基于海洋环境噪声垂直相关函数的海底反射系数直接提取方法

Seabed reflection coefficient is the key parameter of building ocean acoustic model which describes the boundary of transmission medium, and has been paid close attentions and widely applied in sonar systems, underwater communication, marine exploration and so on. Considering the difficulty of direct sampling on a large scale, acoustic inversion is the main method of obtaining the seabed reflection coefficients at this stage. The inversion methods by acoustic propagation and reverberation are short of concealment and need more equipment. The conventional inversion by ocean ambient noise is time-consuming and uncertainty is existed in the results.This project provides a method of extracting seabed reflection coefficient directly based on vertical cross-correlation function of ocean ambient noise data. Utilizing the feature that the directional density function of ocean ambient noise is proportional to its cross-correlation function, the seabed reflection coefficient will be directly extracted by the vertical cross-correlation function of ambient noise. The influences of white noise, discrete sources, and nonzero source depth on the reliability of results is analyzed by theoretical simulation, the solution is searched for seabed stratification, and the data processing method of improving accuracy is investigated basing on the measured data. Advantages are as follows:(1) Only two vertical aligned hydrophones are needed.(2) It is concealed without transmitting any signals. (3) This method without iterative calculation is much faster than previous matched field methods.

海底声反射系数是建立海洋声学模型所需的描述传输介质边界的关键参数，受到声纳系统、水下通信、海洋勘探开发等诸多方面的密切关注和广泛应用。鉴于海底取样大规模获取声反射系数的困难程度，声学反演是现阶段获取海底声学参数的主要方法，其中声传播和混响反演，隐蔽性较差，使用设备较多；传统的环境噪声匹配场反演耗时较长且反演结果存在不确定性。本项目提出一种基于海洋环境噪声垂直相关函数的海底反射系数直接提取方法，该方法利用方向密度函数正比于环境噪声垂直相关函数这一特点，由海洋环境噪声垂直相关直接获取海底反射系数，通过理论仿真全面分析白噪声、离散源、噪声源深度等因素对提取结果的影响，探寻海底分层情况下的解决方案，并结合实测数据研究提高获取精度的数据处理途径。本方法优势如下：1）只需布置两个垂直排列的水听器；2）不需要发射信号，隐蔽性好；3）无需匹配场迭代计算，可快速提取海底声学特征。

海底声学参数是海洋声学建模的关键参数，围绕着直接采样法的费时费力、常规反演方法的大计算量和不确定性等问题，本项目提出了一种利用海洋环境噪声直接（非迭代）提取海底反射系数的方法，基于海洋环境噪声垂直相关函数与方向密度函数的相似性，结合海洋环境噪声场射线理论，由两个垂直排列的水听器实现海底反射系数的被动获取。以海底反射系数为变量来表征声场方向密度函数，考虑噪声源深度影响，改进射线模型，建立了基于海底反射系数的浅海环境噪声模型，并通过仿真分析和实测数据验证了模型和方法的有效性。方法适应性的仿真分析说明较高海况下且近场无航船干扰的海洋环境噪声数据有利于方法的实现；对于两层海底，海洋环境噪声垂直相干函数经高通滤波后，由海洋环境噪声垂直相关函数对时间的导数可准确提取垂直方向沉积层反射系数；将直接提取方法用于实测海洋环境噪声数据处理，结果表明该方法可准确获取大于临界角部分的海底反射系数，较高风速下海底反射系数提取结果起伏较小，分布更集中；对不同深度垂直阵列信号进行联合处理可有效提高海底反射系数的提取精度。. 利用海洋环境噪声直接提取海底反射系数方法是格林函数恢复理论在水声领域的延伸应用。该方法很好地契合了无人潜航器（UUV）的优势特点，只需两个垂直排列的水听器便可实现，受空间限制较小；不需要发射信号，隐蔽性好；计算量小（不需搜索迭代），适于在UUV平台上实现自主处理，可为UUV功能充分发挥提供技术支撑。