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第 38 卷 第 3 期 李佳蔚等： 利用气枪声源数据的地声参数反演 441

气泡脉动信号与爆炸声信号的强相关性，基于解卷
0 引言
积 [17] 、自适应滤波 [18] 的方法均不能稳定地消除气
泡脉动及其造成的影响。气枪声源是利用高压气舱
地声反演问题由来已久，且一直是水声学中的
存储的高压气体在水下瞬间释放而产生强声波，它
热点问题之一。其基本思路为声波通过浅海波导传
也具有源级高、频带宽的特点，同时气泡脉动影响
播时会携带边界上的信息，从而使得通过接收的声
较小，本文实验选用的气枪声源基本没有气泡脉动
场能够间接获取地声参数。Hamilton [1] 很早就对各
的影响。这样用单个水听器就能获得声源信号的时
类海底地声属性进行了归纳，获取了各类海底的声
间数据，还可以得到更多的频率数据。在进行地声
学参数范围曲线及参数关系的经验公式。早期的地
反演时，本文采取以下措施来降低反演参数的误差：
声反演仅计算与观测量线性相关的地声参数，获取
(1)在数据处理时，利用不同的声学特征参数对反演
的参数有限。常规匹配场(Matched field processer,
海底参数的敏感性不同进行分步反演，同时它能够
MFP) [2−3] 的应用使得地声反演得到极大的发展，
减少计算量。(2) 在提取声场特征频散曲线时，由于
其主要思想是以某种优化准则建立接收处声传感
浅海声速剖面存在一个较大的跃层，破坏了部分声
器阵列测量的声信号与不同海洋参数下仿真的声
场的频散结构。在利用 warping 变换提取气枪声源
信号的代价函数，以全局优化算法获取最佳代价
信号的频散曲线时，舍掉因声速剖面跃变造成的频
函数的参数值为反演值。各类智能优化算法的引
散结构被破坏的低模态频散曲线，提取较为准确的
入也大幅度提升了计算速度，常见的有模拟退火算
第三阶到第八阶简正波的频散曲线。(3) 修正因接
法 [4−5] 、遗传算法、蚁群算法等。
收水听器阵起伏引起的传播损失误差。
通过接收声场可以获取到不同的声学特征参
本文第一部分基于浅海声场简正波理论与理
数，常用于反演的声学特征参数有阵列接收的声压、
想波导的 warping 变换，导出含海底声学参数的代
群速度、模式衰减、模式幅值比、传播损失等。Jiang
价函数，给出反演方法及流程图；第二部分介绍实验
等 [6] 在局部区域反演中利用多途信道与声压幅值
及数据处理情况，分别反演求得海底声速、密度，通
信息，获得沉积层与基底层声参数信息进行地声反
过回归的方法得出海底衰减随频率的变化关系，将
演。李整林等 [7] 利用简正波过滤技术获取简正波
地声反演获得的声学参数分别代入频散曲线和传
群延时。郭晓乐等 [8] 利用 warping变换提取来获取
播损失公式进行数值模拟，由模拟与实测曲线拟合
频散曲线的时间差来反演海底声速与密度。Potty
程度检验参数反演方法的有效性；第三部分为讨论
等 [9] 、Zeng 等 [10] 在各自的文献中均利用模式幅
与结论。
值比来获取海底衰减系数。相比而言，利用传播
损失拟合获取海底衰减系数是一种简单易行的方
1 理论及反演方法
法 [8] 。不同的声学特征参数对反演海底参数的敏
感性不同，利用此原理进行分步反演 [11] 一方面能 1.1 浅海简正波理论及warping变换 [10]
获取到最敏感的参数，同时提高计算速率。信号处
假设浅海地声模型为半无限空间，声源和接收
理的方法能够准确地提取不同的声场特征，其中
点在二维空间中的位置分别为 (0, z s )、(r, z r )，其中
warping 变换的应用较为广泛。Baraniuk 等 [12] 首
0、r 和 z s 、z r 分别为声源、接收点的水平位置和垂
次将 warping 变换应用于信号处理，继而被引入到
直深度。根据浅海简正波理论，接收点声场 P 可以
水声信号处理，warping 变换通过消除声场瞬时相
表示为
位的非线性项消除其频散效应。利用 warping 变换
N
能够实现单声源获取频散曲线 [13] ，分离模态简正 P (f, z r ) ≈ AS(f) ∑ ψ m (f, z s )
波 [14] 等。 m=1
在浅海声学实验中，声源的选择很重要。由于 e jk m (f)r−β m (f)r
× ψ m (f, z r ) √ , (1)
爆炸声源具有源级高、频带宽的特点，常用作各类 k m (f)r
海洋实验的声源 [15−16] ，其缺点是气泡脉动产生严 其中，N 为传播的最大模式数，ψ m 为第 m阶简正波
√
重干扰，使得获取直达波信号的时长有限，并且由于 的本征函数，j = −1，k m (f) 是第 m 阶简正波的水