海底声参数反演-第二稿

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,

16、 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与海底发生相

17、互作用，因此海底参数之间以及它们与海底散射常数之间的耦合非常严重，未知参数之间的耦合使得常规地声反演方法很难获得海底参数。 （1）过程文献42首先利用相对混响强度消除了混响数据中的海底散射常数项，然后利用Hamilton地声模型，分别将海底声速、密度和衰减系数表示成孔隙率的函数，采用自适应下山模拟退火混合反演算法，对单个未知数(孔隙率)进行反演，最后再分别获得海底参数和海底反向散射常数。理论分析和数值模拟表明，该方法可以快速准确获得海底参数，同时具有很好的抗噪声干扰能力。文献42采用的浅海混响模型所涉及的环境模型如图1所示，为了简单起见，这里考虑液态半无限海底的波导。海水底层的声速和密度分别为

18、c0和0，海底平均深度为H，海水海底之间的粗糙界面认为是随机扰动量，用表示，有<>=0。在液态海底半空间里，海底声速和密度分别cb和b，海底衰减系数为图1中，R0表示源点，R表示声场中任意一点，R1表示散射点。海底反向散射常数为常数，利用相对混响强度来消除参数。假定混响参考时间为t0，则相对混响强度为：G(t，t0)=I(t)/I(t0)。 利用测量数据和理论数据的均方差作为混响反演的目标函数：利用自适应下山模拟退火混合方法进行孔隙率的快速反演。反演出孔隙率之后利用一下三式可计算出海底的密度、声速和衰减系数海底密度拟合公式纵波声速拟合公式海底衰减拟合公式最后将海底参数代入下式获得海

19、底反向散射常数：（2）优劣关于海底参数频率关系的争论已经持续几十年了，Biot地声模型认为海底衰减、海底声速和频率之间存在着非线性的关系，Hamilton地声模型则认为海底衰减和频率之间有着简单的线性关系，其他参数和频率无关。因为缺少大量有效的测量数据，这一争论至今还没有令人满意的结果。仅考虑了一个水听器接收混响的反演问题，该方法很容易推广到垂直阵接收混响数据的反演问题上，由于垂直阵的混响信息量比单个水听器接收混响的信息量大，因此可以预测垂直阵混响反演的效果会比单个水听器反演的效果好。2.3 海底反射法考虑到海底反射系数相位准确测量的复杂性，以及水中声场对海底介质衰减系数的不敏感性，将海底视为

20、弹性沉积层覆盖弹性半无限基底的弹性分层模型，忽略海底声吸收衰减，用海底反射损失进行海底参数反演。反演参数通常包括沉积层密度、纵波速度、横波速度、厚度及基底的密度、纵波速度、横波速度共7个参数。在某些海域，若海底不存在明显的分层，或分层厚度太小不能分离浅底层反射信号，则可利用海底反射损失估计出海底表层的声速、密度和分层结构。文献 23 St´ephanie Gautier, Dominique Gibert. Inversion of roughness parameters of self-affine surfaces from backscattered wavesJ. Geop

21、hys. J. Int., 2005, 160: 797803.反映了介观（mesoscopic scales）内的强烈波动如何解释自仿射粗糙海底表面的粗糙参数反向散射波反演。首先建立了反向散射场模型，基于Helmholyz-Kirchhoff 衍射方程，得到如下声场算法：之后采用贝叶斯反演得到：其中，h0为振幅，H为Hurst指数，均为海底粗糙度参数。反演结果表明： Hurst指数H反演精度高，振幅h0反演误差大。所以此方法仅适用于反演Hurst指数。此方法可用于反应地表的粗糙度特性，进而可以用来研究这些自然分界面的成因和变化。不同研究在不同方面都做出了优化。1、参数方面，文献27 郑广赢.

22、弹性分层海底参数的迭代反演方法J.声学技术, 2013,32(5):84-86.考虑了沉积层中微弱的横波影响，反演的参数更加全面。提出了依据沉积层厚度可能的变化范围选取反演所需的声信号频率的方法，并采用迭代反演方法，依此可准确地反演沉积层厚度、纵波参数和横波参数等参数。这种反演要注意所需要声波频率的选择，频率f1，f2分别为反射系数幅值仅涵盖横波信息和纵波信息的极限频率，反演时小于f1会缺失纵波信息，大于f2会缺失横波信息。因此反演时频率建议在f1和f2之间选取。2、精度方面，普通的基于海底反射损失的反演方法，相对于匹配场反演，可以较高分辨地反演局部海底的分层厚度、密度和声速，但对海底衰减系数

23、不敏感。有些方法采用拖曳声源和固定的接收点，通过提取海底反射损失曲线来反演海底参数，可以较好地估计海底表层的声速和密度，但其缺点是声源拖曳在离海面几十厘米的位置，海浪起伏影响较大，且由于声源距离不断变化和声速剖面波动，提取的海底反射损失波动较大。因此，文献26 杨坤德.利用海底反射信号进行地声参数反演的方法J.物理学报,2009，58（3）：1798-1805. 提出了一种优化的地声参数高分辨反演方法。在短距离、多个深度位置上发射宽带信号，采用垂直阵进行接收，接收点处的多径到达时间和幅度可通过匹配滤波技术提取。然后，对不同的声源深度和接收深度，估计出海底表面反射损失随掠射角、频率的变化曲线后，

24、进行海底表层密度和声速的反演。最后，对明显的浅底层反射信号，估计出海底表面反射和浅底层反射信号的到达时差；假定水深、声源深度、接收深度和声速剖面为已知，并假设沉积层厚度和速度为不同值时，利用射线跟踪程序，可计算出海底表面反射和浅底层反射信号的到达时差。图2给出了从声源到接收点的四条特征声线，即直达波、海面反射波、海底表面反射波和浅底层反射波。若海水声速剖面和实验几何参数已知，则沉积层厚度和声速可通过以下目标函数进行估计其中I是数据样本的数量，tm与tr分别是实验测量和模型计算得到的到达时间差。利用浅底层反射估计沉积层的衰减系数本方法有如下几点优势：（1）将声源固定在近距离和不同深度上连续发射宽

25、带信号，通过脉冲压缩和时间平均，可以提取更稳定的海底反射损失。（2）在浅海环境中，直达波通常会受到内波的影响而存在较大的波动，选择海底表面反射路径作为参考，来估计浅底层反射的到达时间和幅度，稳定性更高。（3）高分辨浅底层剖面声纳以垂直方式照射海底，由于沉积层的厚度和声速的耦合性，而不能精确地加以估计，然而，采用不同的声源和接收深度几何配置，可以同时求解沉积层的厚度和速度。（4）沉积层衰减对远距离传播损失较敏感，但本文方法采用浅底层反射的频率依赖性，为在短距离估计沉积层衰减系数提供了可能。3、维数方面，多维反演复杂耗时长，因此也有不少研究旨在海底单参数反演。文献24 屈科.利用时域波形快速反演海

26、底单参数的方法J. 物理学报, 2013,62(22).就是基于海底反射损失的利用时域波形快速反演海底单参数的方法。首先定义了小掠射角下反射损失随掠射角变化率 FdB为单个参数描述海底性质，构建单参数反演模型。其次，从简正波与射线理论出发，对时域脉冲波形与海底反射性质之间的关系进行了推导，并讨论衰减机制；最后，基于该关系设计出利用最小二乘法对时域波形进行反演的方法。该方法实施仅需要单个水听器，待测物理量少，所获结果较为可靠，且能满足大多数应用的需要。而且其推导过程中采取一些近似，在很多复杂的实际情况中的准确性仍需要去验证。其适用范围及效果需要在实验中进一步检验，并依据具体问题对反演方法进一步优

27、化。 4、方法上，文献40完全采用非线性贝叶斯反演方法对海底反射率做出严格的统计检验。具体的方法是用时间跟踪记录场单个接收机停泊在较低的来源地，然后用轨道穿越接收机传输在固定范围的增量。一个数据由贝叶斯联合域反演，再利用优化的结果域频率信息来反演。还有其他研究再研究模式上进行了完全的创新。文献25 GUO Yong-Gang. Time-domain Geoacoustic Inversion Based on Normal Incidence reflection from layered sediment.Chin. Phys. Lett,2006,23(9):2483-2486. 提出了

28、一种建立在用垂直入射反射数据反演出的稳定的沉积物声阻抗基础上的新的地声学反演方法。通过一个低通滤波器过滤垂直入射反射数据，低频（小于400Hz）信息在还原阻抗中是至关重要的，因为它提供了阻抗的趋势信息。在靠近海底的十米范围内，在低频中，由于衰减而损失的能量远远少于高频中的，并且界面韧性和不均匀性的散射分量可以大大减少。海底以Goupillaud 模型建模，得到第i层的阻抗。将阻抗视为一个基于汉密尔顿经验公式的孔隙度函数，画出孔隙度曲线即可得到速度和密度变化曲线。2.4 传播损失法 文献28 屈科.利用传播损失反演海底单参数J.声学学报, 2013,38(4): 473-476.44 彭汉书.由

29、矢量水听器阵列反演浅海地声参数J.声学技术，2008,27(2):163-167.根据地声反演复杂性随着待反演参数的个数减少不断降低的原理，提出一种利用传播损失反演海底单个参数的方法。通过对海底声阻抗的推导，利用声速、密度和衰减系数拟合出海底反射损失对掠射角的斜率F。基于简正波理论推导了用F描述声场的公式，并据此设计出对传播损失数据进行最小二乘法处理的反演方法。得益于将待反演参数减少至一个，该方法只需单个水听器，避免了复杂测量及多维寻优。但传播损失预测及海底性质估计与实验结果符合良好，在反演简单的同时能够获得多维反演一样有效可靠的结果。根据Weston的理论，浅海衰减随距离依次服从4种衰减规律

30、，分别是：球面扩展、柱面扩展、“三分之二方”多号简正波干涉区、单号简正波柱面扩展衰减。采用无限大均匀液态海底模型，取靠近海底海水声速，以上4种衰减规律的单参数表达式如表1。多号简正波干涉区的衰减受到单参数F的控制可以近似表达为简单的关系式：利用若干距离上声强衰减的数据和以上各衰减表达式，即可以直接拟合出海底反射损失随掠射角变化率F。值得指出，尽管单参数反演在水平不变的软质高速海底情况下能快捷地获得相对可靠结果，但是仍然存在待研究的地方。如何将该方法推广到倾斜海底及复杂海水声速梯度情况；硬质高剪切速度底质是否有效；当海面及海底散射效果不可忽略时如何处理等问题是下一步研究的方向。3 基于统计理论的

31、反演以统计分析理论为基础，从实测数据出发，用最小二乘法等方法得出声速与物理参数的关系式，再用声速预报经验方程反演沉积物物理参数。海底沉积物声速预报经验方程可分为四类：单参数线性方程、多参数线性方程、单参数多项式方程和多参数多项式方程。经验方程的通式为式中，c代表压缩波声速或者切变波声速;A， B为系数矩阵;X表示沉积物物理参数组合。 单参数线性方程反演最为明了，方程解算简单。海底沉积物的许多物理参数之间具有较好的线性关系，但与声速一次线性相关性较差，为非线性相关性，因此较少采用单参数线性方程。两个参数以上的多参数多项式方程包含了影响声速的多因素的信息，但由于多物理参数之间有关联，具有耦合性，无

32、法实现参数反演，因此很少被采用。广为采用的是单参数二次方程或双参数线性方程，以此为基础建立反演方程。应用双参数线性反演公式受到的限制小，无临界声速限制、不需要选择方程的符号。通过扩大建立经验方程的适用范围和提高它的精度，两种模式的反演方程的精度都可以相应提高。3.1 匹配场法11 唐晓丹.利用匹配场方法反演海底单参数J. 声学技术,2013,32(3):208-211.匹配场反演 ( MFI，Matched Field Inversion)利用水听器阵接受信号和包括声源位置在内的声音，来逆推海洋信道信息。MFI的难易主要取决于反演参数的数量，一般地，未知参数越多，反演问题就越复杂，因为在多维参

33、数空间中存在众多的局部最优点，使得全局最优解的获取十分困难。同时，某个参数反演的有效性依赖于在反演过程中它对目标函数的影响力，即参数的敏感性。敏感性强的参数比敏感性弱的参数能取得更好的估计结果，在测量海底声学参数的实际海洋环境中，声源和接收位置的距离这两个参数常常无法准确测量，在这种情况下，需要采用匹配场反演方法来估计海底的声学参数。其原理为：基于单参数海底模型的匹配场反演中，以单参数 FdB和海底声速 c作为匹配物理量。在 N个不同距离 ri上，拷贝场传播损失 TLm(ri)与实验测量传播损失 TL(ri)之差的绝对值为 TL(ri)，在不同距离上的 TL(ri)的平均值为 DT L，定义

34、TL(r)的标准偏差作为代价函数：对于较低频率的二维海洋环境，上式中的拷贝场传播损失可以用简正波理论来计算。利用稍加修改的 Kraken 计算模型，输入单参数海底模型的模FdB与相位变量 F这两个变量，来计算拷贝场的传播损失。通过穷举法搜索 FdB及 c 的值，使代价函数最小的值即为反演值。匹配场反演方法常用于远距离实验数据，反映了水体和海底空间变化环境的平均效果，对海底密度和衰减系数的敏感性较小，且反演参数多，存在不唯一性。基于复杂的Biot模型和浅底层剖面声纳垂直反射数据，Schock提出了一种估计海底物理和声学参数的方法，但其需要估计Biot模型的13个参数，过程复杂。但改进的单参数匹配

35、场反演方法的反演维数较小(位置参数只有两个)，寻优计算量较小，由于单参数及海底声速对传播损失比较敏感，反演结果较稳健。3.2 垂直阵或水平阵声场空间结构法垂直阵、水平阵（拖线阵）都是基于匹配场法的特殊改良的反演方法。基本步骤为：建立传播模型建立目标函数 寻优算法 反演结果的不确定性分析。3.2.1 拖线阵（HLA）文献12的传播模型，采用水平变化环境下的RAM模型（RAM是基于抛物方程的一种精确解决水平变化环境下声场传播问题的方法，能够应用于海底分层介质问题中，易于处理复杂海底地形）。目标函数方面，考虑到海洋声传播的频率依赖性，利用宽带信号则可以得到更多的声场传播信息，取得更精确、更稳健的反演

36、结果。宽带匹配场处理方法主要包含2种：一种是传统的非相干方法，另一种是相干方法。文章中用频率非相干而距离相干的Bartlett匹配处理器：式中：Nf表示宽带信号频率数量;Nx表示要计算的距离个数(拖线阵水听器阵元个数);pij与qij分别代表测量场与拷贝场向量(其中表示共轭)。 文献13 T.C. Yang. Subbottom profiling using a ship towed line array and geoacoustic inversion. J. Acoust. Soc. Am., Dec. 2007,122(6):3338-3352.则考虑如下步骤来得到反演模型：理论计算

37、其中t是射线传播时间，x是沿射线路径上的水平距离，p是水平延迟对于浅海底每层（例文分2层），有：模型建立： 文献14Dag Tollefsen. Bayesian geoacoustic inversion of ship noise on a horizontal Array. J. Acoust. Soc. Am., Dec. 2007,124(2):788-795.对从一个安静的水面舰艇上记录下停泊在浅水中的水平线阵列数据运用声学反演低频窄带声。为了提高低噪声数据的信息含量，其效果包括多个独立的数据段的反演研究和显示显著降低声学参数的不确定性。反演结果总结显示：（1）本反演中的多个数据段

38、，导致显著降低地声学参数的不确定性估计。（2）更高的信噪比与船船尾向数组。船舶噪声短程出站是最有益的反演结果。3.2.2 垂直阵(VLA)文献 16对沉积物模型归类，选取了一种高声速海底沉积物声速结构模型作为反演的理论模型，采用射线理论对声线经表层倾斜海底沉积层传播的模型进行研究，建立了声场预报模型。文献 1718Steven A. Stotts. Geoacoustic Inversions of Horizontal and Vertical Line Array Acoustic Data From a Surface Ship Source of Opportunity. IEEE J

39、OURNAL OF OCEANIC ENGINEERING, VOL. 35, NO. 1, JANUARY 2010: 79-102链接有问题均用了类似的方法，在此不一一赘述了。3.2.3 两种阵的优劣比较文献 14不仅用了垂直线阵收集处理数据，还用了水平线阵法与之对比。文章运用单元VLA数据反演，讨论了与HLA反演数据相同的时间间隔内浅水各参数变化和异同点。 拖线阵垂直阵反演结果大体上相近，对于参数的不确定性，声速、沉积层厚度以及水深等参数较敏感，而吸收系数和密度的敏感性均较弱。不同的是，对于沉积层厚度、吸收系数、终点处水深这3个参数，水平阵反演结果还要好于垂直阵。究其原因，主要是因为水平

40、阵孔径较大，在水平距离方向上采样充分，得到了足够多的声场信息，而垂直阵长度虽然接近全水深，但是在水平变化环境中不足以得到足够多的水平变化信息，导致不确定性增加。垂直阵(VLA)可以实现海底声学参数的反演，但是其机动性较差，无法实现大面积海域海底声学参数的快速获取，而且随着声源与VLA之间距离的增大，水平变化环境将严重影响VLA的反演效果。拖线阵的优势在于能够快速机动，声源与接收阵可以同时拖动，保持较近的相对距离，从而减弱甚至忽略水平变化性对反演性能的影响。2.2.4 应用 编号测量海底声学参数：以获取海底信道信息本身为目的；匹配场噪声控制技术研究：是匹配场处理领域的一个新的热点问题。2003年

41、，马远良等首先总结了水声系统受近场和远场离散噪声源严重干扰的事实，从物理上分析了离散噪声源对水声系统产生干扰的复杂现象及原因，并以拖曳线列阵为例，详细论证了干扰的过程以及对系统检测性能的严重影响。基于对匹配场处理技术和最优阵列信号处理技术的深刻理解，作者提出了将两者结合以消除水面源的干扰，这就是所谓匹配场噪声抑制。海洋救生与海洋考察3.3 贝叶斯统计反演法高伟-向量机根据贝叶斯统计反演理论，声场测量数据和未知海底参数都被看成是随机变量，对于给定的声场测量数据向量d，一个反演问题的解是未知海底参数向量m满足的PPD：文献41提出了一种跨维度的贝叶斯反演。利用联合反演（光谱强度指数）和反式维贝叶斯

42、抽样方法。将沉积层的数目和顺序在误差模型的自回归参数作为未知数先验分布，允许流体沉积层反演弹性基底的推导和实施。考虑三种情况：散射反演，反演联合散射和反射，并与模型联合反演。提出了一个多项式样条为基础的跨维度的反演参数，该方法应用良好，但只在解决板型结构方面更有优势。33.13.23.33.4 快速场反演文献37 祝捍皓.快速场(FFP)算法反演海底参数研究J.哈尔滨工程大学学报,2012,33(5):648-653 在 Pekeris 海洋声场模型的基础上推导了基于快速场 (FFP) 理论的两层弹性海底声场计算公式，讨论了其传播规律。快速场(FFP) 算法反演中，采用了实际测得的传播损失与

43、FFP 理论计算值相等的代价函数，讨论了其对各海底参数的敏感度。对于两层海底介质，建立如图1 所示坐标系： 图1 两层海底声场环境模型文献38针对具有弹性海底的浅海波导环境，基于快速场方法（FFM）对波阻抗（定义为流体中声压场p与振速v的商：Z=p/v）在地声参数反演中的应用进行了研究。理论研究与仿真结果均表明，快速场方法对弹性海底中各参数均有更好的敏感度，同时对两类海底参数的耦合作用具有更好的分辨力，更适用于对海底参数的反演研究。基于快速场的浅海声矢量场模型,仿真环境与波导参数如图 1 所示。利用快速场方法，图 1 环境下流体层中声压场 p 与振速场 v 可分别表示为：3.5 快速场反演文献

44、43采用优化的回声包围匹配法(optimized echo-envelope matching)，得到了海底反向散射模型。I(t) 为海底总粗糙度Ii(t) 与海底沉积物交界面特性有关Iv(t) 与沉积物体积散射系数有关对该方法的实测分析显示：估计的沉积物的平均颗粒大小偏离了真实值，而粗糙度特征和体积特性得到了较为准确的反演。4 分步联合反演方法基于以上基本反演模型和方法的基础上，研究者提出了分步联合反演方法，将不同方法的长处联合使用，达到最好的反演效果。文献33 张学磊.一种地声参数的联合反演方法J.声学学报,2009,34(1):54-59.提出了利用简正波频散特征结合声传播损失反演地声参

45、数的联合反演方法考虑到简正波的频散特性(群速度)对海底的密度和声速较为敏感，而对海底吸收系数不敏感，利用自适应时频分析方法，获得不同频率不同号数简正波的到达时间差，以此作为代价函数，采用全局优化算法，反演出海底密度和海底声速的分层结构。由于群速度对海底吸收系数的不敏感，根据文献联合反演方法，可先假设一个海底吸收系数，先反演海底的密度和海底声速参数。同时，考虑到海深对简正波频散特征较为敏感，且实际测量的海深会有一定的不确定性，把海深也作为一个反演参数，这样待反演向量M就包含7个待反演参数：海深H1、沉积层厚度H2、沉积层和基底的密度1和2、沉积层上下边界及基底的声速c1，c2和c3。其他类型的分

46、步联合反演方法则是在信号和数据处理进行联合，提高了反演精度。矢量水听器能同时测量声压和质点振速信号，是一种重要的水声传感器。理论与实验研究表明，不同号简正波对声矢量场有不同的贡献。高号简正波由于衰减大而快速减小，对于声压信号与质点水平振速信号，低号简正波起主要作用。但是低号简正波对应的简正波掠射角小而对质点垂直振速信号贡献变小，相反高号简正波起相对重要作用。文献31 李风华.由矢量水听器阵反演海底地声参数J. 哈尔滨工程大学学报. 2010,31(7):895-902.在此基础上提出一种新的基于矢量声场的将声压和质点振速相联合的地声反演方法，可以提高目前基于声压场的海底声学参数反演精度。这为矢

47、量水听器应用于海洋环境监测提供了一种新方法。文献【32】 笪良龙.基于多步优化策略的地声参数反演方法与研究J. 船舶电子工程,2012,12(32):136-138.针对不同参数选择不同类型的代价函数和信号频段，提出了一种多步优化地声反演方法。首先，选用Westwood宽带匹配场处理器(基于信号频谱相关程度的代价函数)处理低频段数据，依据此代价函数对底质声速和底质密度的敏感性较强，以及底质声速在低频下比较敏感，重点反演底质声速，同时记录底质密度的初步反演估值。然后，固定底质声速，选用Westwood 宽带匹配场处理器处理高频段数据，依据此代价函数对底质密度的敏感性也较强，以及底质密度需要在尽可

48、能全地估计出其他参数的条件下处理，重点反演底质密度，再结合第一步的初步反演估值，综合得出底质密度真值。最后，固定底质声速和底质密度，选用基于传播损失标准偏差的代价函数，依据此代价函数对底质衰减系数敏感性较强，以及底质衰减系数需要在其他参数已准确估计的条件下处理，反演底质衰减系数。多步优化反演方法与直接全参数反演相比更符合参数敏感性原则，更能保证敏感性较弱参数反演的可靠性，提高得到全局最优解的概率。 文献35分析不同海底参数对环境噪声垂向空间特性的敏感度，根据海底密度对环境噪声垂直指向性的小掠射角部分不敏感，而对等效海底损失的大掠射角部分相对敏感的特点，提出了一种海洋环境噪声分步反演地声参数方法

49、：先用环境噪声垂直指向性小掠射角部分反演海底声速、衰减；之后利用大掠射角部分来反演海底密度。从分布规律来看，分步法声速和密度概率分布比单步法更集中。55.15.25.35.45.55.65.75.86 反演优化算法新章节参数反演最重要的过程就是对目标函数进行参数搜索空间上的优化，从而找到使目标函数最匹配的全局最优点，使反演的参数尽可能接近实际值，达到较高精度。6.1 数据筛选算法因为数据计算需要大量时间，数据的筛选非常关键，选取几个有代表性的水听器的数据，即可达到高质量的反演结果和较少的反演时间。文献25Geoacoustic Inversions of Horizontal and Vert

50、ical Line Array Acoustic Data From a Surface Ship Source of Opportunity2010编号在数据筛选方法上有部分优化和改进。筛选算法应用于识别与测量的接收频率水平（RL）反转结构和反演这些频率的一个子集，定性进行了反演解的精度评估，通过比较测量的传输损失（TL）与建模从解参数值计算TL。然后，用一套后评估处理指标作为定量验证的部分反演得到的解。文献35使用PCA (principal component analysis) 用来筛选数据，以保证输入数据的有效性最大。6.2 目标函数搜索算法6.2.1 模拟退火算法文献25Geoac

51、oustic Inversions of Horizontal and Vertical Line Array Acoustic Data From a Surface Ship Source of Opportunity2010编号即采用模拟退火算法（SA），该方法是类比于自然界的优化过程，是热动力退火过程，通过随机地扰动模型参数，并接受使目标函数变小的模型参数和有概率的接受跳出局部小的模型参数，最终能较好地收敛到搜索空间里的最小值。6.2.2 遗传算法文献5采用遗传算法进行寻优。遗传算法（GA），是类比于自然界的优化过程，是遗传进化过程，通过随机地进行杂交和变异使模型的种群得以在遗传中进化

52、，最终都能较好地收敛到搜索空间里的最小值。6.2.3 SVMA算法匹配场统计反演海底声参数的根本目的是求解未知参数的后验概率分布(PPD)。针对现有各种求解参数PPD的数值方法如穷举搜索、Markov Chain Monte Carlo采样、最近邻域插值近似算法普遍存在计算速度慢、时间长、难以满足实际应用的问题，文献19 高伟.一种基于支持向量机的海底声学参数快速统计反演方法J.声学学报,2010,35(3):343-352. 提出一种基于支持向量机的海底声学参数快速统计反演方法SVMA算法。该方法基于支持向量机强大的小样本学习能力和泛化能力，能够在小样本采样的情况下，通过训练学习拟合未知海底

53、声参数和后验概率之间存在的函数关系，有效地估计参数PPD。其工作流程如下图所示。与ESA、MCMC、NNIAA等传统参数PPD的求解方法相比，SVMA算法显著减少了声场传播模型的计算次数，节省了计算时间。而且，SVMA算法把机器学习和贝叶斯统计反演两个不同的研究领域联系起来，有助于把机器学习领域的大量更新、更实用的研究成果引入到参数PPD的求解问题中，对扩大支持向量机的应用范围、促进贝叶斯统计反演方法的进一步发展具有重要的意义。然而，SVMA算法目前只适用于低维(不大于5)海底参数的反演问题，对于高维反演问题由于未知参数的增多，使得采用标准支持向量机对代价函数的拟合变得困难，并不能保证该方法在

54、高维反演间题中仍然具有很好的小样本估计能力。如何改进算法或引进更先进的机器学习工具解决高维参数PPD的快速求解问题，是今后进一步研究的方向。 6.2.4 迭代反演算法一般而言，频率越高，目标函数对各反演参数的敏感性越高，反演结果的精度越高。因此文献24考虑先采用低频的声反射损失进行反演以初步缩小参数的范围，再依据新的反演范围确定可采用的高频声信号的频率，利用该频率声信号的反射损失进行反演以提高反演结果的精度。该反演方法流程框图见图26.2.5 神经网络反演方法（1）局域滤波法文献29 高伟.利用局域滤波方法反演地声参数J.应用声学,2011,30(4):254-263. 针对现有地声参数反演方

55、法在分批分时处理海量数据时不能同时兼顾反演速度和精度、难以满足实际需要的不足，发展了现有神经网络反演方法通过估计反演算子的方式来解决反演实时性问题的重要思路，着重关注了反演环节(1)和(3)：首先构造了一个同时包含有声场幅度和相位信息的阵列观测数据向量，进而提出了一种在阵列实测数据的局域空间内利用加权最小二乘滤波反演地声参数的新方法。利用R中局域近邻点之间的关联性(即局域范围内映射关系的相似性)来近似f的方法，最终可得到局域滤波反演算子： 该方法有如下特点：速度上，尽管采用本文方法分批分时处理海量数据仍要对每一组数据都需要重新估计反演算子，但该过程却不涉及任何前向模型的计算，因此仍然可以保证一

56、定的计算速度，尤其与全局搜索算法相比速度优势显著。对神经网络反演方法，处理一组新的数据并不需重新估计反演算子，因此在计算速度方面要优于本文方法。精度上，与神经网络反演方法相比，本文方法的新数据向量更充分地利用了声场观测信息，局域滤波又避免了整体平滑效应，从而提高了反演精度。如果仅对单一的一组数据处理，全局搜索算法、神经网络方法和本文方法在前向模型的调用次数、总的计算时间等方面相差无几，神经网络方法以及本文方法在计算速度上并无优势，而且全局搜索算法的反演精度相对较高。因此，在对小数据样本处理时仍建议采用全局搜索算法。后两种方法的优势主要体现在对海量数据处理的情况。该方法是在反演速度和反演精度之间的一种折中，比现有方法更适用于对大批量实验数据的处理(如普遍存在的长时间、大范围观测情形)，特别适用于工程上的分批分时及实时反演，具有广阔的应用前景。（2）ANFIS文献30 提出一种将模糊推理系统和人工神经网络结合的新型海底声参数反演方法ANFIS (adaptive neuro-fuzzy i