基于甚低频水地模态干涉的浅海海底地声参数反演方法、系统、设备和介质

1.本发明属于水声物理技术领域，特别是涉及基于甚低频水地模态干涉的浅海海底地声参数反演方法、系统、设备和介质。


背景技术：

2.自chuprov在1982年提出了波导不变量的概念以来，在距离频率域中观测到的声强条纹得到了广泛的研究。现有研究表明典型浅海波导环境下β≈1，这个量相对于声速剖面中的小扰动是相当稳定的，这使得其被广泛的应用于宽带声源的被动测距。此外，β的值也可以描述波导中的模态频散，与波导的性质有着内在的关系，这使得它也广泛的应用于地声参数反演和阵列信号处理(模态滤波、噪声抑制等)。
3.目前国内外学者所做的研究，多是认为波导不变量是一个固定不变的标量。少数的关于波导不变量变化的研究均为水文变化的影响。在负跃层等非均匀声速剖面情况下,声场的干涉条纹结构成分复杂,条纹斜率以及相应的波导不变取值具有一定的分布范围,难以用一个固定的常数来描述。
4.然而，目前还没有针对海底声学参数引起的波导不变量的变化的研究。当考虑分层浅海环境下的甚低频声传播时，部分能量耦合进海底以沉积层捕获的地声模态传播，水声模态群速度呈负频散而地声模态呈正频散，因此二者干涉结构不再是条纹形式，而是随频率呈非线性变化。这一特殊的干涉结构对海底参数变化敏感，可用于海底地声参数反演。


技术实现要素：

5.本发明为了解决现有技术中的问题，提出基于甚低频水地模态干涉的浅海海底地声参数反演方法、系统、设备和介质，以获取有效的分层浅海环境的海底声参数。
6.本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出基于甚低频水地模态干涉的浅海海底地声参数反演方法，所述方法包括以下步骤：
7.步骤1：多个水听器或obs布放入水，船只走航，然后以固定时间间隔向海里投掷爆炸声源或发射甚低频气枪声源，遍历调研海域后返程，回收接收设备获得时间-距离域上的声压数据；
8.步骤2：对时间-距离域上的声压数据进行初步处理分析，首先从实验数据中获取海洋环境的先验信息，利用基底侧面波的传播速度确定基底声速范围，然后利用频率波数域特征进行模态滤波仅保留能量强的一阶水声模态和一阶地声模态，对保留下来的数据做傅里叶变换，得到距离-频率域中的水地模态声强干涉结构；
9.步骤3：提取实验数据距离-频率域中的水地模态干涉条纹曲线，利用下式计算波导不变量随频率的分布：
10.11.其中：β表示波导不变量，r0表示声源与接收点的中心距离，f0表示中心频率，f表示频率，r表示距离；
12.步骤4：理论计算模态间干涉条纹随频率的变化，计算方法具体为：
13.距离-频率平面上，针对特定干涉条纹，其上各点声强为一常量，则：
[0014][0015]
其中，i表示声强，ω＝2πf为角频率；
[0016]
由声强表达式得到：
[0017][0018][0019]
其中，m和n表示简正波阶数，am和an为简正波模态强度，*表示复共轭，δk
mn
为模态间波数差；
[0020]
将式(3)和式(4)带入(2)式：
[0021][0022]
则有：
[0023][0024]
由此得到条纹斜率即两阶模态干涉结构的波导不变量的理论表达式：
[0025][0026]
其中，β
mn
表示第m和n阶干涉的波导不变量；i0为常数，s
pm
、s
pn
分别为m阶和n阶模态的相慢度，s
gm
、s
gn
分别为m阶和n阶模态的群慢度；
[0027]
由上式可知，两阶模态干涉结构的波导不变量的理论值表示为模态间相慢度差比上群慢度差，由简正波理论下的声场计算软件kraken可以分别得到相速度与群速度频散曲线，也就是各阶简正波相速度与群速度随频率的分布，代入式(7)可以得到两阶模态干涉结构的波导不变量理论值随频率的分布β
mn
(f)；
[0028]
步骤5：将利用水地模态干涉的波导不变量β
mn
随频率的分布作为目标函数其中，表示数据中提取的两阶模态干涉结构的波导不变量随频率分布，为理论计算值，采用贝叶斯反演优化，计算多个频率下的累积最小均方误差，得到目标函数的最小值，此时对应的寻优参数最优值即为反演得到的海底参数。
[0029]
本发明提出基于甚低频水地模态干涉的浅海海底地声参数反演系统，所述系统包括：
[0030]
数据获取模块：多个水听器或obs布放入水，船只走航，然后以固定时间间隔向海里投掷爆炸声源或发射甚低频气枪声源，遍历调研海域后返程，回收接收设备获得时间-距离域上的声压数据；
[0031]
数据处理模块：对时间-距离域上的声压数据进行初步处理分析，首先从实验数据中获取海洋环境的先验信息，利用基底侧面波的传播速度确定基底声速范围，然后利用频率波数域特征进行模态滤波仅保留能量强的一阶水声模态和一阶地声模态，对保留下来的数据做傅里叶变换，得到距离-频率域中的水地模态声强干涉结构；
[0032]
波导不变量计算模块：提取实验数据距离-频率域中的水地模态干涉条纹曲线，利用下式计算波导不变量随频率的分布：
[0033][0034]
其中：β表示波导不变量，r0表示声源与接收点的中心距离，f0表示中心频率，f表示频率，r表示距离；
[0035]
理论计算模块：理论计算模态间干涉条纹随频率的变化，计算方法具体为：
[0036]
距离-频率平面上，针对特定干涉条纹，其上各点声强为一常量，则：
[0037][0038]
其中，i表示声强，ω＝2πf为角频率；
[0039]
由声强表达式得到：
[0040][0041][0042]
其中，m和n表示简正波阶数，am和an为简正波模态强度，*表示复共轭，δk
mn
为模态间波数差；
[0043]
将式(3)和式(4)带入(2)式：
[0044][0045]
则有：
[0046][0047]
由此得到条纹斜率即两阶模态干涉结构的波导不变量的理论表达式：
[0048][0049]
其中，β
mn
表示第m和n阶干涉的波导不变量；i0为常数，s
pm
、s
pn
分别为m阶和n阶模态的相慢度，s
gm
、s
gn
分别为m阶和n阶模态的群慢度；
[0050]
由上式可知，两阶模态干涉结构的波导不变量的理论值表示为模态间相慢度差比上群慢度差，由简正波理论下的声场计算软件kraken可以分别得到相速度与群速度频散曲
线，也就是各阶简正波相速度与群速度随频率的分布，代入式(7)可以得到两阶模态干涉结构的波导不变量理论值随频率的分布β
mn
(f)；
[0051]
反演模块：将利用水地模态干涉的波导不变量β
mn
随频率的分布作为目标函数其中，表示数据中提取的两阶模态干涉结构的波导不变量随频率分布，为理论计算值，采用贝叶斯反演优化，计算多个频率下的累积最小均方误差，得到目标函数的最小值，此时对应的寻优参数最优值即为反演得到的海底参数。
[0052]
本发明还提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述基于甚低频水地模态干涉的浅海海底地声参数反演方法的步骤。
[0053]
本发明还提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述基于甚低频水地模态干涉的浅海海底地声参数反演方法的步骤。
[0054]
本发明的技术效果在于：本发明提出的基于甚低频水地模态干涉条纹的浅海海底地声参数反演方法中，采用的干涉结构是水声模态与沉积层中的地声模态的干涉效果，与以往采用的明暗相间的条纹形式不同，本发明中干涉结构的斜率是随频率变化的。回归基本理论研究这一干涉结构成因，理论分析结果表明当考虑分层浅海环境下的甚低频声传播时，部分能量耦合进海底以沉积层捕获的地声模态传播，水声模态群速度呈负频散而地声模态呈正频散，因此二者干涉结构不再是条纹形式，而是随频率呈非线性变化。这一特殊的干涉结构与沉积层中模态传播及频散特性相关，而频散特性与水体、海底声学参数有关，是用来反演环境参数的新方法，反演效果更好。
附图说明
[0055]
图1为本发明实施案例所采用的单炮记录的时间-距离域声压数据。
[0056]
图2为通过二维傅里叶变换将图1中时间-距离域数据变换到频率-波数域，利用f-k变换对数据进行模态滤波，仅保留1阶水声模态和1阶地声模态。
[0057]
图3为模态滤波后的时间-距离域数据及对应的干涉结构。
[0058]
图4为实验数据中提取的干涉条纹曲线及其斜率变化。
[0059]
图5为本发明方法反演结果的后验概率分布图。
[0060]
图6为本发明方法获取的环境模型计算的干涉结构及干涉条纹斜率随频率分布规律与数据对比图。
具体实施方式
[0061]
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0062]
结合图1-图6，本发明提出基于甚低频水地模态干涉的浅海海底地声参数反演方
法，所述方法包括以下步骤：
[0063]
步骤1：多个水听器或obs布放入水，船只走航，然后以固定时间间隔向海里投掷爆炸声源或发射甚低频气枪声源，遍历调研海域后返程，回收接收设备获得时间-距离域上的声压数据；
[0064]
步骤2：对时间-距离域上的声压数据进行初步处理分析，首先从实验数据中获取海洋环境的先验信息，利用基底侧面波的传播速度确定基底声速范围，然后利用频率波数域特征进行模态滤波仅保留能量强的一阶水声模态和一阶地声模态，对保留下来的数据做傅里叶变换，得到距离-频率域中的水地模态声强干涉结构；
[0065]
步骤3：提取实验数据距离-频率域中的水地模态干涉条纹曲线，利用下式计算波导不变量随频率的分布：
[0066][0067]
其中：β表示波导不变量，r0表示声源与接收点的中心距离，f0表示中心频率，f表示频率，r表示距离；
[0068]
步骤4：理论计算模态间干涉条纹随频率的变化，计算方法具体为：
[0069]
距离-频率平面上，针对特定干涉条纹，其上各点声强为一常量，则：
[0070][0071]
其中，i表示声强，ω＝2πf为角频率；
[0072]
由声强表达式得到：
[0073][0074][0075]
其中，m和n表示简正波阶数，am和an为简正波模态强度，*表示复共轭，δk
mn
为模态间波数差；
[0076]
将式(3)和式(4)带入(2)式：
[0077][0078]
则有：
[0079][0080]
由此得到条纹斜率即两阶模态干涉结构的波导不变量的理论表达式：
[0081][0082]
其中，β
mn
表示第m和n阶干涉的波导不变量；i0为常数，s
pm
、s
pn
分别为m阶和n阶模态的相慢度，s
gm
、s
gn
分别为m阶和n阶模态的群慢度；
[0083]
由上式可知，两阶模态干涉结构的波导不变量的理论值表示为模态间相慢度差比
上群慢度差，由简正波理论下的声场计算软件kraken可以分别得到相速度与群速度频散曲线，也就是各阶简正波相速度与群速度随频率的分布，代入式(7)可以得到两阶模态干涉结构的波导不变量理论值随频率的分布β
mn
(f)；
[0084]
步骤5：将利用水地模态干涉的波导不变量β
mn
随频率的分布作为目标函数其中，表示数据中提取的两阶模态干涉结构的波导不变量随频率分布，为理论计算值，采用贝叶斯反演优化，计算多个频率下的累积最小均方误差，得到目标函数的最小值，此时对应的寻优参数最优值即为反演得到的海底参数。
[0085]
本发明还提出基于甚低频水地模态干涉的浅海海底地声参数反演系统，所述系统包括：
[0086]
数据获取模块：多个水听器或obs布放入水，船只走航，然后以固定时间间隔向海里投掷爆炸声源或发射甚低频气枪声源，遍历调研海域后返程，回收接收设备获得时间-距离域上的声压数据；
[0087]
数据处理模块：对时间-距离域上的声压数据进行初步处理分析，首先从实验数据中获取海洋环境的先验信息，利用基底侧面波的传播速度确定基底声速范围，然后利用频率波数域特征进行模态滤波仅保留能量强的一阶水声模态和一阶地声模态，对保留下来的数据做傅里叶变换，得到距离-频率域中的水地模态声强干涉结构；
[0088]
波导不变量计算模块：提取实验数据距离-频率域中的水地模态干涉条纹曲线，利用下式计算波导不变量随频率的分布：
[0089][0090]
其中：β表示波导不变量，r0表示声源与接收点的中心距离，f0表示中心频率，f表示频率，r表示距离；
[0091]
理论计算模块：理论计算模态间干涉条纹随频率的变化，计算方法具体为：
[0092]
距离-频率平面上，针对特定干涉条纹，其上各点声强为一常量，则：
[0093][0094]
其中，i表示声强，ω＝2πf为角频率；
[0095]
由声强表达式得到：
[0096][0097][0098]
其中，m和n表示简正波阶数，am和an为简正波模态强度，*表示复共轭，δk
mn
为模态间波数差；
[0099]
将式(3)和式(4)带入(2)式：
[0100][0101]
则有：
[0102][0103]
由此得到条纹斜率即两阶模态干涉结构的波导不变量的理论表达式：
[0104][0105]
其中，β
mn
表示第m和n阶干涉的波导不变量；i0为常数，s
pm
、s
pn
分别为m阶和n阶模态的相慢度，s
gm
、s
gn
分别为m阶和n阶模态的群慢度；
[0106]
由上式可知，两阶模态干涉结构的波导不变量的理论值表示为模态间相慢度差比上群慢度差，由简正波理论下的声场计算软件kraken可以分别得到相速度与群速度频散曲线，也就是各阶简正波相速度与群速度随频率的分布，代入式(7)可以得到两阶模态干涉结构的波导不变量理论值随频率的分布β
mn
(f)；
[0107]
反演模块：利用水地模态干涉的波导不变量β
mn
随频率的分布作为目标函数其中，表示数据中提取的两阶模态干涉结构的波导不变量随频率分布，为理论计算值，采用贝叶斯反演优化，计算多个频率下的累积最小均方误差，得到目标函数的最小值，此时对应的寻优参数最优值即为反演得到的海底参数。
[0108]
本发明还提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述基于甚低频水地模态干涉的浅海海底地声参数反演方法的步骤。
[0109]
本发明还提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述基于甚低频水地模态干涉的浅海海底地声参数反演方法的步骤。
[0110]
本实施案例数据来源于2010年获得的从胶莱盆地到南黄海北部盆地测线长达100多公里的多道地震勘探实验(dl10-9)。本次调查由东向西进行，水深20-40m。数据由336个阵元的拖曳阵接收，拖曳深度12m。声源为总容量2940in3的气枪阵列，由18个气枪组成，声源深度8m，放炮间隔为37.5米。
[0111]
获取的单炮数据如图1所示，该炮点水深30m。根据上述步骤，首先对数据进行简单分析获取实验海域环境先验信息。如图1中白色虚线所示，基底侧面波的传播速度约4500m/s，确定基底声速寻优区间3000-6000m/s。
[0112]
然后通过f-k变换将数据变换到频率波数域如图2所示，频率波数域特征进行模态滤波，甚低频30m海深条件下仅可激发一阶水声模态，其他能量耦合进海底以地声模态传播。在波数-频率域设置滤波器，仅保留能量较强的水声模态和地声模态。对滤波后的数据做傅里叶变换，得到距离-频率域中的水地模态声强干涉结构，滤波后数据及干涉结构如图3所示。提取的干涉条纹曲线及其斜率变化如图4所示。利用非线性全局优化算法——自适应单纯形模拟退火法(assa)求解最大后验概率模型，部分参数后验概率密度如图5所示。反
演参数先验区间及反演结果见下表：
[0113][0114][0115]
本发明方法获取的环境模型计算的干涉结构及干涉条纹斜率随频率分布规律与数据对比如图6所示。
[0116]
本发明在典型实施案例中取得了明显的效果，与现有技术相比其优越性在于：
[0117]
(1)利用水声模态与地声模态的特殊干涉结构，通过实验数据处理和海底建模仿真，反演得到浅海海底地声参数，这一干涉特性与海底传播模态的频散密切相关，是反演地声参数更为敏感的物理量。
[0118]
(2)本发明中获取的实验数据信噪比高，代价函数对地声参数变化更加敏感，因此反演更为高效，反演的地声参数精度更高。
[0119]
当考虑分层浅海环境下的甚低频声传播时，部分能量耦合进海底以沉积层捕获的地声模态传播，水声模态群速度呈负频散而地声模态呈正频散，因此二者干涉结构不再是条纹形式，而是随频率呈非线性变化。这一特殊的干涉结构与沉积层中模态传播及频散特性相关，而频散特性与水体、海底声学参数有关，因此是用来反演环境参数的新方法，反演效果更好。本发明给出利用水、地模态干涉特性进行地声参数反演的具体流程，并以实施案例说明方法的有效性。与现有技术相比其优越性在于：由于本发明选取的代价函数对地声参数变化更加敏感，因此反演更为高效，反演的地声参数精度更高。
[0120]
以上对本发明所提出的基于甚低频水地模态干涉的浅海海底地声参数反演方法、系统、设备和介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。