海底参数反演与声源定位方法研究

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1、分类号：TB56学校代码：10699密级：学号：2012100354西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：海底参数反演与声源定位方法研究作者：郭晓乐学科专业：水声工程指导教师：马远良2017年9月Title:ResearchesonthebottomparametersinversionandsoundsourcelocalizationByGuoXiao-LeUndertheSupervisionofProfessorMaYuanliangADissertationSubmittedtoNorthweste

2、rnPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofUnderwaterAcousticEngineeringXi’anP.R.ChinaSeptember2017摘要摘要本文结合课题组参加的多次水声调查实验，进行了海洋环境参数的反演研究，并进行了浅海声源的定位研究。本文的理论和方法研究与相关的实验验证结合比较紧密，通过实际得到的实验数据与相关的实验室仿真对提出的方法进行了验证，对学科的发展以及相关的工

3、程应用有一定的参考意义。主要研究结论概括如下：1.研究了浅海爆炸声源的模态频散特性，提出了基于浅海简正波模态频散曲线的双声源海底参数反演方法，解决了单水听器反演中反演误差随距离增加而变大的问题。利用单水听器进行模态频散曲线反演时，对于较平整的海底界面，反演误差会随着接收水听器与宽带声源距离的增加而变大，为了准确地反演较远距离上的海底参数，研究了利用不同距离上的两个宽带爆炸声源进行模态频散分析，消除了距离因素对反演误差的影响，实现了较远距离上海底参数的准确反演。针对海深和声速剖面变化比较大的海洋环境，需要将海深和声速

4、剖面等因素的变化折算到各阶简正波模态频散相对传输时间差的计算中，从而得到了距离变化情况下的海底参数，并利用实验数据对反演结果进行了有效性验证。为了实现对海底参数的全参数反演，提出了基于浅海传播损失和基于简正波模态能量比的海底衰减系数反演方法，利用两个物理量反演海底衰减系数时利用的单位不同，但是反演的结果比较一致，能够相互验证，并且对测线上的不同频率不同接收深度下的传播损失进行了准确预报。2.针对贝叶斯分析比利用代价函数优化能够获得更加普遍的结果，提出了基于模态频散曲线的浅海贝叶斯海底参数反演方法和基于影区传播损失的

5、深海贝叶斯海底参数反演方法，反演结果更加准确可靠。由于在进行海底参数反演时，利用贝叶斯分析比利用代价函数优化能够提供更丰富和普遍的结果。针对浅海环境，提出了基于简正波模态频散曲线的贝叶斯海底参数反演方法。反演过程中，针对声速剖面变化比较剧烈的浅海环境，将声速剖面的前3阶EOF系数也作为待反演的参数进行处理。由于海底密度对浅海模态频散曲线反演的敏感性较弱，反演时利用汉密尔顿经验关系对海底密度进行约束，从而减少反演参量提高反演精度。针对深海环境，提出了基于影区传播损失的贝叶斯海底参数反演方法，并且分别分析了单频和多频情

6、况下贝叶斯反演。3.研究了浅海简正波消频散变换的物理机理，提出了基于简正波消频散变换的距离-频散聚焦测距和匹配模态能量测深的浅海宽带声源定位方法。针对浅海环境中传播的低频宽带水声信号，通过将由频散参数和波导不变量表示的前几阶模态相速度与由环境模型计算的相速度进行对比分析，从而可以准确地估计出前几阶模态的频散参数值和环境的波导不变量值。然后，利用估计出的频散参数值和波导不变量值对接收信号进行消频散变换处理，只有当接收信号的距离参数等于目标声源距I西北工业大学博士学位论文离时，各号简正波的幅度均达到最大值，在距离-频散

7、参数二维平面上，出现声压聚焦的现象，利用此现象可以估计目标声源的距离。消频散变换后的接收信号，前几阶模态在时域上明显地分离开来，采用多模态能量匹配的方式，可以估计出目标声源的深度。最后，通过对仿真和冬季获得的气枪信号数据处理结果验证了方法的有效性，并通过处理一整条实验测线上的气枪信号准确地估计出了测线上不同距离处气枪声源的距离和深度。4.针对浅海移动声源定位时声速剖面变化的问题，提出了基于集合卡尔曼滤波的声速剖面估计和移动声源跟踪定位方法。移动声源在水平非均匀分布的浅海环境中，声速剖面的变化会通过接收声场反映出来，

8、提出了利用接收声场同步跟踪移动声源和声速剖面的方法。首先，通过将声源状态信息和声速剖面信息表示为状态变量，将垂直线列阵接收到的声场信息作为测量值建立状态-测量模型。其次，利用集合卡尔曼滤波方法对模型状态变量进行跟踪。通过利用均方根误差和绝对误差评价跟踪定位结果可知：声速剖面的均方根误差和声源状态的绝对误差都非常小，对声源的跟踪定位精度比较高。并且通过增加集合