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1、目录1 背景和研究意义当前，世界各军事强国将制海权放在相当重要的位置，他们投入了大量的人力物力财力研究海洋环境信息的获取方法，以充分保证其政治、经济和军事利益。而且，大约70%的地球表面被海洋覆盖。声波可以行驶穿越海洋的距离超过数百公里。因为它的相对易于传播，水下声音已被应用于各种用途的海洋的使用与探索 Lin Wan. Matched Field Processing based Geo-acoustic Inversion in Shallow WaterD.Georgia Inst. of Tech, 2010.，如声场预报、声纳作用距离估算及目标定位等。因此，通过对海底沉积物的各种实验
2、、观测手段，开展现场调查和实验、理论研究，建立起在不同区域适用的海底地声学模型，并确定海底沉积物声学参数和力学参数以及其他物理参数之间的内在关系，从而实现用声学方法对海底沉积物的地质构造及地质属性进行测绘和分类识别具有重大意义。其中，由于海底的作用，浅海声场相比深海声场更加复杂，海底中的各类声学参数，如密度、声速与衰减等变化都将改变上层流体中声场的分布 祝捍皓.基于波阻抗的浅海地声参数反演研究J.声学技术,2015,34(2):204-206.，进而影响到水下声音的应用，所以研究海底参数是十分必要的。而我国的大部分海域为浅海，所以研究浅海声场参数具有重要的战略意义。传统的海底表层参数测量方法多
3、为采用海底采样实验室分析或将高频声学测量设备插入海底直接测量海底声速、衰减系数的原位测量方法。但是，一般情况下这两种方法获得的海底声学参数只能是局地的，而且起伏较大，不易确定沉积层的厚度， 翁晋宝.深海近距离声场频率-距离干涉结构反演海底声学参数J 声学技术,2015,40(2):207-215. 并且要耗费大量的人力和物力，而且采集到的样品由于脱离了原生态的海底，它的压力、温度等物理力学等参数会发生变化。另一类常用的海底声学参数获取方法为地声反演，反演即是根据假设的模型，从测量得到的声场分布情况反推海底分层介质的特征。 王占军.垂直阵的海底参数反演研究D.哈尔滨工程大学.2008.通常是利用
4、一艘船发射声信号、另一艘船吊放接收阵接收声信号的双船实验，或一艘船发射、浮潜标接收的方式实验，两者距离数公里到数十公里，通过比对理论计算与实验测量的声场传播损失、简正波模态、垂直阵或水平阵声场空间结构、混响信号、脉冲波形等方法确定海底声学参数3。反演获取的海底参数可以反映大距离尺度上的海底特征，是一个方便、经济、高效的途径 邱海宾.水平变化环境下的拖线阵海底参数反演研究J.兵工学报,2011,32(3):298-304.。一般而言，目前的反演办法多是多维反演，即反演出与地声模型相对应的一组多个海底参数。多维反演虽然能准确获得海底声参数，但也面临一些问题，例如它针对多个待反演参数的敏感度不同，对
5、特定声信号影响微弱的参数容易被海洋中的不确定性所掩盖，针对这一问题国外提出了选取不同代价函数的解决办法，而国内学者提出了多种方法反演不同参数的联合反演思路，较好地解决了这一问题。除此以外，多维反演因为待求未知数多，自然需要更多求解条件，另外还会遇到海上待测物理量多且复杂以及反演声信号处理复杂等问题。当反演的目的为快捷地获得海底性质时，最大限度减少需要的参数数量是一种可行的思路。国外对于单个参数表示海底性质较早进行了研究，但是设计的反演方法报道较少。 PENG Z H. Sea-bed acoustic parameters from dispersion analysis and transm
6、ission loss in the East China SeaJ. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2004, 29(4):1038-1045.目前反演方法主要有以下几种：匹配场法，垂直阵或水平阵声场法，空间结构法，环境噪声法，混响信号法，海底反射法，传播损失与波形匹配反演法，脉冲波形法，神经网络法，浅底层剖面声纳反演法，分步联合反演法。其中，匹配场处理方法发展最快，它得益于最大限度地利用水声信道模型等技术优势，成为了快速低成本获取局部海域环境参数的有效方法7 于盛齐.应用表面噪声矢量场空间相关特性反演海底参J. 哈尔滨工程大学学报，2012，33
7、（7）:828-833，已经取得了一系列具有实用价值的结果；而利用环境噪声反演地声参数，由于其不需要发射声源，易于实施等优点受到人们的青睐。8 江鹏飞.一种海洋环境噪声分步反演地声参数方法J.声学技术,2016,41(1):59-66.地声参数的声学反演一般包括 (1)环境和可观测数据的表征 (2)前向模型 (3)优化算法 (4)反演结果的不确定性分析等环节。其中，优化算法是决定反演速度和精度的关键环节之一，也是近20年来水声学领域的研究热点之一。现有优化算法中以全局搜索算法应用最广，如模拟退火算法、遗传算法等。利用全局搜索算法可以获得某种目标函数极值意义下的最优解，但在实际应用中往往需要对海
8、量数据进行分批分时处理，此时对每组数据(不同时刻或不同地点采集)应用全局搜索算法都需要重新搜索一次目标函数极值，并且在搜索过程中需要反复调用前向模型计算拷贝场，因此运算量很大、计算时间很长，难以满足工程上的实时反演要求。为解决海量数据处理的实时性问题，一些研究人员提出了基于BP， RBF神经网络的地声参数反演方法，通过对一个基于前向模型产生的拷贝场样本集的训练学习来近似估计地声参数反演算子。原则上，只要水听器阵列参数配置一定，在分批分时处理数据时仅需估计一次反演算子，此后直接把各组数据代入该反演算子计算即可，不必再调用前向模型重新估计，因此比全局搜索算法在计算速度方面具有更大的优势。但是，此类
9、方法存在反演精度较低的不足，主要有两方面原因：(1)反演中仅利用了实测声场的幅度，而没有用到相位信息，对观测信息的利用不充分;(2)现有方法是在整个映射空间内对反演算子的全局最优近似，结果具有整体平滑性，忽略了反演算子精细、复杂的局域结构特征，从而导致部分地损失了反演精度。9 Satyanarayana Yegireddi. Geo-acoustic inversion using adaptive neuro-fuzzy inference systemJ. Comput Geosci, 2008, 12:513-523随着数字技术的发展以及科学家对现有反演精度的更高的追求，海底环境的复杂性
10、使现有的标准数学算法和水声学专业知识的局限性得以展现，科学家开始寻求跨领域的分析反演方法比如柔性计算技术（专家系统、人工智能、神经网络、模糊逻辑、基因算法、概率推算和平行处理技术）。柔性计算技术可以近似演算复杂的非线性方程，也能很好的适应环境的不确定性、不精确性和条件不全性。因而比传统算法（拟合函数）更加强大、高效、成本低廉。10 赵梅.由爆炸声源及传播损失反演海底声学参数J.声学技术,2009,28(2):104-108.地声反演是浅海声学中最具挑战的课题之一，它之所以受到持续的重视至少有以下几个原因：（1）海底参数很难直接测量，而这些参数对浅海声传播有重要影响。（2）海底衰减随频率的变化规
11、律是目前比较有争议的问题，需要更多的实验数据来进行分析研究。（3）现有的很多反演方法应用于数值模拟时取得很好结果，但用于处理实验数据时却不很成功，尤其是对较高频率的实验数据。（4）现有研究大多集中在浅海海底参数，而随着人类对深海的深入探索，深海的参数反演需要更多的研究。正是基于上面的原因使得地声反演技术近年来成为研究热点。本文从海洋声场的声学预报模型和搜索控制策略两个方面来探讨反演方法。文献 39 邹大鹏.海底沉积物物理参数的声学反演模式J.海洋学报,2008,30(5):17-22.40 Jan Dettmer. Geoacoustic Reflectivity Inversion: A B
12、ayesian approachD. Univ. of Victoria, 2006.41 Gavin Steininger. Determination of Seabed Acoustic Scattering Properties by Trans-Dimensional Bayesian InversionD. Univ. of Victoria, 2013.42 吴金荣.基于地声模型的浅海混响地声反演研究J. 哈尔滨工程大学学报,2010,31(7):856-862.43 Bishwajit Chakrabortyl, Chanchal De. Seafloor characteri
13、zation using time-dependent acoustic backscatter: study at Arabian Sea. Oceans 2008 MTS/IEEE Kobe Techno-Ocean, 2008:791-794.引用了那么多篇？ 指出声学预报模型的两种模式分别基于声学理论和统计理论，所以本文讨论将从这两方面讨论声学预报模型的建立方法。2 基于声学理论的反演方法基于现有的声学理论，如简正波和射线声学理论来推导反演式。它有以下特点：1、 不确定性，由于理论公式涉及参数多，而且许多参数需要测量或者是根据经验进行选择，这样很难应用推导出的反演式，甚至有无实数解的现
14、象；2、普适性差，由于应用理论公式时需进行简化，适用限制性大，并且有误差传递等因素，影响了反演式的普适性。122.1 环境噪声法文献10提出一种根据表面噪声矢量场空间相关函数进行海底参数反演的方法。与传统的基于声传播模型的匹配场反演方法相比，所提方法可利用的信息更加丰富，而且水下系统配置简单，无需声源，隐蔽性好，具有一定的军事应用前景。建立了如下的目标函数：仿真研究结果表明：应用表面噪声矢量场空间相关性的海底声学遥测方法在没有取样器数据以及上层沉积物均匀时是十分有价值的，而尽可能多地考虑不同的组合方式时可以得到更为理想的反演结果。但仿真过程的假设条件还比较简单，与实际的复杂海洋环境存在一定的差
15、别，在实际应用中还需考虑各向同性体积噪声背景干扰、海水中声速剖面和海底分层等因素的影响， 这些将在今后的实验研究阶段作进一步地分析。由于浅海环境噪声垂指指向性和海底地声参数密切相关，文献20 殷宝友.浅海环境噪声垂直指向性探测海底参数J. 应用声学，2011,30（1）：31-36，21 Chunxia Meng. Geo-Acoustic Parameters Inversion from Vertical Coherence Characteristic of Ambient NoiseJ. Applied Mechanics and Materials. ISSN: 1662-7482, Vols. 385-386, pp 567-570利用它来反演海底参数。在水平分层介质噪声场垂直指向性简正波模型下，讨论了海底参数对噪声垂直指向性的敏感度，并假设半无限大液态海底，采用效率较高的自适应单纯形模拟退火算法全局寻优。鉴于单频反演声速和密度在不同频率的反演结果不够一致，文中提出多频海底参数联合反演方法，提高了反演海底声学参数的精度。利用海洋环境噪声垂直指向性反演海底参数，与传统的声传播反演相比，不需要专门的发射声源，设备简便，花费少，但取得的反演结果精度相近，具有一定的优势。2.2 混响信号法混响信号法是利用浅海混响数据反演海底参数和海底散射常数。混响形成过程中声波多次
