一种基于浅海双节点模态到达时间差的序贯贝叶斯地声参数反演方法

：
1.本发明属于水声工程、海洋工程和声纳技术等领域，涉及一种基于浅海双节点模态到达时间差的序贯贝叶斯地声参数反演方法，利用双节点模态频散特征数据对随距离变化的地声参数进行跟踪，适用于距离弱相关的浅海波导环境。
技术背景：
2.波导环境参数主要包括水体和底质声学特性参数，例如：海深、声速、密度和衰减系数等，这些参数对于声场预报和声纳系统设计以及效能评估等工作有着十分重要的意义，其中，水体声学特性参数可以通过直接测量的手段快速准确地获得，但是对于底质声学特性参数，也称地声参数，直接测量通常会耗费较大的人力和物力，而且仅能获得站位附近的高频(》10khz)、浅表层(《3m)结果，因此，采用水声遥感手段进行基于理论模型的参数反演就显得尤为重要。地声参数反演具有成本低、速度快和范围广等众多优势，较成熟的反演技术有基于优化算法的匹配反演、线性扰动反演、贝叶斯反演和深度学习等，这些方法从不同的角度对反问题进行建模和求解。
3.现有的反演技术除了利用直接观测的复声压场和矢量场数据外，还利用包括模态频散、海底反射损失、噪声相关性和混响等一种或多种间接观测数据，不同类型的数据包含不同的海底环境信息，综合利用多种数据，可以实现地声参数的可靠估计，然而，真实的浅海环境是复杂多样的，地声参数在垂直和水平方向上都具有一定的非均匀性，现有的反演技术通常假设声源和接收之间的中大尺度波导环境(大于5km)是水平均匀的，其反演结果通常代表整个实验区域内的平均特性，因此，当波导环境的水平非均匀性无法忽略时，传统技术将不再适用，我们需要寻找一种仅对局部波导环境敏感的水声观测量，首先完成局部距离无关环境参数的快速反演，然后完成大尺度距离相关环境参数的顺序反演。
4.局部水声观测量的获取方法通常分为两类，一类是直接测量的方式，即利用紧凑型观测系统，例如收发合置拖曳系统，对近场声学数据进行直接测量，获得小范围内的局部声学观测量；另一类是间接测量的方式，通常采用锚系的大孔径同步或异步多传感器系统，例如垂直阵和水平阵，结合移动/固定声源进行远场大范围声学观测，在获得远场数据之后，利用水声学相关理论对小范围内的局部声学观测量进行提取。目前，在传统的声学调查实验中大孔径锚系的发射或接收系统比紧凑型拖曳系统的应用更加广泛，因此通过间接方式获取局部水声观测数据的研究更具实际应用价值。
5.在浅海环境中，声信号的传播通常可以描述为不同阶简正波模态的传播，不同模态在不同频率上的传播速度不同，因此，一定距离上的接收信号会在时频域上表现出模内频散和模间频散现象，提取频散特征，将频散曲线的形状作为观测量进行地声参数反演，然而，大多数基于模态频散特征的反演方法采用单个传感器节点，并且假设发射和接收之间的波导环境是水平均匀的，因此，无法直接用于距离相关的波导环境。本发明基于绝热简正波理论，采用间接获取局部水声观测量的手段，利用移动/分布式的双节点传感器获取仅与
局部地声参数有关的多快拍模态到达时间差数据，实现了水平非均匀环境下距离弱相关地声参数的顺序反演。


技术实现要素：

6.要解决的技术问题
7.为了解决现有的浅海地声参数反演方法在水平非均匀环境下以及大孔径远场测量中应用困难的现实问题，本发明提出一种基于浅海双节点模态到达时间差的序贯贝叶斯地声参数反演方法。
8.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
9.一种基于浅海双节点模态到达时间差的序贯贝叶斯地声参数反演方法，其包括以下步骤：
10.步骤1：利用双节点传感器，同步测量双节点连线上一侧(外侧)固定发射的宽带脉冲声源信号，当第k个信号发射时，声源与1号节点之间的水平距离为r1(k)，与2号节点之间的水平距离为r2(k)，记为第k个快拍，即第k个地声参数反演站位。根据实际的不同反演站位要求，改变双节点传感器的位置，保证声源始终在双节点连线上的一侧，重复进行测量。
11.步骤2：利用消频散变换对第k个快拍的双节点模态到达时间进行提取，假设第m阶模态的提取结果分别为t
(m)
[f,r1(k)]和t
(m)
[f,r2(k)]，则第m阶双节点模态到达时间差的观测值为：
[0012]
δt
(m)
(f,k)＝t
(m)
[f,r1(k)]-t
(m)
[f,r2(k)],
[0013]
其中f表示信号频率，根据绝热简正波理论，时间差δt
(m)
(f,k)包含了两个节点之间的局部环境信息。在实际应用中，以双节点的中点距离[r1(k)+r2(k)]/2作为第k个快拍的距离。
[0014]
步骤3：假设两个节点之间的海底模型是距离无关的沉积层-基底层双层模型，在沉积层中，压缩波声速随深度线性变化，未知的地声参数包括厚度h1、上部声速c
1u
、下部声速c
1l
和密度ρ1，在基底层中，未知的地声参数包括压缩波声速c2和密度ρ2。不同快拍下的地声参数不同，使用向量形式可以表示为xk＝[h1(k),c
1u
(k),c
1l
(k),ρ1(k),c2(k),ρ2(k)]
·
,k＝1,
…
,k，k代表快拍数，即地声参数反演的站位数，利用kraken声场模型计算第m阶模态的群速度值结合距离参数r1(k)和r2(k)，计算出第m阶双节点模态到达时间差的理论值为：
[0015][0016]
步骤4：结合步骤2给出的双节点模态到达时间差观测值δt
(m)
(f,k)和步骤3给出的双节点模态到达时间差理论值δt
(m)
(f,xk)，构造测量方程和状态方程，则地声参数xk的序贯后验概率密度分布函数的表达式为：
[0017][0018]
其中，yk代表δt
(m)
(f,k)，满足一般序贯贝叶斯理论中的观测独立假设，y
k-1
和yk分别表示前k-1个和前k个快拍的模态到达时间差观测向量集合，即y
k-1
＝{y1,y2,
…
,y
k-1
}和yk＝{y1,y2,...,yk}，求解序贯后验概率密度分布函数，得到不同快拍上的后验估计均值x
′k，
即距离相关的地声参数反演值。在双节点模态频散特征可分辨的前提下，节点之间的距离越小，地声参数反演的距离分辨率就越高。
[0019]
所述步骤1中的双节点传感器单元可以是拖曳阵或分布式同步海底观测网的一部分。
[0020]
所述步骤2中的第m阶双节点模态到达时间差观测值δt
(m)
(f,k)可以是简正波的水波或底波部分。
[0021]
所述步骤4中的序贯后验概率密度分布函数p(xk∣yk)采用粒子滤波算法求解。
[0022]
本发明的有益效果是：本发明涉及一种基于浅海双节点模态到达时间差的序贯贝叶斯地声参数反演方法。利用双节点传感器同步测量双节点连线上一侧(外侧)固定声源发射的宽带脉冲信号，提取两个接收信号之间的模态到达时间差数据。移动双节点传感器，始终保证声源在双节点连线上的一侧，重复进行测量，结合测量数据和kraken声场计算模型建立序贯贝叶斯反演中所需的状态方程和测量方程，推断地声参数的序贯后验概率密度分布函数，获得距离相关地声参数的后验估计均值。
[0023]
有益效果体现在：该方法在步骤一中利用移动/分布式的双节点传感器单元同步测量固定声源在不同时刻/同一时刻发射的宽带脉冲信号，得到多个反演站位上的测量数据；在步骤二中对测量数据进行处理，得到多组双节点模态到达时间差的观测值；在步骤三中建立局部距离无关的海底模型和双节点模态到达时间差的理论计算模型；在步骤四中利用多组双节点模态到达时间差的观测值和理论值构造测量方程和状态方程，建立地声参数的序贯后验概率密度分布函数，采用粒子滤波算法进行推断，得到的序贯后验均值即为距离相关地声参数反演结果。该方法在步骤一至步骤四中利用多组双节点模态到达时间差观测数据和粒子滤波算法跟踪了距离相关的地声参数，填补了在浅海水平非均匀环境下利用远场大尺度声学观测数据分段反演随距离变化地声参数的技术空白。此方法有如下优势：
[0024]
1)将距离相关的大尺度环境划分为若干个距离无关的中小尺度环境，实现复杂非均匀环境下地声参数的顺序分段反演。
[0025]
2)前向模型是距离无关的，提高了地声参数反演的速度。
[0026]
3)联合简正波水波和底波频散特征的地声参数反演可以实现浅层和深层地声参数的可靠估计。
[0027]
4)双节点传感器单元结构简单、布放灵活，通过移动或者分布式布放，可以实现从点到线再到面的多维地声参数反演。
[0028]
5)在双节点模态频散特征可分辨的前提下，节点之间的距离越小，地声参数反演的距离分辨率就越高。精细化的地声参数反演结果可用于修正现有的宏观底质声学数据库，从而更好地服务于声纳系统。
附图说明：
[0029]
图1是本发明方法在仿真研究中使用的声速剖面。
[0030]
图2是本发明方法的一种试验场景示意图和海底模型，其中未知的地声参数包括：沉积层厚度h1、沉积层上部压缩波声速c
1u
、沉积层下部压缩波声速c
1l
、沉积层密度ρ1、基底层压缩波声速c2和密度ρ2，未知的水体参数为水深dw。
[0031]
图3是本发明方法的模态到达时间提取过程示意图：(a)原始信号；(b)消频散变换
信号；(c)第5阶模态滤波信号；(d)第5阶模态提取信号。
[0032]
图4是本发明方法的不同距离上双节点模态到达时间差的观测结果和后验预测结果，其中距离参数以第1个快拍的距离为零点进行修正，修正后为(a)1km；(b)4km；(c)7km；(d)10km。
[0033]
图5是本发明方法采用的粒子滤波算法原理图，主要步骤包括：预测、更新和重采样。
[0034]
图6是本发明方法的地声参数顺序反演结果，其中“+”为真值，实线为后验估计均值。
[0035]
图7是本发明方法的双节点传感器单元分布式布放示意图。
具体实施方式：
[0036]
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
[0037]
(1)数据的仿真计算：
[0038]
图1给出了某次浅海声学调查实验中实测的声速剖面，海水介质混合均匀，海面附近的声速约为1516.5m/s，海底附近的声速约为1517.8m/s，后续仿真实验将以此声速剖面为基础。
[0039]
图2给出一个浅海大陆坡的仿真实验环境，随着距离的增加，海深缓慢增大，而沉积层厚度缓慢减小。在仿真实验中，声源位置固定，布放深度zs＝10m，期间重复发射宽带脉冲信号，双节点水听器单元沿水平方向布放，与脉冲声源的距离分别为r1和r2，且固定r
2-r1＝200m，为了保证实验中获得稳定、清晰的宽带频散结构，通常要求r1》5km，因此选取第一个快拍的双节点距离为10km和10.2km，当完成一次测量任务后，沿水平远离声源的方向移动双节点水听器单元，每次移动的距离为200m，重复多次，直至最后一个快拍的双节点距离为20km和20.2km。根据双节点水听器单元的移动轨迹，将距离相关的仿真实验环境均匀划分成51个距离无关的片段(图2中的阴影区域给出了其中一个片段)。在每个片段内，假设海底为沉积层-基底层双层流体介质，其中沉积层的压缩波声速随着沉积厚度的增加线性增大，而密度与厚度无关，基底半空间层的压缩波声速和密度均为常数，水体声速剖面不随距离变化，均取自图1所示的声速剖面。总之，每个片段内待反演的(未知的)参数包括6个地声参数和海深dw，其名称、单位和反演的先验区间总结如表1所示：
[0040]
表1待反演参数及先验区间
[0041]
[0042][0043]
假设声源信号为dirichlet函数，其频率范围为50hz～500hz，信号采样率fs＝2khz，基于上述浅海仿真环境和距离相关的参数真值(如图6所示)，利用抛物方程(ram)声场模型计算得到不同距离上双节点水听器接收到的宽带脉冲信号。
[0044]
(2)随距离变化地声参数的反演：
[0045]
a)数据预处理：提取双节点水听器接收信号的模态到达时间，提取方法如图3所示，主要包含四个步骤：从(a)到(b)，利用消频散变换对时域到达信号进行重采样，变换中使用的参考声速为水体平均声速；从(b)到(c)，对变换后的信号进行时频域滤波，分离出消频散后的第5阶模态信号；从(c)到(d)，利用逆消频散变换对分离后的第5阶模态信号进行处理，得到原始时间域上的模态信号；从(d)到(a)，对分离后的模态信号进行能量脊检测，得到第5阶模态频散曲线。其他阶模态的提取过程相同。值得注意的是，在进行模态频散曲线提取时，需要准确记录参考时间点，保证提取的双节点模态到达时间是同步的。在得到不同快拍上的双节点模态到达时间后，计算每个快拍的双节点模态到达时间差，本研究选择第3、4、5和6阶模态进行地声参数反演研究，如图4所示，分别给出了第6、21、36和51个快拍的计算结果，以第一个快拍的距离为零参考点，图中所示4组数据的距离可以表示为：1km、4km、7km和10km，可以看出，不同快拍的模态到达时间差数据存在显著差异，这其中就包含了未知的距离相关地声参数的信息。
[0046]
b)参数反演：将随距离变化的地声参数反演问题转化为顺序贝叶斯参数跟踪问题，基于齐次马尔科夫假设和观测独立性假设建立序贯贝叶斯模型的状态方程(参数演变模型)和测量方程(模态到达时间差计算模型)，其表达式分别为：
[0047]
xk＝x
k-1
+vk[0048]
yk＝δt
(m)
(f,xk)+wk[0049]
其中，xk为第k个快拍的地声参数(参数类型如表1所示)，yk为第k个快拍的双节点模态到达时间差观测向量δt
(m)
(f,k)，δt
(m)
(f,xk)表示双节点模态到达时间差的理论计算模型，其核心为kraken声场模型，vk和wk分别为状态转移噪声和观测噪声，通常假设为零均值高斯分布噪声。
[0050]
将反问题的解建模为序贯后验概率密度分布函数的形式，其表达式为：
[0051][0052]
其中，yk表示前k个快拍的模态时间差观测向量集合，即yk＝{y1,y2,...,yk}。对于非线性测量方程，采用粒子滤波算法对p(xk∣yk)进行近似推断，单次的滤波过程如图5所示，包括：预测、更新和重采样三个步骤，其中重采样操作可以有效解决滤波时的样本匮乏问
题，但是过度的重采样操作会使得粒子的多样性大大降低，产生不准确的估计结果，因此，在更新步骤完成之后，通过判断有效粒子的数量，决定是否进行重采样。
[0053]
c)结果讨论：图6给出了距离相关地声参数的顺序反演结果，其中“+”符号表示参数真值，实线表示后验估计均值，阴影区域描述各参数的估计不确定性，颜色越浅代表概率密度函数的取值越大。从结果可以看出：本发明方法有效估计出待反演参数的距离变化特征，特别地，海深dw的估计结果与真值结果几乎一致，且估计不确定性最小；其次，沉积层厚度h1、沉积层上压缩波声速c
1u
、沉积层下压缩波声速c
1l
和沉积层密度ρ1的估计误差相对较小，估计结果与真值结果基本一致，且均在95％可信区间内；但是，基底层声速c2和基底层密度ρ2的估计误差最大，证明本实施例所用的模态数据对基底层参数不敏感，下一步可以考虑联合低频或低阶的底波频散特征数据进行地声参数反演。
[0054]
本发明在典型仿真实施例中取得了明显的实施效果，与现有技术相比其优越性在于：
[0055]
(1)双节点模态到达时间差数据仅与两个节点之间的局部地声参数相关，符合一般序贯贝叶斯反演理论中的观测独立假设。通过对局部海底模型的距离无关近似，有效避免了反演过程中复杂的耦合简正波模型计算。
[0056]
(2)序贯贝叶斯反演策略有效地跟踪了地声参数随距离变化的特征，反演方法稳健性好、效率高。
[0057]
(3)双节点传感器单元布放灵活，如图7所示，通过分布式布放，可以实现从点到线再到面的多维地声参数反演。

技术特征：
1.一种基于浅海双节点模态到达时间差的序贯贝叶斯地声参数反演方法，其特征在于步骤如下：步骤1：利用双节点传感器，同步测量双节点连线上一侧固定发射的宽带脉冲声源信号，当第k个信号发射时，声源与1号节点之间的水平距离为r1(k)，与2号节点之间的水平距离为r2(k)，记为第k个快拍，即第k个地声参数反演站位；根据实际的不同反演站位要求，改变双节点传感器的位置，保证声源始终在双节点连线上的一侧，重复进行测量；步骤2：利用消频散变换对第k个快拍的双节点模态到达时间进行提取，假设第m阶模态的提取结果分别为t
(m)
[f,r1(k)]和t
(m)
[f,r2(k)]，则第m阶双节点模态到达时间差的观测值为：δt
(m)
(f,k)＝t
(m)
[f,r1(k)]-t
(m)
[f,r2(k)],其中f表示信号频率，根据绝热简正波理论，时间差δt
(m)
(f,k)包含了两个节点之间的局部环境信息；在实际应用中，以双节点的中点距离[r1(k)+r2(k)]/2作为第k个快拍的距离；步骤3：假设两个节点之间的海底模型是距离无关的沉积层-基底层双层模型，在沉积层中，压缩波声速随深度线性变化，未知的地声参数包括厚度h1、上部声速c
1u
、下部声速c
1l
和密度ρ1，在基底层中，未知的地声参数包括压缩波声速c2和密度ρ2；不同快拍下的地声参数不同，使用向量形式表示为x
k
＝[h1(k),c
1u
(k),c
1l
(k),ρ1(k),c2(k),ρ2(k)]
·
,k＝1,
…
,k，k代表快拍数，即地声参数反演的站位数，利用kraken声场模型计算第m阶模态的群速度值结合距离参数r1(k)和r2(k)，计算出第m阶双节点模态到达时间差的理论值为：步骤4：结合步骤2给出的双节点模态到达时间差观测值δt
(m)
(f,k)和步骤3给出的双节点模态到达时间差理论值δt
(m)
(f,x
k
)，构造测量方程和状态方程，则地声参数x
k
的序贯后验概率密度分布函数的表达式为：其中，y
k
代表δt
(m)
(f,k)，满足一般序贯贝叶斯理论中的观测独立假设，y
k-1
和y
k
分别表示前k-1个和前k个快拍的模态到达时间差观测向量集合，即y
k-1
＝{y1,y2,
…
,y
k-1
}和y
k
＝{y1,y2,
…
,y
k
}，求解序贯后验概率密度分布函数，得到不同快拍上的后验估计均值x
′
k
，即距离相关的地声参数反演值；在双节点模态频散特征可分辨的前提下，节点之间的距离越小，地声参数反演的距离分辨率就越高。2.根据权利要求1所述的一种基于浅海双节点模态到达时间差的序贯贝叶斯地声参数反演方法，其特征在于：所述步骤1中的双节点传感器单元是拖曳阵或分布式同步海底观测网的一部分。3.根据权利要求1所述的一种基于浅海双节点模态到达时间差的序贯贝叶斯地声参数反演方法，其特征在于：所述步骤2中的第m阶双节点模态到达时间差观测值δt
(m)
(f,k)是简正波的水波或底波部分。4.根据权利要求1所述的一种基于浅海双节点模态到达时间差的序贯贝叶斯地声参数
反演方法，其特征在于：所述步骤4中的序贯后验概率密度分布函数p(x
k
∣y
k
)采用粒子滤波算法求解。

技术总结
本发明涉及一种基于浅海双节点模态到达时间差的序贯贝叶斯地声参数反演方法。利用双节点传感器同步测量双节点连线上一侧(外侧)固定声源发射的宽带脉冲信号，提取两个接收信号之间的模态到达时间差数据。移动双节点传感器，始终保证声源在双节点连线上的一侧，重复进行测量，结合测量数据和Kraken声场计算模型建立序贯贝叶斯反演中所需的状态方程和测量方程，推断地声参数的序贯后验概率密度分布函数，获得距离相关地声参数的后验估计均值。与现有技术相比其优越性在于：利用双节点传感器可以获得包含局部距离无关环境特征的简正波模态观测数据，避免了地声参数反演时复杂的耦合简正波模型计算，实现了浅海慢变化环境下地声参数的快速反演，该方法稳健性好、效率高，并且双节点单元布放灵活，通过移动或者分布式布放观测可以实现从点到线再到面的多维地声参数反演。数反演。数反演。


技术研发人员：杨秋龙 郝望 杨坤德 段睿
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/8/14