东中国海声速剖面的经验正交函数表示与匹配场反演

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1、!第!"卷!第#期!$%%"年#月+%""研究简讯"东中国海声速剖面的经验正交函数表示与匹配场反演"何!利"!$"""!李整林!张仁和!李风华"7中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室!北京"###(#)$7中国科学院研究生院!北京"###(#摘要!!利用一次浅海声学实验多次测量的声速剖面和声传播信号研究了海水声速剖面的经验正交函数#,SR$表示及其由匹配场处理方法反演的可行性和宽容性7反演中使用了垂直阵和水平阵两种阵形接收的宽带声信号7研究表明%声速剖面可用少数的几阶经验正交函数表示!利用垂

2、直阵信号和水平阵信号都可较好地反演出海水声速剖面!而且对海底声速不敏感!具有较好的宽容性!反演出的海水声速剖面可用于低频信号的匹配场定位7关键词!!声速剖面!经验正交函数!匹配场反演!!在浅海中海水声速剖面及海底声学参数对水下面不失为一个可行方法7声传播具有着重要的影响!它们决定了水下声传播海洋声学层析最初是由V631和_63<8J提出特性7如何准确地获取海水声速剖面及海底声学参的!在射线理论的基础上!通过已知声信号的传播&!(数一直备受关注7海底声学参数除了直接海底采样时间数据来反演海水声速分布7

3、水听器阵作为接测量外"有些海底声学参数!如海底吸收系数!无收器的应用使得匹配场技术应用于声源定位以及一&’(法准确测量$!水声学家更倾向于用声学方法来反些环境参数的估计成为现实!L90

4、$比较成熟7但是!大洋测温或海洋层水平变化时!可以把海水当作水平不变的!直接反&$’’(析等技术也试图通过声学这种积分探头来反演演海水的,等效平均声速剖面-!这样就避开了海&+(海水声速特性!并在深海中取得一定的进展7在浅水水平变化的复杂性7用匹配场方法反演海水声海中!由于其声学环境的复杂性!浅海声层析的研速剖面时!待反演参数应尽可能的少!以便减少运究进展缓慢7事实上!对于一个声纳系统!更需要算量7[;^0.38等证明!经验正交函数",SR$是描&((的是其自身周围小范围内的海水声速的平均声速剖述声

5、速剖面最有效的基函数7沈远海等也论证了&)’""(面7当海水声速剖面不便于实时测量时!采用当时浅海声速剖面用经验正交函数表示的可行性!接收的声信号结合历史水文资料来反演海水声速剖彭临慧等也尝试了在深海中用经验正交函数表示声!$##%&#%&#’收稿!$##%&#(&$$收修改稿!"国家自然科学基金资助项目"批准号#"#$+*#%#$!,&-./0#J;N60/3!C.@.?7/9.7.8783!第!"卷!第#期!$%%"年#月+%$&"$(速剖面并反演海水声速7所以!使用,SR来表公式"*$中-?"

6、$即为要提取的第?阶经验正交函示海水声速剖面可压缩待反演参量!只需要反演各数!对第+时刻测量的声速剖面用前M阶经验正交*阶经验正交函数的系数即可7此外!在反演时!需函数可表示为要对输入参数在某些区间内搜索7所以!选择一种快速有效的搜索算法也十分重要7诸多研究表明匹*8"*,*8",*-""4-"M,*-#"*$,配场处理和遗传算法结合起来反演多参数问题是比8$8&8M88!"%$较有效的途径之一7+8E*-+8E-+-E"4-EM-+-M"*$-本文利用东中国海$##"年中美联合浅海声学由"%$式

7、可见!如果想要反演某时刻的声速剖面!实验数据!研究了该海域声速剖面用经验正交函数只需反演出各阶经验正交函数的系数-M即可!这表示的可行性7在此基础上!通过匹配场处理结合样!可减少待反演参数!经验正交函数来反演海水声速剖面!同时对海底声&"+(首先!利用$##"年’月中美联合考察实验学参数的宽容性也进行了研究7在东中国海测量的声速剖面数据进行,SR的表示!!海水声速剖面的经验正交函数表示法验证7在实验中!*天内共进行了%*次QLK测量7图"是%*次测得的QLK声速剖面图!其中粗如果直接对海水声速剖面进

8、行反演!则待反演线为平均声速剖面7由图"可见在#’!#-深度上的变量太多!运算量将十分巨大!与文献&’(相同!声速剖面随时间的起伏较大7图$给出了由""$’采用经验正交函数来表示海水声速剖面!对声速剖"%$式提取的前三阶经验正交函数"为了简略起见这面在/个时间点采样8?$8"+?$!?$"!$!4!/!每个声速剖面在深度上具有E个值!如果水深是U!那么插值间隔是3$U/"E’"$!/个测量的声速剖面使用矩阵表示如下#*8""8"$48"/,8$"8$$48$/8$!"