一種利用模態頻散曲線能量差反演海底衰減系數的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于海底衰減系數的反演方法，具體設及一種利用模態頻散曲線能量差反 演海底衰減系數的方法，適用于水平變化比較平穩的淺海海域，屬于水聲學和水聲信號處 理領域。
【背景技術】
[0002] 本發明主要用于淺海海底衰減系數的反演。在水聲學中，海底的衰減系數是影響 水聲信號傳播的重要因素，直接影響了聲納設備的性能參數。當寬帶信號在淺海中傳播時， 會出現頻散效應。根據簡正波理論可知，頻散效應雖然增加了水聲信號的處理難度，但是頻 散效應也攜帶了海洋環境參數的相關信息，與傳統的直接采樣相比，反演方法具有成本低、 速度快、易實現等優點。因此利用模態頻散曲線進行海洋環境參數反演逐漸成為了水聲學 中的熱點問題。
[0003] 目前，利用單個爆炸聲源的簡正波群延時反演海底底質參數的方法可W參見 《Geoacoustic inversion in a dispersion waveguide using warping operators》，該 文2011 年發表于《Journal of Acoustical Society of America》第130期，起始頁碼為 化101。利用Wigner-Ville分布提取各號簡正波群延時反演海底聲速等參數的方法可W參 見《一種地聲參數的聯合反演方法》，該文2009年發表于《聲學學報》第1期，起始頁碼為54。 但是上述方法都是在單水聽器、單聲源情況下反演海洋環境參數，只利用了寬帶聲源頻散 曲線的時延信息，沒有充分利用模態頻散曲線的幅值能量信息，沒有通過模態頻散能量對 海底衰減系數進行反演。
【發明內容】
[0004] 要解決的技術問題
[0005] 為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種利用模態頻散曲線能量差反演海 底衰減系數的方法。
[0006] 技術方案
[0007] -種利用模態頻散曲線能量差反演海底衰減系數的方法，其特征在于步驟如下： [000引步驟1:在被測海底區域同一深度投放兩個距離分別為η和η的爆炸聲源，水聽器 布放點和兩個爆炸聲源在一條直線上，分別提取兩個爆炸聲源的前4階模態頻散曲線，步驟 如下：
[0009] 步驟(la):水聽器接收到兩個距離分別為ri和η爆炸聲源的兩個時域信號用前4階 模態頻散曲線表示為：
[0010]
[0011]式中Am(t)為第m階模態的瞬時幅度，fcm=mc/2D表示第m階模態的截止頻率，D為實 驗海區的平均水深，C為水中平均聲速；
[001^ 步驟他）：利用wa巧ing變換函數hi(t) = [t2+(ri/c)2]i/2，i = l，2對水聽器接收的 兩個爆炸聲源的時域接收信號分別進行變換，得到warping域的兩個接收信號為：
[0013]
[0014] 式中h/ (t)表示wa巧ing變換函數hi(t)的導數；
[0015] 步驟(3a):對warping域的兩個接收信號分別進行濾波處理，將前4階模態分離開。 所述濾波帶寬設置相同為:第1階頻帶0-細Z，第2階頻帶7-13化，第3階頻帶14-19HZ，第4階 頻帶20-2甜Z;從而將warping域的兩個接收信號的前4階模態頻散曲線分離；
[0016] 步驟(4a):利用逆wa巧ing變換函數
i = l，2對濾波處理后 warping域的兩個接收信號的前4階模態頻散曲線分別進行處理，從而將兩個原時域接收信 號的前4階模態頻散曲線分離；
[0017] 步驟2:由模態頻散曲線能量差反演海底衰減系數，步驟如下：
[0018] 步驟（lb):對兩個原時域接收信號的分離開的前4階模態頻散曲線中相同階數的 頻散曲線進行模態幅度比，得到對應頻率為f的第m階模態幅度比為：
[0019]
[0020] 式中E{ ·}表示求均值，t。表示在模態頻散曲線上對應頻率為f的點的時間坐標， 對于f<100Hz:Δt = 0.1s，Δf = 2Hz;對于f〉100Hz:Δt = 0.02s，Δf=10Hz。42(/)和 維(/)分別表示兩個爆炸聲源的對應頻率為f的第m階模態幅度；
[0021] 步驟(2b):通過將海底衰減系數β在[00.5]范圍內變化，使代價函數口(/。最小時， 對應的β值即為反演得到的海底衰減系數值；
[0022] 反演的代價函數口(舞)為：
[0023]
[0024] 式中M：(/)表示實驗數據得到的模態幅度比，AC(/，供為模型計算的模態幅度 比；乂1和/品X分別為對應于第m階模態的下邊帶和上邊帶，計算過程中，設置為 撫=10化，瓜=25掃瓶，鬼。=斗0化，：忠=泌0化，篇=拂0冊， 篇η =80化，店=300 Hz。
[00巧]有益效果
[0026]本發明提出的一種利用模態頻散曲線能量差反演海底衰減系數的方法，充分利用 模態頻散曲線的幅值能量信息，實現對海底衰減系數的反演，本發明提出一種利用兩個爆 炸彈模態頻散曲線能量差來反演海底衰減系數的方法，用于實現對實驗海區的海底衰減系 數進行估計。該發明方法利用了寬帶爆炸聲源在淺海中傳播時產生的頻散效應，重點反演 淺海海域。本發明方法首先將接收水聽器布放在一定深度上，然后在同一直線、不同距離 上投放型號參數完全相同（認為爆炸時產生相同的信號）的爆炸聲源，從而接收到兩個爆炸 聲源的時頻圖；然后利用warping變換對兩個爆炸聲源的時頻圖進行處理，從而得到前4階 模態頻散曲線的傳輸能量差;然后利用模態頻散曲線能量差反演海底衰減系數。
[0027] 有益效果體現在:首先利用布放在一定深度的單水聽器接收到的同一直線上不同 距離的兩個爆炸聲源的信號，然后利用warping變換提取接收信號時頻圖中的前4階模態頻 散曲線，最后利用模態頻散曲線能量差反演海底衰減系數。本發明的核屯、思想是對同一直 線上不同距離的兩個爆炸聲源的模態頻散曲線能量的提取，進而利用不同頻率的模態能量 差進行海底衰減系數的反演。淺海海底衰減系數對聲信號的傳播有巨大的影響，并且海底 采樣很難得到精確的海底衰減系數值，所W本方法實現了對海底衰減系數的精確估計，對 近海作戰奠定了堅實的基礎
【附圖說明】
[0028] 圖1是本發明方法所使用的淺海環境模型
[0029] 圖2是本發明方法所使用淺海聲速剖面。
[0030] 圖3是本發明方法接收到的極近距離上的爆炸聲源的時間序列。
[0031 ]圖4是本發明方法接收到的兩個不同距離上爆炸聲源的時域波形和時頻圖。
[0032] 圖5是本發明方法提取出的兩個爆炸聲源的模態頻散能量。
[0033] 圖6是本發明方法得到的利用不同距離上的聲源反演出的海底衰減系數變化曲 線。
【具體實施方式】
[0034] 現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述：
[0035] 參照圖1和圖2,利用由2個起爆深度為50m的爆炸聲源和1個水聽器組成的系統來 反演海底衰減系數，信道環境為淺海，海深約為105m，聲源深度50m，接收深度48m。接收水聽 器距離第一個爆炸聲源49.6km，距離第二個爆炸聲源63.4km;沉積層厚度為13.9m，沉積層 聲速為1578.6m/s，沉積層密度為1.6g/cm3，基底層聲速為1716.2m/s，基底層密度為2.18g/ cm3;淺海聲速剖面為圖2所示的聲速剖面。
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