海水中的声速剖面反演研究

论文摘要

利用水声学方法反演感兴趣的海洋环境参数是水声学研究中一个十分重要的研究内容。海水中的声速是对海洋中的声传播有重要影响的海洋环境参数。在不同的声速剖面下，海洋中的声传播也会有很大的不同。在实际的海洋环境中，海水中的声速往往存在较大的时空变化。对海水中的声速剖面反演进行研究，及时获取海洋环境信息，对于改善和提高水声设备的工作性能以及海洋的研究和开发都有比较重要的意义。本文对海水中的声速剖面反演进行研究，探索快速反演海水中声速剖面的有效方法。本文首先对海洋中声场的数值计算方法进行研究。选择适当的传播模型对声场进行建模是反演过程中比较重要的一个环节。射线理论是物理上最直观的声场计算方法。射线理论模型不仅适用于二维声场，也可以应用于较复杂的三维声场的计算，而且不需要作形式上的变换。基于射线声学理论研究开发了声线计算软件，可以应用于较复杂环境条件下三维声场的计算。对拷贝场的快速计算方法进行了研究。在反演过程中需要反复地进行拷贝场的计算，拷贝场计算的速度和精度对整个反演算法的性能有重要影响。拷贝场计算的关键是求取到达接收点的本征声线。本文对传统本征声线的求取方法进行分析，提出了一些改进的方法。通过采用这些方法有效降低了算法的计算量。在一定的参数空间范围内寻找问题的最优值是一个优化问题，需要采用最优化方法进行计算。本文将遗传算法应用于声速剖面反演计算，构造了反演的代价函数，在研究过程中利用声信号到达接收水听器的传播时间反演海水中的声速剖面。论文最后利用海上实验的实验数据进行声速剖面反演的实验研究，并给出了反演的结果。反演过程中利用经验正交函数描述海水中的声速剖面，并根据已有的声速剖面的观测资料计算得到了相应的各阶经验正交函数。利用实验纪录的数据反演得到了实验海区的声速剖面，将声速剖面的反演结果与实验时实验海区声速剖面的测量结果进行了比较。对声速剖面反演失配进行了分析，研究表明声信号传播时间的误差会对反演算法的稳定性产生一定的影响。反演得到声速剖面与实验时测量得到的声速剖面基本是一致的。反演结果较好的预报了实验时实验海区实际的声速剖面。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 海洋声层析的研究和应用
• 1.3 匹配场处理的研究和应用
• 1.4 本论文的研究意义和内容
• 第2章 海洋环境中声场的数值计算
• 2.1 声传播的理论模型
• 2.1.1 简正波理论
• 2.1.2 抛物方程方法
• 2.1.3 射线理论
• 2.2 海洋声速剖面的经验正交函数描述
• 2.3 海洋声场的数值计算
• 2.3.1 简正波模型
• 2.3.2 抛物方程模型
• 2.3.3 射线理论模型
• 2.4 声线计算软件设计
• 2.4.1 面向对象的程序设计
• 2.4.2 软件的结构和功能
• 2.4.3 声线计算
• 2.5 拷贝场的快速计算方法
• 2.6 本章小结
• 第3章 参数寻优方法
• 3.1 遗传算法简介
• 3.1.1 遗传算法的基本描述
• 3.1.2 遗传算法的主要特点
• 3.1.3 遗传算法的基础理论研究
• 3.2 遗传算法用于声速剖面反演计算
• 3.3 本章小结
• 第4章 实验数据处理
• 4.1 实验简介
• 4.2 实验海域的声速剖面反演
• 4.2.1 经验正交函数描述
• 4.2.2 声源位置估计
• 4.2.3 声速剖面反演结果
• 4.2.4 位置和时间联合反演
• 4.3 声速剖面反演失配分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢