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海底声学参数是浅海声场预报的关键环境参数,是影响声呐、潜艇性能发挥及石油开采等其它海洋经济活动的重要因素。然而,直接采样测量这些参数费用较高,难度较大,工程应用中,声学反演的方法受到了广泛的重视。本文给出海底声学参数的浅海环境噪声反演方法,即通过实际测量的环境噪声场空间特性(包括垂直相干性和垂直指向性),来估计未知的海底声学参数。与利用声传播和混响等反演手段相比,噪声作为海洋中的实时背景声场,不需要发射特定的信号即可用于提取地声参数,操作简便,隐蔽性好,适合现场大范围获取海底声学参数。
本文首先简要介绍了浅海环境噪声反演海底声学参数的基本方法,然后利用浅海环境噪声试验数据别反演了某海域的声速、衰减等地声参数；考虑到部分海底声学参数难以反演,提出基于PQ法建立噪声场模型,将海底对声场的影响归结为两三个参数,并利用噪声场空间特性提取P、Q等参数；最后,分析环境参数变化对噪声场的影响,考虑参数失配情况下,对环境噪声反演海底声学参数的影响。本文主要贡献如下:
第一,完善了浅海环境噪声场建模:考虑界面粗糙度,在海况较差或计算频率较高时,海面起伏和海底粗糙度对噪声场垂直指向性和相干性函数影响显著,是不可忽略的因素；以高斯谱表示随机声源的产生机制,并考虑噪声源在某个深度范围内分布,建立了更为符合真实海洋环境的噪声场模型。
第二,为解决密度和衰减的敏感度低、较难反演的问题,提出了一种基于PQ法的浅海环境噪声模型,该模型不需要考虑详细的海底声学参数,作为前向模型提取表征海底属性的P、Q和V0三个参数,可以降低不同海底模型选取带来不确定性,有较好的应用前景。
第三,针对不同参数的敏感度不同,采用分步、分段等手段,尽量提高反演结果的精度:对反演结果进行统计,分析其不确定性,并将反演结果用于同一海域的声场预报,进一步验证噪声反演方法的有效性。
第四,给出浅海环境噪声反演海底声学参数的适应条件。考虑海上试验过程中的一些环境因素对噪声场垂直指向性和相干性函数计算的影响,总结了浅海环境噪声用于反演海底声学参数的适应性。
本文的创新点有:提出在起伏海洋条件下噪声源满足高斯分布的环境噪声模型,利用其提取海底声速、衰减等参数,更为接近真实海洋环境,降低了海面起伏等因素给反演结果带来的误差；提出浅海环境噪声PQ建模方法,利用本模型提取参数P和Q,不需要详细的海底参数信息,可以不受海底模型的限制,又可以将界面散射归结到参数Q中,相对简单；总结环境因素对浅海环境噪声场的影响,给出参数失配情况下的环境噪声反演结果。
总之,浅海环境噪声反演海底声学参数,不需要发射声源,成本低,速度快,范围广,隐蔽性好,对水声设备的设计和性能最佳发挥,对水下目标定位及海底资源开采,有重要应用价值。