[发明专利]基于倒置式多波束回声仪的声速剖面反演方法

说明书

本发明公开了一种基于倒置式多波束回声仪的声速剖面反演方法，该方法包括以下步骤：将多波束回声仪倒置式安装于水下潜标或者固定于水底，通过发射换能器阵向水面发射波束，通过接收换能器阵接收回波信号；多波束回声仪根据接收到的回波信号获得回波的到达角和到达时间；根据声速剖面先验信息求解EOF，得到声速剖面的降维基函数描述方法；结合EOF、声线跟踪算法、表面声速以及多波束数据，建立优化模型；根据建立的优化模型、接收到的回波的到达时间和到达角以及表面声速，利用优化算法获得测量区域声速剖面的估计结果。进一步，利用声速剖面的估计值计算测量区域的水温剖面。本发明能够快速、准确地跟踪声速剖面及温度剖面的起伏变化。

技术领域

本发明涉及的是水声测量和信号信息处理技术领域，具体涉及一种基于倒置式多波束回声仪的声速剖面反演方法。

背景技术

典型的海洋系统是一个由众多机理且相互作用的物理、声学、光学、生物、化学及地质过程组成的复杂系统，其内部存在着形式多样的动力过程。这些动力过程以及它们之间的耦合，加上与海床的相互作用，导致海洋内部的不均匀性以及时间与空间上的显著变化。在诸多环境参数中，声速剖面具有明显的时变特性，对声信号传播有重要影响，进而影响水声通信、定位、测绘等声纳系统的工作性能。海洋环境的有效测量技术一直受到关注，是当今水声研究的一个主要方向。

目前获得声速剖面的方式主要有两种，即测量方法与反演方法。直接测量法利用温盐深仪(CTD)通过逐点测量的方式获取声速剖面。这种方法虽然具有非常高的测量精度，但直接测量不仅费时费力，而且无法获取大范围海域动态变化的观测数据，难以满足实际应用的需求。近年来，声学反演技术通过将声传播模型与观测数据相结合，为获取感兴趣的环境参数提供了一种长期、快速、高效的方法，与传统方法相比具有很大的优势。

多波束回声仪在测量过程中，利用特殊的发射和接收波束结构，在一个较宽的范围内形成许多较窄的测量波束，从而一次性获得一个较宽范围内水体回声信息。多波速回声仪采用正交的“T”型的发射接收阵结构，发射阵沿船航行方向布置，形成纵向(沿航行方向)较窄横向(垂直航行方向)较宽的发射波束，形成一个测量条带；接收阵则横向布置，通过接收波束形成处理，形成许多横向较窄而纵向较宽的波束，接收波束与发射波束相交形成许多测量点(脚印)，最后利用各个脚印回波的到达时间与角度计算出整个测量值。近几十年来，利用多波束回声仪的测深技术得到了快速发展，已成为水下勘测的主要手段之一，在海洋工程建设、资源开发、海图绘制、海洋研究与权益维护等方面起到了极为重要的作用。应用于测深时为保证测量精度，数据需经声速剖面修正，同时数据中也包含了声速剖面信息。利用多波束回声仪数据反演声速及温度等水文参数，在改进地形测量精度的同时获取水体环境信息，体现了垂直方向声场-动力的深度耦合关系。

倒置式回声仪长期固定布防于海底，通过测量声波在垂直方向传播时间的变化，反演温度、盐度等物理海洋学参量，可应用于大洋环流、中尺度涡旋、内波等深海观测。目前，倒置式回声仪采用单波束方式，通过最严经验模态方法(GEM-Gravest EmpiricalMode)得到海洋动力参数的剖面分布。在深海情况下，单波束方式的倒置式回声仪测量误差较大。同时，考虑到浅海复杂的温跃层结构与时空变化环境，单波束方式的倒置式回声仪应用受限。

寻找能够准确、快速地获得声速剖面时变特性的反演方法成为目前研究的重点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种基于倒置式多波束回声仪的声速剖面反演方法和基于倒置式多波束回声仪的水温剖面反演方法。

为实现上述目的，本发明所采取的其中一种技术方案是：基于倒置式多波束回声仪的声速剖面反演方法包括以下步骤：

(1)将多波束回声仪倒置式安装于水下潜标或者固定于水底，通过发射换能器阵向水面发射波束，通过接收换能器阵接收回波信号；

(2)多波束回声仪根据接收到的回波信号，获得回波的到达角和到达时间；