浅海环境噪声场空间特性及海底声学参数提取

浅海海底声速、密度、衰减系数等声学参数，在声场预报、水下目标探测等军事与工程应用中十分重要。由海底采样获取海底声学参数应用上受条件限制，且未必准确，实用中常通过声场或混响场匹配反演获取海底声学参数，这两种方法需要专用发射声源和接收设备，相对复杂，难度大，又容易暴露目标。利用海洋环境噪声反演海底声学参数，是近年来研究的一个新课题。浅海噪声场反演海底声学参数不需要发射声源，隐蔽性好，易于在现场大范围环境中实施。本项目研究近海面浅表层分布噪声源模型下，浅海噪声场空间特性及其应用于反演海底声学参数的方法和技术，研究提高反演精度的算法，对其它环境参数和噪声场测试不准确所带来的反演失配误差进行分析，多途径客观评价反演结果，为快速、隐蔽获取海底声学参数提供一种新方法，同时研究基于海底反射损失简化模型下的噪声场空间特性及该海底模型相应参数的提取方法，为浅海环境噪声场建模及反演相应海底参数提供一种新思路。

浅海海底声速、密度、衰减系数等声学参数，对声场建模和验证、以及声纳系统性能发挥十分重要。由于直接采样获取地声参数比较困难，常通过声传播或混响等声学反演方法获取地声参数，而这两种方法需要专用的发射声源，应用相对复杂，容易暴露目标。本项目讨论海底声学参数的海洋环境噪声反演方法，通过实测的环境噪声场空间特性来估计海底声学参数，不需要发射信号、隐蔽性好、易于军事作战中大范围获取海底声学参数。.本项目分析噪声源深度对环境噪声空间特征的影响，进而计算基于深度分布噪声源模型的浅海环境噪声空间特性；建立了基于海底反射损失的浅海环境噪声模型，并利用实测噪声数据反演该海底模型相应参数；讨论了利用海洋环境噪声垂直相关性获取海底分层信息的方法；根据海底密度、衰减对于海洋环境噪声垂直阵响应以及海底损失不同角度敏感度差异明显的特点提出一种分步反演策略。主要结论如下：.（1）噪声源深度既影响海洋环境噪声强度，又对环境噪声垂直指向性近场形状起作用。假设噪声源在一定深度范围内分布，可有效减小环境噪声垂直阵响应近场海面方向预报值与试验值之间的误差。.（2）不同海底参数对海洋环境噪声场垂向特征敏感度不同，噪声垂直指向性受海底声速的影响最大；其凹槽外侧能量主要来自大掠射角入射声波，对海底密度较为敏感；凹槽内侧能量主要来自远处噪声源贡献，对应经界面多次反射的小角度入射声波，所以对海底吸收系数比较敏感。.（3）扩散场中两点间物理量的互相关函数与格林函数具有一定的相似性，项目组利用垂直排列两点环境噪声互谱密度提取时域格林函数，获取海底分层信息。仿真表明将该方法用于矢量水听器垂向振速处理具有一定优势，单矢量水听器有望获取海底分层信息。此外，实验数据分析结果可清晰判断出海深以及海底分层结构。.（4）根据不同海底声学参数对于海洋环境噪声垂直指向性不同角度部分敏感度差异明显的特点，用垂直指向性的小掠射角部分反演声速、衰减；利用等效海底反射损失大掠射角部分估计密度。仿真和实验数据分析结果验证了该方法的有效性。表明：分步反演加强了匹配物理量对海底参数敏感部分的关注，提高了海洋环境噪声反演海底声学参数的精度和效率，具有一定可行性。.（5）建立了基于海底反射损失的浅海环境噪声模型，只需三个参数表征海底反射特性，不必考虑详细的地声参数及分层信息，可避免海底模型选取的不确定性。将提取的P、Q、V0用于声场预报，与实验数据符合良好。