由海洋环境噪声获取时域格林函数方法研究

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通常被作为干扰处理的海洋环境噪声也蕴含着大量的有用信息,海洋环境噪声的利用是开发海洋中不可或缺的一部分。海洋噪声的时空结构特性可以用来反演水声环境参数,上世纪80年代,Kuperman等人认为海洋中两点噪声的互相关函数(NCF)与两点之间格林函数(TDGF)存在可运算的关系,近几年来国内外学者纷纷展开了对噪声场中格林函数与噪声互相关函数之间关系的研究。  虽然海洋噪声场中噪声源是非相关的,但是一段时间平均的海洋噪声互相关函数导数能够近似表达时域格林函数(到达时间结构)。本文中介绍了噪声互相关获取时域格林函数的理论论证过程,并对单垂直阵获取波导纵向格林函数及分布式多垂直阵获取波导水平格林函数进行了数值仿真计算。在单垂直阵获取波导纵向格林函数的过程中,根据海底反射产生的互相关函数导数条纹,可以分析获得海底分层结构等信息;多垂直阵获取波导水平格林函数过程中,各阵元到达时间结构可以获取阵列位置声速剖面SSP。  本文通过对两次海上实验记录得到的海洋环境噪声数据进行详细处理,深入研究了浅海海域海洋环境噪声场相关特性:  (1)2007年8月青岛黄海海域单垂直阵实验,试验过程中包含主动发射源方式反演海底参数:沉积层厚度、沉积层声速、密度和衰减。噪声数据相关处理得到的纵向时域格林函数(到达时间条纹)能够较为明显的反映海底分层,并根据主动方式得到的沉积层声速获取沉积层厚度,对比主动方式反演结果表明被动方式具有一定的可行性。  (2)2013年4月海南岛陵水附近进行分布式多垂直阵实验,通过对记录的海洋环境噪声数据进行空间相关特性分析,得到分布式多垂直阵位置波导的水平时域格林函数。并根据得到的声线水平到达时间结构利用模拟退火算法反演阵列位置声速剖面,试验中噪声被动反演声速剖面误差较大,结果不够理想。此外,采用一种较为简便的方法,根据两阵列对应位置阵元距离与到达时间恢复声速剖面,这种方法没有利用环境参数,得到的结果比反演方法要好。  实验处理结果表明噪声场中两点间的互相关函数与两点间的格林函数具有一定的相似性,可以通过对海洋环境噪声的分析,提取海洋环境噪声场中两点间的互相关函数进而获得两点间的格林函数。虽然实践中噪声互相关被动获取声速剖面结果不够理想,但随着被动测量技术的不断完善,得到结果的准确度也会不断提高。这种被动测量方法有别于其他海洋声传播和信道特性研究方法,在信道参数估计、海底分层特性以及波导时空变化等研究方面具有一定的应用前景,为有效利用海洋环境噪声提供一种新途径,特别是在某些重点海区,在无法实施大型水声试验作业的情况下,环境噪声被动测量就显现出明显的优势。
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