T.C. Yang. Subbottom profiling using a ship towed line array and geoacoustic inversion. J. Acoust. Soc. Am., Dec. 2007,122(6):3338-3352.則考慮如下步驟來得到反演模型：理論計算

37、其中t是射線傳播時間，x是沿射線路徑上的水平距離，p是水平延遲對于淺海底每層（例文分2層），有：模型建立： 文獻14Dag Tollefsen. Bayesian geoacoustic inversion of ship noise on a horizontal Array. J. Acoust. Soc. Am., Dec. 2007,124(2):788-795.對從一個安靜的水面艦艇上記錄下停泊在淺水中的水平線陣列數(shù)據(jù)運用聲學(xué)反演低頻窄帶聲。為了提高低噪聲數(shù)據(jù)的信息含量，其效果包括多個獨立的數(shù)據(jù)段的反演研究和顯示顯著降低聲學(xué)參數(shù)的不確定性。反演結(jié)果總結(jié)顯示：（1）本反演中的多個數(shù)據(jù)段

38、，導(dǎo)致顯著降低地聲學(xué)參數(shù)的不確定性估計。（2）更高的信噪比與船船尾向數(shù)組。船舶噪聲短程出站是最有益的反演結(jié)果。3.2.2 垂直陣(VLA)文獻 16對沉積物模型歸類，選取了一種高聲速海底沉積物聲速結(jié)構(gòu)模型作為反演的理論模型，采用射線理論對聲線經(jīng)表層傾斜海底沉積層傳播的模型進行研究，建立了聲場預(yù)報模型。文獻 1718Steven A. Stotts. Geoacoustic Inversions of Horizontal and Vertical Line Array Acoustic Data From a Surface Ship Source of Opportunity. IEEE J

39、OURNAL OF OCEANIC ENGINEERING, VOL. 35, NO. 1, JANUARY 2010: 79-102鏈接有問題均用了類似的方法，在此不一一贅述了。3.2.3 兩種陣的優(yōu)劣比較文獻 14不僅用了垂直線陣收集處理數(shù)據(jù)，還用了水平線陣法與之對比。文章運用單元VLA數(shù)據(jù)反演，討論了與HLA反演數(shù)據(jù)相同的時間間隔內(nèi)淺水各參數(shù)變化和異同點。 拖線陣垂直陣反演結(jié)果大體上相近，對于參數(shù)的不確定性，聲速、沉積層厚度以及水深等參數(shù)較敏感，而吸收系數(shù)和密度的敏感性均較弱。不同的是，對于沉積層厚度、吸收系數(shù)、終點處水深這3個參數(shù)，水平陣反演結(jié)果還要好于垂直陣。究其原因，主要是因為水平

40、陣孔徑較大，在水平距離方向上采樣充分，得到了足夠多的聲場信息，而垂直陣長度雖然接近全水深，但是在水平變化環(huán)境中不足以得到足夠多的水平變化信息，導(dǎo)致不確定性增加。垂直陣(VLA)可以實現(xiàn)海底聲學(xué)參數(shù)的反演，但是其機動性較差，無法實現(xiàn)大面積海域海底聲學(xué)參數(shù)的快速獲取，而且隨著聲源與VLA之間距離的增大，水平變化環(huán)境將嚴重影響VLA的反演效果。拖線陣的優(yōu)勢在于能夠快速機動，聲源與接收陣可以同時拖動，保持較近的相對距離，從而減弱甚至忽略水平變化性對反演性能的影響。2.2.4 應(yīng)用 編號測量海底聲學(xué)參數(shù)：以獲取海底信道信息本身為目的；匹配場噪聲控制技術(shù)研究：是匹配場處理領(lǐng)域的一個新的熱點問題。2003年

41、，馬遠良等首先總結(jié)了水聲系統(tǒng)受近場和遠場離散噪聲源嚴重干擾的事實，從物理上分析了離散噪聲源對水聲系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的復(fù)雜現(xiàn)象及原因，并以拖曳線列陣為例，詳細論證了干擾的過程以及對系統(tǒng)檢測性能的嚴重影響?；趯ζヅ鋱鎏幚砑夹g(shù)和最優(yōu)陣列信號處理技術(shù)的深刻理解，作者提出了將兩者結(jié)合以消除水面源的干擾，這就是所謂匹配場噪聲抑制。海洋救生與海洋考察3.3 貝葉斯統(tǒng)計反演法高偉-向量機根據(jù)貝葉斯統(tǒng)計反演理論，聲場測量數(shù)據(jù)和未知海底參數(shù)都被看成是隨機變量，對于給定的聲場測量數(shù)據(jù)向量d，一個反演問題的解是未知海底參數(shù)向量m滿足的PPD：文獻41提出了一種跨維度的貝葉斯反演。利用聯(lián)合反演（光譜強度指數(shù)）和反式維貝葉斯

42、抽樣方法。將沉積層的數(shù)目和順序在誤差模型的自回歸參數(shù)作為未知數(shù)先驗分布，允許流體沉積層反演彈性基底的推導(dǎo)和實施?？紤]三種情況：散射反演，反演聯(lián)合散射和反射，并與模型聯(lián)合反演。提出了一個多項式樣條為基礎(chǔ)的跨維度的反演參數(shù)，該方法應(yīng)用良好，但只在解決板型結(jié)構(gòu)方面更有優(yōu)勢。33.13.23.33.4 快速場反演文獻37 祝捍皓.快速場(FFP)算法反演海底參數(shù)研究J.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,2012,33(5):648-653 在 Pekeris 海洋聲場模型的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了基于快速場 (FFP) 理論的兩層彈性海底聲場計算公式，討論了其傳播規(guī)律。快速場(FFP) 算法反演中，采用了實際測得的傳播損失與

43、FFP 理論計算值相等的代價函數(shù)，討論了其對各海底參數(shù)的敏感度。對于兩層海底介質(zhì)，建立如圖1 所示坐標系： 圖1 兩層海底聲場環(huán)境模型文獻38針對具有彈性海底的淺海波導(dǎo)環(huán)境，基于快速場方法（FFM）對波阻抗（定義為流體中聲壓場p與振速v的商：Z=p/v）在地聲參數(shù)反演中的應(yīng)用進行了研究。理論研究與仿真結(jié)果均表明，快速場方法對彈性海底中各參數(shù)均有更好的敏感度，同時對兩類海底參數(shù)的耦合作用具有更好的分辨力，更適用于對海底參數(shù)的反演研究?；诳焖賵龅臏\海聲矢量場模型,仿真環(huán)境與波導(dǎo)參數(shù)如圖 1 所示。利用快速場方法，圖 1 環(huán)境下流體層中聲壓場 p 與振速場 v 可分別表示為：3.5 快速場反演文獻

44、43采用優(yōu)化的回聲包圍匹配法(optimized echo-envelope matching)，得到了海底反向散射模型。I(t) 為海底總粗糙度Ii(t) 與海底沉積物交界面特性有關(guān)Iv(t) 與沉積物體積散射系數(shù)有關(guān)對該方法的實測分析顯示：估計的沉積物的平均顆粒大小偏離了真實值，而粗糙度特征和體積特性得到了較為準確的反演。4 分步聯(lián)合反演方法基于以上基本反演模型和方法的基礎(chǔ)上，研究者提出了分步聯(lián)合反演方法，將不同方法的長處聯(lián)合使用，達到最好的反演效果。文獻33 張學(xué)磊.一種地聲參數(shù)的聯(lián)合反演方法J.聲學(xué)學(xué)報,2009,34(1):54-59.提出了利用簡正波頻散特征結(jié)合聲傳播損失反演地聲參

45、數(shù)的聯(lián)合反演方法考慮到簡正波的頻散特性(群速度)對海底的密度和聲速較為敏感，而對海底吸收系數(shù)不敏感，利用自適應(yīng)時頻分析方法，獲得不同頻率不同號數(shù)簡正波的到達時間差，以此作為代價函數(shù)，采用全局優(yōu)化算法，反演出海底密度和海底聲速的分層結(jié)構(gòu)。由于群速度對海底吸收系數(shù)的不敏感，根據(jù)文獻聯(lián)合反演方法，可先假設(shè)一個海底吸收系數(shù)，先反演海底的密度和海底聲速參數(shù)。同時，考慮到海深對簡正波頻散特征較為敏感，且實際測量的海深會有一定的不確定性，把海深也作為一個反演參數(shù)，這樣待反演向量M就包含7個待反演參數(shù)：海深H1、沉積層厚度H2、沉積層和基底的密度1和2、沉積層上下邊界及基底的聲速c1，c2和c3。其他類型的分

46、步聯(lián)合反演方法則是在信號和數(shù)據(jù)處理進行聯(lián)合，提高了反演精度。矢量水聽器能同時測量聲壓和質(zhì)點振速信號，是一種重要的水聲傳感器。理論與實驗研究表明，不同號簡正波對聲矢量場有不同的貢獻。高號簡正波由于衰減大而快速減小，對于聲壓信號與質(zhì)點水平振速信號，低號簡正波起主要作用。但是低號簡正波對應(yīng)的簡正波掠射角小而對質(zhì)點垂直振速信號貢獻變小，相反高號簡正波起相對重要作用。文獻31 李風(fēng)華.由矢量水聽器陣反演海底地聲參數(shù)J. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報. 2010,31(7):895-902.在此基礎(chǔ)上提出一種新的基于矢量聲場的將聲壓和質(zhì)點振速相聯(lián)合的地聲反演方法，可以提高目前基于聲壓場的海底聲學(xué)參數(shù)反演精度。這為矢

47、量水聽器應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測提供了一種新方法。文獻【32】 笪良龍.基于多步優(yōu)化策略的地聲參數(shù)反演方法與研究J. 船舶電子工程,2012,12(32):136-138.針對不同參數(shù)選擇不同類型的代價函數(shù)和信號頻段，提出了一種多步優(yōu)化地聲反演方法。首先，選用Westwood寬帶匹配場處理器(基于信號頻譜相關(guān)程度的代價函數(shù))處理低頻段數(shù)據(jù)，依據(jù)此代價函數(shù)對底質(zhì)聲速和底質(zhì)密度的敏感性較強，以及底質(zhì)聲速在低頻下比較敏感，重點反演底質(zhì)聲速，同時記錄底質(zhì)密度的初步反演估值。然后，固定底質(zhì)聲速，選用Westwood 寬帶匹配場處理器處理高頻段數(shù)據(jù)，依據(jù)此代價函數(shù)對底質(zhì)密度的敏感性也較強，以及底質(zhì)密度需要在盡可

48、能全地估計出其他參數(shù)的條件下處理，重點反演底質(zhì)密度，再結(jié)合第一步的初步反演估值，綜合得出底質(zhì)密度真值。最后，固定底質(zhì)聲速和底質(zhì)密度，選用基于傳播損失標準偏差的代價函數(shù)，依據(jù)此代價函數(shù)對底質(zhì)衰減系數(shù)敏感性較強，以及底質(zhì)衰減系數(shù)需要在其他參數(shù)已準確估計的條件下處理，反演底質(zhì)衰減系數(shù)。多步優(yōu)化反演方法與直接全參數(shù)反演相比更符合參數(shù)敏感性原則，更能保證敏感性較弱參數(shù)反演的可靠性，提高得到全局最優(yōu)解的概率。 文獻35分析不同海底參數(shù)對環(huán)境噪聲垂向空間特性的敏感度，根據(jù)海底密度對環(huán)境噪聲垂直指向性的小掠射角部分不敏感，而對等效海底損失的大掠射角部分相對敏感的特點，提出了一種海洋環(huán)境噪聲分步反演地聲參數(shù)方法

49、：先用環(huán)境噪聲垂直指向性小掠射角部分反演海底聲速、衰減；之后利用大掠射角部分來反演海底密度。從分布規(guī)律來看，分步法聲速和密度概率分布比單步法更集中。55.15.25.35.45.55.65.75.86 反演優(yōu)化算法新章節(jié)參數(shù)反演最重要的過程就是對目標函數(shù)進行參數(shù)搜索空間上的優(yōu)化，從而找到使目標函數(shù)最匹配的全局最優(yōu)點，使反演的參數(shù)盡可能接近實際值，達到較高精度。6.1 數(shù)據(jù)篩選算法因為數(shù)據(jù)計算需要大量時間，數(shù)據(jù)的篩選非常關(guān)鍵，選取幾個有代表性的水聽器的數(shù)據(jù)，即可達到高質(zhì)量的反演結(jié)果和較少的反演時間。文獻25Geoacoustic Inversions of Horizontal and Vert

50、ical Line Array Acoustic Data From a Surface Ship Source of Opportunity2010編號在數(shù)據(jù)篩選方法上有部分優(yōu)化和改進。篩選算法應(yīng)用于識別與測量的接收頻率水平（RL）反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和反演這些頻率的一個子集，定性進行了反演解的精度評估，通過比較測量的傳輸損失（TL）與建模從解參數(shù)值計算TL。然后，用一套后評估處理指標作為定量驗證的部分反演得到的解。文獻35使用PCA (principal component analysis) 用來篩選數(shù)據(jù)，以保證輸入數(shù)據(jù)的有效性最大。6.2 目標函數(shù)搜索算法6.2.1 模擬退火算法文獻25Geoac

51、oustic Inversions of Horizontal and Vertical Line Array Acoustic Data From a Surface Ship Source of Opportunity2010編號即采用模擬退火算法（SA），該方法是類比于自然界的優(yōu)化過程，是熱動力退火過程，通過隨機地擾動模型參數(shù)，并接受使目標函數(shù)變小的模型參數(shù)和有概率的接受跳出局部小的模型參數(shù)，最終能較好地收斂到搜索空間里的最小值。6.2.2 遺傳算法文獻5采用遺傳算法進行尋優(yōu)。遺傳算法（GA），是類比于自然界的優(yōu)化過程，是遺傳進化過程，通過隨機地進行雜交和變異使模型的種群得以在遺傳中進化

52、，最終都能較好地收斂到搜索空間里的最小值。6.2.3 SVMA算法匹配場統(tǒng)計反演海底聲參數(shù)的根本目的是求解未知參數(shù)的后驗概率分布(PPD)。針對現(xiàn)有各種求解參數(shù)PPD的數(shù)值方法如窮舉搜索、Markov Chain Monte Carlo采樣、最近鄰域插值近似算法普遍存在計算速度慢、時間長、難以滿足實際應(yīng)用的問題，文獻19 高偉.一種基于支持向量機的海底聲學(xué)參數(shù)快速統(tǒng)計反演方法J.聲學(xué)學(xué)報,2010,35(3):343-352. 提出一種基于支持向量機的海底聲學(xué)參數(shù)快速統(tǒng)計反演方法SVMA算法。該方法基于支持向量機強大的小樣本學(xué)習(xí)能力和泛化能力，能夠在小樣本采樣的情況下，通過訓(xùn)練學(xué)習(xí)擬合未知海底

53、聲參數(shù)和后驗概率之間存在的函數(shù)關(guān)系，有效地估計參數(shù)PPD。其工作流程如下圖所示。與ESA、MCMC、NNIAA等傳統(tǒng)參數(shù)PPD的求解方法相比，SVMA算法顯著減少了聲場傳播模型的計算次數(shù)，節(jié)省了計算時間。而且，SVMA算法把機器學(xué)習(xí)和貝葉斯統(tǒng)計反演兩個不同的研究領(lǐng)域聯(lián)系起來，有助于把機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的大量更新、更實用的研究成果引入到參數(shù)PPD的求解問題中，對擴大支持向量機的應(yīng)用范圍、促進貝葉斯統(tǒng)計反演方法的進一步發(fā)展具有重要的意義。然而，SVMA算法目前只適用于低維(不大于5)海底參數(shù)的反演問題，對于高維反演問題由于未知參數(shù)的增多，使得采用標準支持向量機對代價函數(shù)的擬合變得困難，并不能保證該方法在

54、高維反演間題中仍然具有很好的小樣本估計能力。如何改進算法或引進更先進的機器學(xué)習(xí)工具解決高維參數(shù)PPD的快速求解問題，是今后進一步研究的方向。 6.2.4 迭代反演算法一般而言，頻率越高，目標函數(shù)對各反演參數(shù)的敏感性越高，反演結(jié)果的精度越高。因此文獻24考慮先采用低頻的聲反射損失進行反演以初步縮小參數(shù)的范圍，再依據(jù)新的反演范圍確定可采用的高頻聲信號的頻率，利用該頻率聲信號的反射損失進行反演以提高反演結(jié)果的精度。該反演方法流程框圖見圖26.2.5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演方法（1）局域濾波法文獻29 高偉.利用局域濾波方法反演地聲參數(shù)J.應(yīng)用聲學(xué),2011,30(4):254-263. 針對現(xiàn)有地聲參數(shù)反演方

55、法在分批分時處理海量數(shù)據(jù)時不能同時兼顧反演速度和精度、難以滿足實際需要的不足，發(fā)展了現(xiàn)有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演方法通過估計反演算子的方式來解決反演實時性問題的重要思路，著重關(guān)注了反演環(huán)節(jié)(1)和(3)：首先構(gòu)造了一個同時包含有聲場幅度和相位信息的陣列觀測數(shù)據(jù)向量，進而提出了一種在陣列實測數(shù)據(jù)的局域空間內(nèi)利用加權(quán)最小二乘濾波反演地聲參數(shù)的新方法。利用R中局域近鄰點之間的關(guān)聯(lián)性(即局域范圍內(nèi)映射關(guān)系的相似性)來近似f的方法，最終可得到局域濾波反演算子： 該方法有如下特點：速度上，盡管采用本文方法分批分時處理海量數(shù)據(jù)仍要對每一組數(shù)據(jù)都需要重新估計反演算子，但該過程卻不涉及任何前向模型的計算，因此仍然可以保證一

56、定的計算速度，尤其與全局搜索算法相比速度優(yōu)勢顯著。對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演方法，處理一組新的數(shù)據(jù)并不需重新估計反演算子，因此在計算速度方面要優(yōu)于本文方法。精度上，與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演方法相比，本文方法的新數(shù)據(jù)向量更充分地利用了聲場觀測信息，局域濾波又避免了整體平滑效應(yīng)，從而提高了反演精度。如果僅對單一的一組數(shù)據(jù)處理，全局搜索算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和本文方法在前向模型的調(diào)用次數(shù)、總的計算時間等方面相差無幾，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法以及本文方法在計算速度上并無優(yōu)勢，而且全局搜索算法的反演精度相對較高。因此，在對小數(shù)據(jù)樣本處理時仍建議采用全局搜索算法。后兩種方法的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在對海量數(shù)據(jù)處理的情況。該方法是在反演速度和反演精度之間的一種折中，比現(xiàn)有方法更適用于對大批量實驗數(shù)據(jù)的處理(如普遍存在的長時間、大范圍觀測情形)，特別適用于工程上的分批分時及實時反演，具有廣闊的應(yīng)用前景。（2）ANFIS文獻30 提出一種將模糊推理系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的新型海底聲參數(shù)反演方法ANFIS (adaptive neuro-fuzzy i