三維淺海環(huán)境下全海深聲速剖面快速反演研究.pdf

1、聲速剖面反演是采用分布積分探頭技術(shù)快速獲取逐點(diǎn)測量所不能得到的大面積海域等效聲速剖面的一種有效方法?；诼晜鞑r間的聲速剖面反演由于具有計算速度較快、受海底聲學(xué)參數(shù)影響小以及射線聲學(xué)適用于三維復(fù)雜聲場的計算等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。這種反演模型的關(guān)鍵點(diǎn)在于特征聲線搜索和聲傳播時間測定的精確性。在三維淺海環(huán)境下,不平整海底的反射使得聲線發(fā)生水平方向上的偏轉(zhuǎn),從而導(dǎo)致聲線在三維空間傳播,這在以往的基于聲傳播時間的聲速剖面反演模型中都沒有考慮,給反

2、演結(jié)果帶來了不必要的誤差。為提高聲速剖面反演的精度,本文首先對三維空間特征聲線搜索和傳播時間計算進(jìn)行了深入研究,然后采用最快特征聲線傳播時間作為代價函數(shù)反演了南海某海域聲速剖面。另外,聲速剖面反演是多維優(yōu)化問題,正演模型的計算速度是限制反演速度的主要瓶頸。本文采用微擾近似方法將實(shí)際聲傳播時間表示為背景聲速下的聲傳播時間與擾動項(xiàng)之和,從而使得聲速剖面反演由原來的非線性優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)系數(shù)所滿足的線性方程組求解形式,使得反演速度得

3、到了提高。本文的主要創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1、提出了三維空間特征聲線搜索和聲傳播時間計算模型
　　研究了不平整海底反射時聲線的傳播規(guī)律,提出了不平整海底淺海環(huán)境下的射線傳播模型,開發(fā)了聲場計算軟件,在三維空間求解最快特征聲線軌跡和傳播時間。與理論解和其它模型的對比表明,當(dāng)傳播距離為100km時,該軟件計算的聲傳播時間精度能達(dá)到10-6s。
　　2、通過不同的方法分別提高聲速剖面反演的精度和速度
　　通過考慮聲線在不平

4、整海底反射所引起的水平偏轉(zhuǎn)來減小聲傳播時間的計算誤差進(jìn)而有效地提高聲速剖面反演的精度;采用微擾法快速反演聲速剖面,在降低部分反演精度的條件下,將反演時間由10小時縮短為數(shù)十秒,實(shí)現(xiàn)了海洋環(huán)境信息的實(shí)時監(jiān)測。
　　3、基于最快特征聲線傳播時間的聲速剖面反演算法性能研究
　　仿真計算了經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)階數(shù)與反演精度之間的關(guān)系。仿真結(jié)果證明,在聲速變化不是很復(fù)雜的情況下,3階經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)足以用來反演聲速剖面,繼續(xù)增加階數(shù)反演精度會略有

5、提高,但是意義不大。
　　通過理論推導(dǎo)和仿真研究了基于聲傳播時間的聲速剖面反演對海底深度、聲源水平位置以及基陣傾斜等參數(shù)失配的敏感性問題。結(jié)果表明,參數(shù)失配給反演所帶來的額外誤差與聲傳播時間近似成反比,當(dāng)這些參數(shù)失配相對較小時,對聲速剖面反演的精度影響不大。
　　除此之外,本文還研究了以下主要內(nèi)容:
　　1、聲速剖面外延
　　針對用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)表示聲速剖面受限于樣本聲速的測量深度的問題,本文并未采取傳統(tǒng)的海洋數(shù)據(jù)