一种利用模态频散曲线能量差反演海底衰减系数的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于海底衰减系数的反演方法，具体设及一种利用模态频散曲线能量差反 演海底衰减系数的方法，适用于水平变化比较平稳的浅海海域，属于水声学和水声信号处 理领域。
【背景技术】
[0002] 本发明主要用于浅海海底衰减系数的反演。在水声学中，海底的衰减系数是影响 水声信号传播的重要因素，直接影响了声纳设备的性能参数。当宽带信号在浅海中传播时， 会出现频散效应。根据简正波理论可知，频散效应虽然增加了水声信号的处理难度，但是频 散效应也携带了海洋环境参数的相关信息，与传统的直接采样相比，反演方法具有成本低、 速度快、易实现等优点。因此利用模态频散曲线进行海洋环境参数反演逐渐成为了水声学 中的热点问题。
[0003] 目前，利用单个爆炸声源的简正波群延时反演海底底质参数的方法可W参见 《Geoacoustic inversion in a dispersion waveguide using warping operators》，该 文2011 年发表于《Journal of Acoustical Society of America》第130期，起始页码为 化101。利用Wigner-Ville分布提取各号简正波群延时反演海底声速等参数的方法可W参 见《一种地声参数的联合反演方法》，该文2009年发表于《声学学报》第1期，起始页码为54。 但是上述方法都是在单水听器、单声源情况下反演海洋环境参数，只利用了宽带声源频散 曲线的时延信息，没有充分利用模态频散曲线的幅值能量信息，没有通过模态频散能量对 海底衰减系数进行反演。
【发明内容】
[0004] 要解决的技术问题
[0005] 为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种利用模态频散曲线能量差反演海 底衰减系数的方法。
[0006] 技术方案
[0007] -种利用模态频散曲线能量差反演海底衰减系数的方法，其特征在于步骤如下： [000引步骤1:在被测海底区域同一深度投放两个距离分别为η和η的爆炸声源，水听器 布放点和两个爆炸声源在一条直线上，分别提取两个爆炸声源的前4阶模态频散曲线，步骤 如下：
[0009] 步骤(la):水听器接收到两个距离分别为ri和η爆炸声源的两个时域信号用前4阶 模态频散曲线表示为：
[0010]
[0011]式中Am(t)为第m阶模态的瞬时幅度，fcm=mc/2D表示第m阶模态的截止频率，D为实 验海区的平均水深，C为水中平均声速；
[001^ 步骤他）：利用wa巧ing变换函数hi(t) = [t2+(ri/c)2]i/2，i = l，2对水听器接收的 两个爆炸声源的时域接收信号分别进行变换，得到warping域的两个接收信号为：
[0013]
[0014] 式中h/ (t)表示wa巧ing变换函数hi(t)的导数；
[0015] 步骤(3a):对warping域的两个接收信号分别进行滤波处理，将前4阶模态分离开。 所述滤波带宽设置相同为:第1阶频带0-細Z，第2阶频带7-13化，第3阶频带14-19HZ，第4阶 频带20-2甜Z;从而将warping域的两个接收信号的前4阶模态频散曲线分离；
[0016] 步骤(4a):利用逆wa巧ing变换函数
i = l，2对滤波处理后 warping域的两个接收信号的前4阶模态频散曲线分别进行处理，从而将两个原时域接收信 号的前4阶模态频散曲线分离；
[0017] 步骤2:由模态频散曲线能量差反演海底衰减系数，步骤如下：
[0018] 步骤（lb):对两个原时域接收信号的分离开的前4阶模态频散曲线中相同阶数的 频散曲线进行模态幅度比，得到对应频率为f的第m阶模态幅度比为：
[0019]
[0020] 式中E{ ·}表示求均值，t。表示在模态频散曲线上对应频率为f的点的时间坐标， 对于f<100Hz:Δt = 0.1s，Δf = 2Hz;对于f〉100Hz:Δt = 0.02s，Δf=10Hz。42(/)和 维(/)分别表示两个爆炸声源的对应频率为f的第m阶模态幅度；
[0021] 步骤(2b):通过将海底衰减系数β在[00.5]范围内变化，使代价函数口(/。最小时， 对应的β值即为反演得到的海底衰减系数值；
[0022] 反演的代价函数口(舞)为：
[0023]
[0024] 式中M：(/)表示实验数据得到的模态幅度比，AC(/，供为模型计算的模态幅度 比；乂1和/品X分别为对应于第m阶模态的下边带和上边带，计算过程中，设置为 撫=10化，瓜=25扫瓶，鬼。=斗0化，：忠=泌0化，篇=拂0册， 篇η =80化，店=300 Hz。
[00巧]有益效果
[0026]本发明提出的一种利用模态频散曲线能量差反演海底衰减系数的方法，充分利用 模态频散曲线的幅值能量信息，实现对海底衰减系数的反演，本发明提出一种利用两个爆 炸弹模态频散曲线能量差来反演海底衰减系数的方法，用于实现对实验海区的海底衰减系 数进行估计。该发明方法利用了宽带爆炸声源在浅海中传播时产生的频散效应，重点反演 浅海海域。本发明方法首先将接收水听器布放在一定深度上，然后在同一直线、不同距离 上投放型号参数完全相同（认为爆炸时产生相同的信号）的爆炸声源，从而接收到两个爆炸 声源的时频图；然后利用warping变换对两个爆炸声源的时频图进行处理，从而得到前4阶 模态频散曲线的传输能量差;然后利用模态频散曲线能量差反演海底衰减系数。
[0027] 有益效果体现在:首先利用布放在一定深度的单水听器接收到的同一直线上不同 距离的两个爆炸声源的信号，然后利用warping变换提取接收信号时频图中的前4阶模态频 散曲线，最后利用模态频散曲线能量差反演海底衰减系数。本发明的核屯、思想是对同一直 线上不同距离的两个爆炸声源的模态频散曲线能量的提取，进而利用不同频率的模态能量 差进行海底衰减系数的反演。浅海海底衰减系数对声信号的传播有巨大的影响，并且海底 采样很难得到精确的海底衰减系数值，所W本方法实现了对海底衰减系数的精确估计，对 近海作战奠定了坚实的基础
【附图说明】
[0028] 图1是本发明方法所使用的浅海环境模型
[0029] 图2是本发明方法所使用浅海声速剖面。
[0030] 图3是本发明方法接收到的极近距离上的爆炸声源的时间序列。
[0031 ]图4是本发明方法接收到的两个不同距离上爆炸声源的时域波形和时频图。
[0032] 图5是本发明方法提取出的两个爆炸声源的模态频散能量。
[0033] 图6是本发明方法得到的利用不同距离上的声源反演出的海底衰减系数变化曲 线。
【具体实施方式】
[0034] 现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
[0035] 参照图1和图2,利用由2个起爆深度为50m的爆炸声源和1个水听器组成的系统来 反演海底衰减系数，信道环境为浅海，海深约为105m，声源深度50m，接收深度48m。接收水听 器距离第一个爆炸声源49.6km，距离第二个爆炸声源63.4km;沉积层厚度为13.9m，沉积层 声速为1578.6m/s，沉积层密度为1.6g/cm3，基底层声速为1716.2m/s，基底层密度为2.18g/ cm3;浅海声速剖面为图2所示的声速剖面。
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