第03卷第2期2005年3月声学学报ACTAA CUTS工C A猫1.03,No.2Mar.,2005浅海声速剖面的匹配波束反演方法*张忠兵,2马远良2杨坤德2都社锋2又1曲北核技术研究所西安7 10 0 2 4)(2西北工业大学声学工程研究所西安71 007 2)20 0 3年6月1 1日收到2 0 0 3年10月17日定稿摘要为了快速反演获得浅海声速剖面,利用匹配波束构造了反演代价函数,在此基础上研究了浅海声速剖面的匹配波束反演方法(MB I)。并运用东中国海的实验数据进行实际反演,验证了MB I的可行性和鲁棒性。利用垂直线列 阵接收的2 9个不同位置的爆炸声信号进行了声速剖面反演,MB I反演的结果与实验中直接测量的声速剖面一致,且反演声速剖面的均方根误差小于Zm/s。研究结果表明,MBI比常规匹配场反演(MF I )获得浅海声速剖面更快速、更准确,并巨对底质参数的失配具有较高的鲁棒性。1ACS数:43.3 0In versiono frsoundsPeedProf l leinshallowwaterl ls lngz H ANGz hongb ingl,2ma tehed一beamProees singMAY uanliangZ(IN。 :艺hoe,te二几st坛艺二亡。o f刀uclear(2n IotZtoteo fAe oosto eE叩:。e e。仰,刀口二th、e ,t。:、Re e eivedJun.11Revis ed Oet. 2 0YA N GKundeZYANS hee fngZT eehool叩夕Xi,an710 0 2 4)pol夕te chn: eal阮落ve。,t军Xia n7100 7 2),2 00 3200 3AbstraetO Tquieklyobtainthes oundspeedprof i le(S S P)inshallowwaterb yinve r sionmethods,aninversiooS ehemeo frS SPinshallowwa te rusingMatehed一BeamInv er sion(MBI)15developed.Theeostu fnetionofMBI15bas edonmatehed一beameoneept.It15veri f iedexperimen tallythatMBI15e fasibleandsupe riorine omparis ontoe on vention almatehed一f ieldinver sion(MFI)byusingtheEa stC hinaSeaExpe rimentda ta. TheS S Pinve rtedbyMBIusingthew ide-bandexplosionsignals15ingoodagr e emen twiththeresultsbas edonConduetivit从T emperat:; r eand Dep th,(CTD)mea sur edintheexPe riment.Andtherootofmea nsquar eerr oroftheS S P15les sthanZm/5.Re s ear ehre sultsha veshw onthatMB I15robustwithrespeettothesedimentparameter smismateh. And SSPinshal lowwaterea nbemor e明ik clyobtainedb yMBIthanbyMFI.引言海洋水声反演是通过声源(爆炸声源或人工 声源)和接收基阵构成实验系统,从基阵接收的实验数据中 逆推海洋声传播介质特性和水声环境参数卜7。获取海洋环境参数的目的是为了研究海洋信道声传播特性”一 la ,进而解决水下 目标检测、跟踪和定位等实际应用问题l 4 一 16)。在影响海洋声传播的诸多因素中,声速剖面(S SP)是 重要的 因素之 一。声速剖面虽然可 以通过C TD(电导率、温度、深度)进行现场测量得到,但是,当需要快速 获得较大范围海域 内的ssP时,采用CTD测量方法难 以完全满足实际应用的需要,因此,采用反演方法获得SS P是十分必要*国家自然科学基金资助项目(1 03 040 15)的。匹配场反演!7一s (MF I)是反演浅海S SP的常用方法,而海底底质等环境参数对MF I的影响较大。为了获得较准确的浅海S SP,MF I将海底底质环境参数也作为未知参数同时进行反演,这就限制了获取浅海S SP的速度。当反演的主要目的是 为了快速获得S S P时,则 应该最 大限度地减少需要反演的参数数量,同时降低其它环境参数对反演S SP算法 的影响,从而提高反演浅海SSP的速度和准确性。本 文采用匹配波束处理的距离和深度模糊函数构造代价函数,来研究浅海声速剖面的匹配 波束反演方法(MB I)。该方法在空 间上抑制 了一部分从海面和海底方向入射到垂直接收基阵的信号,减小了海底底质参数影响。将声学学报20 05年海底底质等环境参数按先验信息假设为 固定值时,MB I可以快速反演得到浅海S SP,其结果与实际测量的S SP十分接近。根据东中国海实验数据反演得到的s s P表明,该方法对沉积层参数的失配具有较好的鲁棒性。浅海声速剖面的匹配波束反演方法匹配波束处理的基本概念匹配波束处理 是波束域上的匹配处理方法,先在空域上对入射到基阵的信号进行空 间滤波,然后再进行匹配处理。用垂直线列阵定位目标时,匹配波束处理 的距离和深度的模糊函数0 l 为:B(:,;。)=式中.( )H表示共扼转置,6H几刀6 (1)式中扩沙为拷贝场向量,洲a t“为观测数据向量,R为观测数据 向量协方差矩阵,()H表示共扼转置。当反演的 目的是为 了快速获取声速剖面时,减少需要反演的参数可以减小计算量,提高反演速度,提高获得全局最优点的概率。纵观水声环境参数,海底底质参数的种类最多。如果能降低底质参数对反演S SP的影响,则可以提高反演S SP结果的精度。在式() l一式(4)中,当0。在较小的范围内取值时,匹配波束处理在空间上抑制了一部分从海面和海底入射到垂直接收基阵的信号,因而可 以减小海底底质参数对匹配波束处理 的影响。我们用 匹 配波束处理的距离和深度模糊函数构造代价函数,来实现浅海声速剖面的匹配波束反演方法。代价函数和反演过程如下:(H)(dHd)F(m)=1一B(:,召m)=1一6H丑刀6m为环境参数变量,d(6)和b分别为常规波束形成获得的观测数据波束 向量和拷贝数据波束 向量,RB为观测数据波束向量协方差矩阵,d一艺e一 ,无“ 了sn口,daa(、),(2)7b;(:,;m)一艺e一 “,“,n“:,p。(、,r,二;m)(3),丑。一(d dH),(4)式 中勺为接收阵元的位置,k为波数,0为波束指向角,0三0 0,通常0 0的取值小于10 0。应用匹 配波束处理进行目标定位时,首先根据式(2)对观测数据 向量pd aa t形成观测波束向量试然后选取环境参数计算拷贝向量 犷P c l,根据式(3)形成拷贝波束向量b后,由式() l计算模糊函数B。当计算拷贝向量 P r 沙 采用的参数同实际值一致或接近时,模糊函数B的值达到最大,此时 的位置参数(:,司就是目标所在的位置。1.2匹配波束反演算法进行水声反演实验时,通常已知接收基阵和 声源的位置,反演算法主要是获取海洋环境参数(如沉积层声速、密度、衰减系数、水深、水中的s sP等)。在深海环境中,由于存在深海声道效应,深海底质参数对声传播的影响小。而在浅海环境中,声源发射的声信号经过海底和海面的多次反射后才能到达接收点,浅海底质参数对声传播的影响较大。当反演浅海S SP时,通常将浅海底质参数也作为未知量进行反演(如匹配场反演、模式匹配反演z 0 等).匹配场反演采用的代价函数为:代价函数F(。)是环境参数的函数,寻找一组海洋环境参数二使代价函数收敛到最小值,这组海洋环境参数即为反演结果。在MB I反演S SP算法中,声 速剖面用经验正交函数2(E oF)表示:e(:)=e。(:)+艺。*人(:), (7)z二1式 中c。(z )为平均声速剖面,a、为E O F系数,人(劝为E O F,N为E O F的阶数。MB I在反演过程中,将沉积层参数(声速、密度和衰减系数)按先验信息取为固定值,通过参数搜索算法(我们用模拟退火算法)搜索E o F系数a、,使代价函数F(m)收敛。再将对应的E OF系数a:代入式(7),计算得到S Sp,该s s P即为MBI反演s s P的结果。反演得到的S SP与实际测量的SSP之间的差用下面的函数形式来表示:e rfe(二)=e,(:)一e:(:), (8) 式中,:为深度。定义反演S SP的均方根误差为:RMSss尸=1上元乙le rfc(“ )f“(9)H 一、 z了 p一p E二 1一(prpcH月争rpc(5)式中: 、为 深度位置,N为深度位置点数。2运用东中国海实验数据反演声速剖面2.1实验及实验数据的简单描述2 0 0 1年6月2日至6月4日,中美联合水声实2期张忠兵等:浅海声速剖面的匹配 波束反演方法验组在东中国海进行了宽带信号传播实验。“实验2号”科学考察船沿设计的航线航行,并投掷信号弹作为爆炸声源(投弹位置如图1所示),信号弹设定爆炸深度为5 0m。“实验3号”科学考察船和 美国的R/VMEV LL IL E科学考察船分别接收爆炸声源信号。在实验过程中,测得沿MF段及其附近 的海深为9 9、n4m,布放1 6元垂直线列阵处的海深约为10 5m。对海底沉积层进行了取样(取样位置如图1所示),样品分析处理 即得到沉积层声速为1612、165 3m/s,密度为1.57 、2.09/em3和衰减系数约为0.5d B/入。3 0. 13 0 0实验2号科学考察船投弹的实际G PS位置.30克信号弹。1 000克信号弹 卜YSA垂直阵 。底质取样 点、2 9 7 2 9 8 2 9 6 2 9 92 9 52 9 42 9 3助召、缘习竹126 21264126.6126名 12 7.01272东经/de g: .127,4 127.6127名图1“实验2号”科学考察船投弹位置和海底底质取样位置示意图MB I将观测数据 向量尸a t“和拷贝数据 向量扩P l c进行波束形成(取0。=o 5),分别得到观测数据波束向量d和拷贝数据波束 向量6,然后进行 反演。MB I反演S sP的结果如 图3所示(同时给出了MF I反演S SP的结果)。从图3可 以看出,MB I反演SSP的形状与实际测量的结果基本一致。图3(a )所示为反演代价函数(1 019 1。(E)随迭代次数变化的关系,MBI的代价函数收敛于一3 8.5dB,MF I的代价函数收敛于一n.7 1d B。图3(b)所示为MB I反演得到的SSP,带“”实线是MB I反演的结果,带宕,实线是MF I反演的结果,实线是C T D实际测量得到的S S p。图3(e)为反演SS P的误差函数,其中带“,实线表示MBI反演S sP的误差 函数,其反演S SP均方根误差为RMs ss尸=1.2 2ms /,最大绝对偏差为3.91m/s;带“o,实线表示MF I反演SSP的误差 函数,其反演SS p均方根误差为RMSss 尸=3.2 2m/s,最大绝对偏差为8.8 5m/5.其次,仍然采用前面使用的观测数据向量pd aa t来研究沉积层参数的变化对MB I反演浅海s sP结果的影响。在反演过程中,海深、爆炸声源深度以及垂直线列阵的倾斜角采用前面反演得到的结果,并且Jn户、a- 0二夕侧瞥在海域宽带信号传播实验中,R/vMEL vL IL E科学考察船上 的 1 6元垂直线列阵接收爆炸声源数据时的位置如图l中“”所示。该1 6元垂直线列阵