海底声衰减系数反演结果畸变机理和无畸变提取研究

Sea bottom plays important role in underwater acoustics. It has been recognized that the key issues of inverting GA(geoacoustics) parameters via MFP approach is the mismatching between the assumed model and the real bottom layer structure, as well as the coupling among the parameters. In case of model-mismatching, the inverted GA parameters could only be considered as effective parameters. Moreover, the value and the frequency dependency of attenuation coefficient will be distorted，which will lead to mistakes in broadband underwater sound field prediction. To solve this problem, firstly we are going to analysis the nature of distortion effect caused by model mismatching during GA parameter inversion. And then instead of using assumed GA model, we switch to do tomographic inversion to get the profile of combined GA parameter by using the model-free reflective parameters of bottom，thus the intrinsic bottom attenuation as well as its frequency dependency can be inverted without distortion. The research will provide an answer to the uncertainty in the frequency dependency of bottom attenuation.

海底声学特性对水下声场传播具有重要影响。由于地声参数反演过程中假定的地声模型与海底真实分层结构的失配和参数耦合效应，使得反演结果只在等效意义上成立，尤其是反演得到的海底声衰减系数及其随频率变化特性存在畸变，不能反映真实物理规律，直接影响水下声场预报模型的海底参数输入和宽带声场预报结果的可靠性。为解决这一问题，项目将首先对地声反演过程中由模型失配产生的海底声衰减系数畸变进行机理分析；在此基础上，通过采用不存在模型失配风险的海底反射特性参数模型来描述海底，结合宽频带声场数据获得海底分层剖面信息并对上述畸变进行补偿，最终实现海底介质真实的无畸变声衰减系数及其频率特性的提取，初步解决水声学界长期以来针对海底衰减系数频率变化特性的争论。

海底声学特性是影响水下声场的重要因素。水声学中通常采用地声模型来描述海底，并将地声参数作为水下声场预报的海底输入参数。最常采用的地声模型是最简单的半无限空间海底模型，而实际的海底，由于地质沉积作用，一般具有较复杂的分层结构，即海底地声参数随深度变化明显，尤其是在海底对声场有重要影响的浅海海区。基于假定地声模型获得的地声参数只是在相应频率上的等效结果，当假定的海底模型与实际情况不一致时，反演得到的海底声参数的频率变化关系将发生畸变，特别是在受海底分层结构影响严重的1kHz以下的低频段。因此，海底声衰减参数随频率真实变化关系的准确提取，需要获得海底实际分层结构信息或采用不依赖于地声模型的海底声学特性刻画方法。基于上述原因，海底声衰减系数随频率的变化关系向来存在争论，这直接导致宽频带声场预报结果的可信度。因此，如何提取海底声衰减的真实频率变化关系是水声学科中亟待解决的基本科学问题。项目在分析在地声模型反演框架下得到的衰减频率变化特性结果存在的问题的基础上，通过采用不受海底分层结构失配影响的海底声反射特性参数化模型，研究海底介质声衰减真实频率变化特性的提取方法。完成了海底声衰减系数频率变化特性及其对宽带声场预报的影响、地声模型的参数耦合效应和模型失配对海底声衰减频率变化特性的影响和海底声衰减系数的真实频率变化特性提取技术等研究内容。提出了了海底声衰减系数真实频率变化特性提取方法，解决了长期以来对海底声衰减频率变化特性的争论问题。通过黄海实验结果分析表明，至少对于黄海相关海区，无畸变的海底衰减系数随频率呈线性关系。