海洋环境噪声自相关海底被动探测

At present, the methods of acoustic bathymeter and seabed parameter measurement adopt active mode. In military aspect, the active mode is easy to be exposed. In scientific investigation aspect, the active mode needs the form of shipboard work, and the cost of seafloor survey is very high. This project aims to develop a passive acoustic bathymeter and seafloor inversion technology using marine environmental noise on mobile platforms, which can be used in a very concealed way to obtain seafloor data in large area in real time at low cost. According to the actual situation of the mobile platform can only carry a single hydrophone or short array, this project did not use the idea of environmental noise in academic circles popular cross correlation function of the extraction of Green Function at present, but the combination of the project applicant recently proposed "background subtraction autocorrelation" technique, the autocorrelation method for detecting submarine by environmental noise. The noise autocorrelation method does not require long line array data, and does not need a large number of data transmission and synchronization between multiple platforms. It is suitable for mobile platform operation. Finally, based on the Goupillaud seabed inversion model, the underwater acoustic impedance profiles are retrieved according to the impulse signal waveform extracted from the autocorrelation of environmental noise. In addition, this project solves the problems of spatial non diffusion and long accumulation time of noise, and verifies the effect of noise auto correlation seafloor detection by sea experiments.

目前成熟的声学测深及海底参数测量方法均采用主动工作模式，军用方面，主动工作模式极易暴露；科学调查方面，主动式需要船载工作形式，海底调查需要占用大量船时，成本高。本项目欲开发一种利用海洋环境噪声在移动平台上工作的被动式测深及海底反演技术，可用非常隐蔽的方式低成本准实时获取大面积海域的海底资料。针对移动平台仅能携带单水听器或短阵的实际情况，本项目未采用目前学术界流行的环境噪声互相关提取格林函数的思路，而是结合项目申请人最近提出的“减背景自相关”技术，采用环境噪声自相关方法探测海底。噪声自相关方法无需长线阵数据，也不需要多个平台之间大量的数据传输和同步，适用于移动平台作业。最后，结合Goupilaud海底反演模型，根据环境噪声自相关提取出的自发自收脉冲信号波形反演海底声阻抗剖面。另外，本项目解决海洋噪声空间非扩散、噪声累积时间过长等问题，并通过组织海上实验验证噪声自相关海底探测方法的效果。

目前成熟的声学测深及海底参数测量方法均采用主动工作模式，军用方面，主动工作模式极易暴露；科学调查方面，主动式需要船载工作形式，海底调查需要占用大量船时，成本高。本项目欲开发一种利用海洋环境噪声在移动平台上工作的被动式测深及海底反演技术，可用非常隐蔽的方式低成本准实时获取大面积海域的海底资料。针对移动平台仅能携带单水听器或短阵的实际情况，实现海底被动探测。. 项目完成期间先后组织5次海上实验，获取了大量海上实验数据，各项技术指标实现情况如下：1.垂向合成孔径信号增强：将记录的噪声自相关信号进行垂向合成孔径处理，获得海底反射脉冲信号，经合成孔径信号增强处理后海底反射信号信噪比高于3dB。 2. 海底分层结构反演：将利用海洋环境噪声反演得到的海底分层结构与历史浅地层剖面仪数据进行对比，典型分层结构反演误差小于5m或水深5%。3.海底表层声速反演：根据反演得到的海底分层结构及反射系数进一步得到海底表层声速，声速反演误差与常规方法测量结果对比，误差小于10%。. 除了完成课题任务书要求的各项技术指标及研究内容外，本课题在研究过程中发现，在同一站位利用噪声反演海底参数时存在反演结果随时间起伏较大的问题，传统的利用线性扫频信号反演结果也存在该问题。课题组为了解释该现象，采用水下摄影设备对海底摄像，并结合历史浅剖数据，给出了合理的物理解释。最后，课题组提出二次时间累加处理方法，得到较为稳定的海底反演结果。