利用海底反射信號(hào)進(jìn)行地聲參數(shù)反演的方法

1、3期楊坤德等：利用海底反射信號(hào)進(jìn)行地川參數(shù)反演的方法1799利用海底反射信號(hào)進(jìn)行地聲參數(shù)反演的方法決楊坤德T馬遠(yuǎn)良（西北匸業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，西安710072）（2008 年 5 JJ 2 LI 收到）針対現(xiàn)仃反演方法的缺點(diǎn)，提岀了 -種卑J海底反射信巧的地川參數(shù)高分辨反演方法.它利用短距離川源在 不同深度上發(fā)射寬帶線性調(diào)頻倍號(hào)，采用垂直陣進(jìn)彳J：接收，11先通過匹配濾波方法捉収多徑到達(dá)信息，然后利用海 底反射損失曲線，反演海底表層的聲速和密度，最后利用注底層反射信號(hào)估計(jì)沉積層參數(shù).由海水中直達(dá)波受到 內(nèi)波的強(qiáng)烈影響,選擇海底表面反射作為參考，用以可徹地計(jì)算淺底層反射的相對(duì)到達(dá)時(shí)間和幅度，從而估計(jì)

2、出沉 積層的厚度、速度和衰減系數(shù).通過海上實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了利用淺底層反射信號(hào)反演參數(shù)的有效性.關(guān)鍵詞：海底參數(shù)，反演，淺底層反射信號(hào)PACC： 43303期楊坤德等：利用海底反射信號(hào)進(jìn)行地川參數(shù)反演的方法17993期楊坤德等：利用海底反射信號(hào)進(jìn)行地川參數(shù)反演的方法1799在淺海環(huán)境中，海底的聲速、密度、衰減系數(shù)和 分層特征等地聲屈性，在聲場(chǎng)預(yù)報(bào)、匹配場(chǎng)定 位3工屮十分重要.海底參數(shù)的獲取，除采用海底采 樣、鉆孔等方法進(jìn)行局部測(cè)最外，利用聲學(xué)方法進(jìn)行 海底參數(shù)遙感（地聲反演），具有成木低、速度快、范 圍廣等優(yōu)點(diǎn).己經(jīng)有若干方法用于估計(jì)地聲參數(shù)，如匹配場(chǎng) 反演2F，傳播損失與波形匹配反演，模式幅度反

3、演,淺底層剖面聲納反演】，海底反射損失反 演A2等每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)匹配場(chǎng)反演 常用于遠(yuǎn)跖離實(shí)驗(yàn)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(duì)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.基于復(fù)雜的 Biot模型和淺底層剖而聲納垂n反射數(shù)據(jù), SeW01提出了-種佔(zhàn)計(jì)海底物理和聲學(xué)參數(shù)的方 法,但其需要佔(zhàn)計(jì)Bid模型的13個(gè)參數(shù)，過程復(fù)朵. 某于海底反射損火的反演方法，可以高分辨地反演 局部海底的分層厚度、密度和聲速，但對(duì)海底衰減系 數(shù)也不敏感.文獻(xiàn)11,12采用拖曳聲源和固定的接 收點(diǎn)，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(jì)海底表層的聲速和密度，但

4、其缺點(diǎn) 是聲源拖曳在離海而兒十厘米的位置，海浪起伏影 響較大，且由于聲源距離不斷變化和聲速剖而波動(dòng), 提取的海底反射損失波動(dòng)較大.本文提出新的局部海底參數(shù)高分辨反演方案. 忡先布放一垂n接收陣，然后在短距離、不同深度位 置上布放聲源，通過發(fā)射寬帶信號(hào)，可以提取更穩(wěn)定 的海底反射損失曲線來反演海底表層參數(shù)在某次 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析中，發(fā)現(xiàn)海底表面反射信號(hào)之后，有 很強(qiáng)的淺底層反対信號(hào)，說明在海底內(nèi)部有較強(qiáng)的 反對(duì)界而，同時(shí)發(fā)現(xiàn)海水百達(dá)波受內(nèi)波的影響較大, 選擇海底界而反射信號(hào)作為穩(wěn)健的參考信號(hào)，以減 小聲速剖面波動(dòng)的影響，并使用淺底層反射的相對(duì) 時(shí)間和幅度來佔(zhàn)計(jì)沉積層參數(shù).充分利用淺底層反射信號(hào)來有

5、效地估計(jì)沉積層 參數(shù)，尤其在近距離上估計(jì)海底衰減系數(shù)，國(guó)內(nèi)外還 未見報(bào)道.2. 海底參數(shù)的高分辨反演方法2.1.利用海底反射損失佔(zhàn)計(jì)海底表層參數(shù)*國(guó)家I然科學(xué)基僉（批準(zhǔn)10774119）.陜西省1然科7基礎(chǔ)研究il劃（批準(zhǔn)B ：SJO8bX）7）.聲場(chǎng)聲信息國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金，新世紀(jì)優(yōu)秀 人才支持計(jì)劃和西北1：業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)研究基金資助的課題.t Email： yk（lz）in nw）u eclu cn圖1給出了利用海底反射佔(zhàn)計(jì)海底參數(shù)的原 理.在圖l（j）中，聲源與垂直接收陣的距離為兒十 米至兒百米：垂直接收陣采用稀疏陣元構(gòu)成，覆蓋整個(gè)水域:發(fā)射端的聲源可布放在不同的深度上.若發(fā) 對(duì)一定帶寬的線

6、性調(diào)頻信號(hào)，則通過對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn) 行匹配濾波，可提取山從聲源到接收陣元的信道響 應(yīng)，即特征聲線的到達(dá)時(shí)間和幅度.通過-定的處理 方法（見下文）,可以提取不同掠射角和不同頻率的 海底反射損失，從而佔(zhàn)計(jì)海底參數(shù).在液態(tài)半空間高聲速海底模型下，圖Kb）,（c） 給出了海底聲速和密度的敏感性曲線.可以看出，若 捉収的海底反射損失覆蓋的掠對(duì)角較大，則可以有 效地佔(zhàn)計(jì)海底密度和出速.如果海底為非液態(tài)半空 間，如海底表層存在復(fù)朵的分層，則可利用分層海底 的反射損失模型反演海底參數(shù).在圖1（a）中，將聲源布放在不同深度、不同距 離（如兩個(gè)），并采用覆蓋全水域的垂氏陣進(jìn)行接收, 丄要冃的是使海底反射信號(hào)覆蓋更寬的

7、掠射角，有 利于反演.當(dāng)然，在某些接收和發(fā)射兒何位置，直達(dá) 波、海底反射波和海面反射波之間將很難分開，因此 這些接收點(diǎn)的數(shù)據(jù)不可使用.圖2給出了實(shí)驗(yàn)的兒何示意圖和導(dǎo)出反演方法 的參數(shù).為了獲得海底反射損失，一般可采用以下兩 種方法.如果已知聲源在不同頻率的聲源級(jí)和指向 性，可直接通過接收的海底反射信號(hào)推算海底反射 損失，即= SL - TL, - TM（ - Loss.,（1）其中SL為聲源級(jí),TL|為海底反射路徑的擴(kuò)展損 失,Loss.為海水吸收損失,TM|為海底邊界處的反 射損失.也可用H達(dá)波作為參考進(jìn)行海底反射損火 的計(jì)算，真達(dá)波的幅度用分貝可表示成Ptlir = SL - T1 勺-L

8、oss.，（2a）Tg為直達(dá)波路徑的擴(kuò)展損失.若聲源為無指向性 點(diǎn)源（若有指向性，需根據(jù)直達(dá)波和海底反射波在聲 源處的發(fā)射角修正），并假設(shè)海水吸收忽略不計(jì)，則 利用rr達(dá)波與海底反射波的相對(duì)幅度值可確定海底 反射損失TMp仏-件=-TL, - TM, + TU， （2b） 其中'叫，叫用射線模型可以計(jì)算，=- 根據(jù) 測(cè)量數(shù)據(jù)獲得.改變發(fā)射聲源的深度與跖離，通過對(duì)垂H陣接 收信號(hào)進(jìn)行處理，町獲得不同頻率/、不同掠射角0 下的海底反射損失，利用以下冃標(biāo)丙數(shù)可進(jìn)行海底 表層參數(shù)的反演：虹代，“）二 Y Y（TMm（/,0）f e-TMj/,0）2,（3） 其中TMm（/,0）, TMc（/,

9、 0）分別是實(shí)驗(yàn)測(cè)量和模型 計(jì)算得到的海底反射損失.01（）2（）304050儀）70050100150200亞離/m3060湖也/()1(：4901486420掠射角/C）圖1利用海底反射損失佔(zhàn)計(jì)海底衣層參數(shù)的廉理示意圖（a） 發(fā)射唁接收示意圖：（b聲速的敏感性曲線：（c）密度的敏感性 曲線PCPWE3022利用淺底層反對(duì)佔(zhàn)計(jì)沉積層的厚度和速度在圖2中,作為示例，假設(shè)海水和海底為等聲 3期楊坤德等：利用海底反射信號(hào)進(jìn)行地川參數(shù)反演的方法1801速，分別表示成圖2給出了從聲源到接收點(diǎn) 的四條特征聲線，即fl達(dá)波、海而反射波、海底衣而 反射波和注底層反射波.聲源到接收陣的水平距離 衣示為，聲源和

10、接收點(diǎn)離海底的深度分別為h0和 九，海底表面反射信號(hào)的到達(dá)時(shí)間可表示為=（7r2 + 5）+ /h）2）/c°,（4）其中r.和r2表示了海底表面反射的兩條子路徑. 淺底層反射信號(hào)的到達(dá)時(shí)間可表示為（2 =和5 + rjct + r5/ca + rJcQ=5 + r6 ）/c0 + 2rjct=（ft0 + A|）/（ cosin） + 2/?,/（ c4sin/?）» （5） 其中r5,r4，r5和幾表示淺底層反射信號(hào)的四條子 路徑，c、和/r農(nóng)小沉枳層的聲速和厚度，掠射角p 和折射角0滿足Snell定律COS0C。= COS0/C& （6）對(duì)于聲速剖而復(fù)雜的注海

11、環(huán)境，若已知沉積層聲速 “，則可利用対線跟蹤程序確定角度。和0.根據(jù)方 程（4）一（6）,海底表面反射和淺底層反射信號(hào)的到 達(dá)時(shí)間差為二（2 “ =八 h，嘰，虹，.（7）若海水聲速剖面和實(shí)驗(yàn)兒何參數(shù)已知，則沉積層厚 度和聲速可通過以下忖標(biāo)函數(shù)進(jìn)行估計(jì)：0（ = 1/（立（皿-）, （8） 其中/是數(shù)據(jù)樣本的數(shù)益，山與分別是實(shí)驗(yàn) 測(cè)暈和模型計(jì)算得到的到達(dá)時(shí)間差.由丁到達(dá)時(shí)間 差很小,將其倒數(shù)作為目標(biāo)函數(shù).2.3. 利用淺底層反射佔(zhàn)計(jì)沉積層的衰減系數(shù) 水和沉積層中的吸收損失,TM、是聲線折射進(jìn)入海 底時(shí)的折射損失,TMq是反射路徑聲線由沉積層折 射進(jìn)入海水的折射損欠,1M5是在基底界面上的反 射

12、按失.由于收發(fā)趴離很短且頻率較低，水屮的吸收 損失5血可以忽略.在頻率辦，海底表而反射和淺底層反射的幅度 差可表示成（相對(duì)幅度）= P3人 一 P7/ = 一 TL| - TM| + TL?+ TM2 + TM3 + TM4 + Loss/ （11）當(dāng)頻率從變化到厶時(shí)（兒千赫茲范圍）,（11） 式中的擴(kuò)展損失項(xiàng)TL,（ i = 1,2）、界面的反射與折 射損失項(xiàng)TM.（ i = 1-4）,按照射線理論應(yīng)保持不 變.因此不同頻率之間的相對(duì)幅度差表示為Pj _ Pfi = 5ssz 二（心- Rjj，（12） 其中，心和Rq是頻率/，乙的信號(hào)在沉積層中的射 線長(zhǎng)度（單位為波長(zhǎng)入），乙是沉積層衰減系

13、數(shù)（單 位IB/A ）.若沉枳層厚度和速度己知,沉枳層中的射 線路徑長(zhǎng)度乩可以采用射線模型計(jì)算，則（12）式可 表示為P/ - P/i = -（ 13）其中為為頻率差（九），這樣沉積層衰減系數(shù)可 由上式估計(jì).為了佔(zhàn)計(jì)沉積層衰減系數(shù)，將某頻率f海底表 而反射信號(hào)的幅度表示成分貝形式PM./ = SL - TL. - TM - Loss （9） 其中SL為聲源級(jí)，Th為海底反射路徑的擴(kuò)展損 失,Loss*為海水吸收損失,TM|為海底邊界處的反 射損失.對(duì)于如圖2所示的淺底層反射路徑,在接收 點(diǎn)處的聲壓幅度可表示成(10)圖2特征聲線的反射9折射示意圖其中TL,是淺底層反射路徑的擴(kuò)展損失（包括圖2中

14、的路徑r3f r4 r5和%）、Los%和Loss說分別是海值得注意的是，在推導(dǎo)（11）式的過程中，將聲源 級(jí)SL項(xiàng)抵消掉，其前提是假設(shè)聲源沿海底衣而反射 路徑和淺底層反射路徑的聲源級(jí)一樣，如果聲源存 在指向性，則需進(jìn)行一定的修正.同時(shí)，由于選擇海 底表面路徑為參考，因此與聲源的頻率依賴性無關(guān), 即使聲源級(jí)在寬帶范用內(nèi)不平坦，也不影響（13）式 的正確性.2.4. 基于海底反射信號(hào)的參數(shù)反演步驟采用海底反射信號(hào)進(jìn)行海底參數(shù)反演的步驟 如下：1）在短距離、多個(gè)深度位置上發(fā)射寬帶信號(hào),接 收點(diǎn)處的多徑到達(dá)時(shí)間和幅度可通過匹配濾波技術(shù) 提取，其中，采用格個(gè)帶寬信號(hào)提取到達(dá)時(shí)間，以保 證時(shí)間分辨率，而

15、子帶信號(hào)用于提収不同頻率的相 對(duì)到達(dá)幅度.2）對(duì)不同的聲源深度和接收深度，佔(zhàn)計(jì)出海底 表而反射損失隨掠射角、頻率的變化曲線后，進(jìn)行海 底表層密度和聲速的反演.3）對(duì)明顯的淺底層反射信號(hào)，佔(zhàn)計(jì)出海底表而 反射和淺底層反射信號(hào)的到達(dá)時(shí)差:假定水深、聲源 深度、接收深度和聲速剖而為己知，并假設(shè)沉枳層厚 度和速度為不同值時(shí)，利用射線跟蹤程序，可計(jì)算出 海底表面反射和淺底層反射信號(hào)的到達(dá)時(shí)差.4）利用冃標(biāo)函數(shù)（8）式反演沉積層的厚度和 速度.5）根據(jù)反演的沉積層厚度和速度，利用（13）式 反演沉積層的衰減系數(shù).2.5. 海底反射反演方法的特點(diǎn)1）在遠(yuǎn)距離反演方法如匹配場(chǎng)反演中，由F其 對(duì)發(fā)射與接收的兒何

16、參數(shù)敏感，因而反演的參數(shù)一 般在十個(gè)以上，反演結(jié)果存在不唯一性，而且由于海 水和海底的水平不均勻性，將帶來佔(zhàn)計(jì)誤差利用短 距離的發(fā)射與接收配置，不僅對(duì)海底的密度、聲速、 分層厚度均敏感，而且佔(zhàn)計(jì)的參數(shù)數(shù)量少，速度快, 水平不均勻性產(chǎn)生的誤差小.2戊獻(xiàn)11,12沖的局部海底高分辨反演方法, 將聲源拖曳在海農(nóng)而發(fā)射寬帶脈沖信號(hào)，而本方法 將聲源固定在近距離和不同深度上連續(xù)發(fā)射寬帶信 號(hào)，通過脈沖用縮和時(shí)間平均，可以提取更穩(wěn)定的海 底反射損失.3）在淺海環(huán)境中，直達(dá)波通常會(huì)受到內(nèi)波的影 響而存在較大的波動(dòng)，選擇海底表面反射路徑作為 參考，來估計(jì)淺底層反射的到達(dá)時(shí)間和幅度，穩(wěn)定性 更高.4）高分辨淺底

17、層剖而聲納以垂百方式照射海 底，由沉枳層的厚度和聲速的耦A(yù)性，而不能粘確 地加以佔(zhàn)計(jì)，然而，采用不同的聲源和接收深度兒何 配置，可以同時(shí)求解沉積層的厚度和速度.5）沉積層衰減對(duì)遠(yuǎn)距離傳播損失較敏感，但木 文方法采用淺底層反射的頻率依賴性，為在短距離 估計(jì)沉積層哀減系數(shù)提供了可能.3. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證31實(shí)驗(yàn)在某淺海實(shí)驗(yàn)中，布放了自動(dòng)記錄式的垂育線 列陣用于采集水聲數(shù)據(jù)，海水深度79.6 m垂直陣 包含16個(gè)陣元，陣元間距3.75 m,總長(zhǎng)56.25小,最 底端陣元離海底8.2 m,最上端陣元在海而下15.15 m.聲源離垂市陣的水平距離為230心連續(xù)發(fā)射 1.5-4.5 kHz的線性調(diào)頻信號(hào)，掃

18、頻時(shí)間1 s.聲源 深度從15 m變化到65叫間隔10 m，在每個(gè)深度上 發(fā)射信號(hào)5 min.該實(shí)驗(yàn)的兒何配置使海底反射的最大掠射角僅 為30。左右，因此提取的海底反射損失不足以反演海 底表層參數(shù)，木文采用該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證利用淺底 層反射信號(hào)反演沉積層參數(shù)的方法.圖3（a）給出了實(shí)驗(yàn)詢后的聲速剖而測(cè)暈值，兩 次測(cè)量的時(shí)間差為47 min,可看出在30 m到50 m的 深度上，聲速值的變化有5 m/s Z人，聲速剖而的劇 烈波動(dòng)是由內(nèi)波等因索引起的，對(duì)聲傳播有較人的 影響由圖3（a）中的聲速剖面CTD36,利用射線模型 計(jì)算的聲線軌跡如圖3（b）所示其中聲源和接收陣 元的深度分別為45 m,37

19、.65 m,可看出由于聲速在 躍層的復(fù)雜形狀，有四條育達(dá)路徑到達(dá)接收點(diǎn)，它們 之間的干涉將導(dǎo)致直達(dá)波的起伏波動(dòng).圖4是當(dāng)聲源深度為25 m時(shí),對(duì)垂直陣所有16 個(gè)陣元數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配濾波的結(jié)果，濾波的小心頻率 為2 kHz，帶寬為1kHz.可看出不同多徑信號(hào)的到達(dá) 時(shí)間關(guān)系，其中直達(dá)波先到達(dá)，海面反射波和海底表 面反射波的先后次序與陣元深度有關(guān)，淺底層反射 波緊跟海底表面反射波之后.圖5是對(duì)聲源深度25 m、接收深度34.45 m的 信號(hào)進(jìn)行匹配濾波的結(jié)果.圖5（a）是1 min的結(jié)果, 橫軸為多徑到達(dá)時(shí)間縱軸為發(fā)射信號(hào)時(shí)間.圖5 （b）是1 min數(shù)據(jù)的平均強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)差.可看出，直 達(dá)波受水體內(nèi)

20、波等因素的影響波動(dòng)較人，海而反射 波受到內(nèi)波和海而隨機(jī)起伏的影響，也有較人的波 動(dòng)然而，海底反射波的波動(dòng)較小，其主要原因是的 底反射路徑在聲源處的射線出射角比克達(dá)路徑大,3期楊坤徳等：利用海底反射信號(hào)進(jìn)行地聲參數(shù)反演的方法180380I m15001520()2040601>13050 ino 1502(1)歹潘/m圖3實(shí)驗(yàn)測(cè)呈的聲速別山i及其對(duì)卅傳播的影響（G實(shí)驗(yàn)前后 的聲速剖lfll：（b）采川CTD36進(jìn)行射線跟蹤的結(jié)果6()0)02()3()40506()可/“耳1()203040匕、住S士底圖4聲源深度25 »）時(shí)不同床度的多徑到達(dá)結(jié)構(gòu)且向下傳播，因此叉內(nèi)波的影響小.

21、另外的原因足實(shí) 驗(yàn)海區(qū)的海底較平坦，對(duì)1.54.5 kHz范國(guó)內(nèi)的信 號(hào)，海底粗糙引起的聲散射較小，可看作聲學(xué)平滑的 海底界面.102()曲必HP、?。挥?lt;遷4心OO.Ok7時(shí)圖5單個(gè)接收陣九的篡徑到達(dá)信息（G1 min數(shù)據(jù)的連續(xù)顯示：（b）l tnin數(shù)抑;的平均強(qiáng)度（實(shí) 線）和標(biāo)準(zhǔn)方差（虛線）從圖4和圖5可知有明顯的、穩(wěn)定的淺底層反 射信號(hào)，它可用于反演沉積層屬性盡管淺底層反射 信號(hào)的強(qiáng)度比海底表面反射耍弱大約15 dB，但通過 匹配濾波脈沖斥縮方法和時(shí)間' P均，可以得到滿足 精度要求的相對(duì)到達(dá)幅度和時(shí)間.3.2. 反演沉積層的速度和厚度當(dāng)采用匹配濾波處理帶寬1.54.5

22、kHz的線 性調(diào)頻信號(hào)時(shí)，濾波帶寬的選擇需要折中考慮獲得 反射信號(hào)的時(shí)間分辨率和信噪比.帶寬減小,將導(dǎo)致 時(shí)間分辨率降低，并使沉積層界而的散射噪聲在信 號(hào)屮的成分增加.帶寬過大，因?yàn)榉瓷涮卣鞯念l率依 賴性，將使反射特征模糊化和平均化.當(dāng)佔(zhàn)計(jì)到達(dá)時(shí) 間時(shí),采用格個(gè)帶寬以獲得最高的時(shí)間分辨率.對(duì)不同的聲源深度，可佔(zhàn)計(jì)出不同接收深度上 到達(dá)信號(hào)的相對(duì)到達(dá)時(shí)間，并提取出海底表而反射 和淺底層反射的相對(duì)到達(dá)時(shí)間差，然后利用tl標(biāo)函 數(shù)(8)式反演沉積層速度和厚度.選擇具有明顯淺底 層反射的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以分析，對(duì)25 m和35 in深度 上的聲源，分別選擇出7個(gè)和6個(gè)陣兀上的接收數(shù) 據(jù)進(jìn)行反演.利用射線跟蹤

23、模型，計(jì)算不同沉積層速 度、厚度時(shí)的海底表面反射和淺底層反射到達(dá)時(shí)間 差根據(jù)實(shí)驗(yàn)海區(qū)的先驗(yàn)信息，設(shè)定沉積層速度和厚 度的搜索空間分別為15501700 m/s和1 30 in.反演沉積層厚度和速度的忖標(biāo)函數(shù)如圖6( a) 所示，其最優(yōu)值分別為24 m和1640 m/s.可看出，由 J：反演方法基丁-注底層反射的到達(dá)時(shí)間，沉積層速 度和厚度存在較強(qiáng)的耦介.正因?yàn)槿绱耍瑴\底層剖而 聲納以垂直方式照射海底，不能同時(shí)分解沉積層厚 度和速度，通常給出以1500 m/s作為參考速度的沉 積層厚度.然而,木文方法可以解除沉積層厚度和聲 速之間的強(qiáng)耦合，因?yàn)椴煌穆曉瓷疃群徒邮丈疃? 導(dǎo)致聲波在沉積層中具有不

24、同的傳播路徑，使得多 組不同深度上的獨(dú)立接收信號(hào)具有相同的沉積層信 息，為同時(shí)求解沉積層厚度和聲速提供了可能.3.3. 反演沉積層袞減系數(shù)估計(jì)出沉積層速度和厚度后，采用不同頻率點(diǎn) 處海底衣而反射和淺底層反射的相對(duì)幅度，來反演 沉積層的衰減系數(shù).當(dāng)采用匹配濾波技術(shù)處理 1.5-4.5 kHz的線性調(diào)頻信號(hào)時(shí)，濾波器的中心頻 率從2 kHz變化到3 kHz(更髙頻率信號(hào)的信噪比 低)，間隔100 H?，濾波帶寬1 kH?，以觀察淺底層反 射的頻率依賴性.對(duì)具有高質(zhì)量淺底層反射的9紐數(shù)據(jù)集進(jìn)行處 理，圖6(b)給出了處理結(jié)果，其中每條曲線對(duì)應(yīng)每 組數(shù)據(jù)，它表示(13)式中的PJR.,即在某個(gè)聲源和

25、接收深度時(shí)，海底表面反射和淺底層反射的相對(duì)腑 度,除以淺底層反射路徑的長(zhǎng)度可看出總的趨勢(shì) 是，頻率越高，衰減越大,符介一般的海底衰減規(guī)律.20O4<2505()0200101550160016501700沉;沉E占速/ (m/s)2COO 22002401)2600 2HOJ S00C阪卸Hzn對(duì)圖6(b)中的9條曲線進(jìn)行平均，并用直線擬 合平均值，得圖6(b)中的粗實(shí)線，取2 kllz和3 kHz 的差值，并根據(jù)(13)式可佔(zhàn)計(jì)得到沉積層的衰減系 數(shù)為 0.085(IB/A .圖6利用淺底層反射信號(hào)的反演結(jié)果(G沉積層厚度和速度 的：維目標(biāo)函數(shù)，十字線表示繪優(yōu)點(diǎn);(b)相對(duì)衰減曲線及其

26、平 均值:(Q采用100 Hz間隔估計(jì)的沉積層衰減系數(shù)Q注P)、杯廉廻幣1804物 理 學(xué) 報(bào)58卷對(duì)圖6(b)中的每條曲線，若選擇100 Hz的頻率 間隔，采用(13)式來佔(zhàn)計(jì)沉積層的衰減系數(shù)，結(jié)果如 圖65所示，其中粗虛線為平均值.衰減系數(shù)出現(xiàn) 負(fù)值,來自圖6(b)中隨頻率下降的曲線.產(chǎn)生這種 復(fù)雜性的主要原因有海底衣而的粗糙不平整、沉積 層內(nèi)部不均勻性、水體中聲速剖面的擾動(dòng)等.以上因 素也影響了估計(jì)結(jié)果的不確定性，從圖6(c)中可看 出衰減系數(shù)的佔(zhàn)計(jì)范由約為0-0.35(1B/A .3.4.反演結(jié)果的對(duì)比實(shí)驗(yàn)期間，采用高分辨淺底層剖面聲納和地聲 探測(cè)系統(tǒng)3,對(duì)垂育陣附近的實(shí)驗(yàn)海區(qū)進(jìn)行了底

27、質(zhì) 調(diào)査.地聲探測(cè)系統(tǒng)對(duì)海底聲速的測(cè)量結(jié)果是 16201660 m/s,上文反演結(jié)果1640 m/s正好是其中 間值.高分辨淺底層剖而聲納的數(shù)據(jù)分析衣明，在離 海底衣而約22 m處存在一反射層，其中分析時(shí)利用 的信息是垂直入射后返回信號(hào)的時(shí)間，參考聲速為 1500 m/s.若參考聲速選擇1640 m/s，則沉積層的厚 度為24.05 m，與反演結(jié)果24 致.文獻(xiàn)14釆用相同海區(qū)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了聲 速波動(dòng)對(duì)地聲反演的影響.其小采用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是 1 hn距離上的多頻發(fā)射信號(hào)，采用相同的16元垂 苴陣接收數(shù)據(jù)，反演方法是多頻非相干的線性匹配 場(chǎng)處理器.文獻(xiàn)14的反演結(jié)果是：對(duì)沉積層厚度, 最佳估計(jì)

28、結(jié)果為24.2 m,均值和標(biāo)準(zhǔn)方差為24.7 ± 3 m;對(duì)沉積層衰減，最佳估計(jì)結(jié)果為0.05 dB/入,均 值和標(biāo)準(zhǔn)方差為0.2 ± 0.2 dB/A :對(duì)沉積層聲速，佔(zhàn) 計(jì)的沉積層上表而聲速和下表而聲速分別為1596 ±11 m/s, 1620 ± 29 m/s.以上結(jié)果與本文反演結(jié)果 一致.4. 結(jié) 論提出了一種皋于海底反射信號(hào)的局部地聲參數(shù) 反演方法，釆用寬帶發(fā)射信號(hào)和匹配濾波技術(shù)提取 多徑到達(dá)信息，利用海底反射損失反演海底表層的 密度和聲速，并利用淺底層反射信號(hào)反演更深層的 聲速、衰減系數(shù)和分層厚度.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析驗(yàn)證了 方法的有效性.文中所導(dǎo)

29、岀的沉積層衰減系數(shù)反演方法，假設(shè) 了海底衰減的線性頻率依賴性，如果將(12)式屮衰 減系數(shù)衣示成頻率的非線性形式，通過多組數(shù)據(jù)也 可求出衰減系數(shù)隨頻率變化的非線性關(guān)系.此外，在 某些海域，若海底不存在明顯的分層，或分層厚度人 小不能分離淺底層反射信號(hào)，則可利用海底反射損 失佔(zhàn)計(jì)出海底表層的聲速、密度和分層結(jié)構(gòu),將在今 后的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步研究.1804物 理 學(xué) 報(bào)58卷1804物 理 學(xué) 報(bào)58卷I J Ihuuig C» GenUofl Hodgkiss W S 2006 丿.Aariisl Soc. 1m .119 32242 Slia Nolte L U 2005 J. Aams

30、t Soc117 19423 Yang K Ma Y 20C6 Ad<t icuslica 31 399 (in Chinese)楊坤徳. 嗎遠(yuǎn)良2006聲學(xué)啓報(bào)31 3994 Chapman Chin-Bing S> King D Evans R B 2003 IEEE J. (kvanic 卜:ng 28 3205 Yang K. Cluipman lb Ma Y 2007 J. Acuusl. Sx.m. 121 8336 Gctoft Mwkleiilirlliikfr C F 1998 J .c(Aisl. Soc Am . 1048087 Jiang Y Chapman

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33、tion signalsYang Kun-l)e+ Ma Yuan-Liang(CiJIege of Marine» cfrthurstern lJ)teduucal UniversU、 Xi Project supplied by the National Natural Science Fouiidahufi of Cliiiui( Grant No. 10774119) the Natural Science EuutKlation of Sliaaiixi Piwincet Cliina (Grant No.SJ08TO7)» lheof Natiotuil Iil

34、xiraton of ?(ouslics> tlie Pnrain for Nc?w Centun Excellent Talents in Unix entity aixl tlie NPLfur Fuiulaiiiental Kfsean h an 710072* China)(Received 2 May 2008)AbstractIt is in)oi1ant for uudensater acoustic modeling and passive localization to estiniate the geoacoustic properties with high accmucy A geoacoustic inversion scheme was presented > whicli uses a