[发明专利]基于单固定水听器和单移动声源的海洋地声参数反演方法

说明书

本发明公开了一种基于单固定水听器和单移动声源的海洋地声参数反演方法。所述反演方法包括：利用单固定水听器采集由移动合作声源产生的水声信号；利用声传播的互易性，利用声源移动带来的空间增益，构建虚拟合成阵列接收信号；利用KRAKEN前向模型，在多普勒情况下，计算拷贝声场；对接收信号进行傅立叶变换，在指定频率上，使用频率相干的BARTLETT相关器作为目标函数，计算拷贝声场和测量声场的匹配程度；利用差分进化算法，获取使得匹配程度达到最大值的最优地声参数估计。本发明提供的单固定水听器和单移动声源的海洋地声参数反演方法，能够准确估计海洋地声参数，并提供了资源需求最小化和设备部署便捷化的解决方案。

技术领域

本发明涉及传感器(水听器)采集和海洋探测领域，尤其涉及一种基于单固定水听器和单移动声源的海洋地声参数反演方法。

技术背景

海洋地质方面，海底的沉积层一般被建模为流体，在沉积层底部是硬质的半无限空间，如岩石等，这被称为海洋基底。同样地，一些海洋环境底部则是无沉积层覆盖的基底，介质需要建模为弹性介质，同时支持压缩波和剪切波的传播；海底结构方面，在浅海环境中，声线在水体和海底交界处发生反射，声线传播的多径效应明显。因此，海底的结构和地质、地声特性直接影响声的传播。这些环境参数对于声波传播损失(Transmission Loss,TL)的预测和声纳性能的评估起着非常重要的影响。

地声参数包括沉积层顶部、底部声速、密度、衰减，基底声速、密度、衰减等等，其获取方法主要为直接测量法和间接反演算法。由于直接测量法难度大、开销高，且无法获取全面的地声参数，往往被限制在沉积层的表面几米，间接地通过测量声信号，反演出地声参数，逐渐被学界与业界关注。通过地声参数反演，可以快速地反演出一片海域的地声模型参数，能够最大程度上避免在海底直接测量的困难和危险。

目前常用的地声参数反演方法主要为如下几种：

(1)到达时间分析方法；

(2)模态色散技术；

(3)匹配场反演。

为获取地声参数反演算法必要的测量声场信息，通常利用垂直阵，水平阵，拖曳阵，分布式水下传感网络等等来获取测量声场。声源通常根据反演区域的规模，和不同频率信号在沉积层的穿透能力，选择低频至中频的信号(反演规模由小及大)。通常情况下，水下设备昂贵，部署难度大，在实际过程中，需要考虑如下几个问题：

(1)部署成本，包括使用水听器数量，阵列规模，声源数量等等；

(2)部署难度，包括是否锚底等等；

(3)信号采集方式，包括同步采集等等。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种基于单固定水听器和单移动声源的海洋地声参数反演方法。该方法利用单水听器和单声源，极大程度上降低了设备成本；同时，通过船只拖曳，或使用水下自助航行器(AUV)搭载声源的方式，进一步降低了阵列拖曳或锚节点布放等部署成本。在部署成本和部署难度都维持在较低水平的同时，获取了阵列接收信号相同的效果。同时反演的优化问题中，采用了频率相干的目标函数，摆脱了时间同步的问题，使得不同时刻移动声源的空间增益得以充分利用。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于单固定水听器和单移动声源的海洋地声参数反演方法，其包括以下步骤：

步骤1：利用单固定水听器采集由移动合作声源产生的水声信号；

步骤2：利用声传播的互易性，利用声源移动带来的空间增益，构建虚拟合成阵列接收信号；

步骤3：利用KRAKEN前向模型，结合移动声源的多普勒效应，计算多普勒效应下的拷贝声场；