基于声传播损失的南海海域地声参数敏感性分析

以中国南海地声-水声联合调查实验数据为基础,利用多道地震数据偏移成像以及浅地层剖面数据反演获取了一个分层地声模型。通过设定该模型各层地声参数的参考值和变化区间,结合实测的水体声学参数,利用Krakenc耦合简正波模型计算了不同地声参数下的声传播损失;分析了理论与实测声传播损失均方根误差随地声参数的变化规律以及均方根误差的区间分布情况。研究结果表明:对于频率100 Hz的声传播,地声模型第一层和第二层沉积层的声速对声传播损失影响最为显著;第一层和第二层沉积层衰减系数、厚度对声场的影响次之;基底对声场的影响最小。本文在接近真实海底的环境下研究了海底各分层结构中地声参数对声场的影响,可为建立海洋环境地声模型提供一定的依据。

利用低声速沉积层反射特性线性反演地声参数

为提高反演效率和降低地声参数耦合,提出一种线性反演低声速沉积层地声参数的方法。从类线性声速剖面的两层海底平面波反射系数出发,分析了全透射角及全透射角下最大反射损失、干涉条纹等反射特性与各相关地声参数的关系,并构建了相应的代价函数。结合敏感性分析和分步反演策略,分步反演了低声速沉积层地声参数。该方法适用于低声速沉积层声速梯度恒定的情况。利用新英格兰泥地实验部分海底反射损失数据进行了实验验证。实验反演结果与相关跨维反演结果基本一致,反演误差分别为声速比0.1%,密度比0.3%,吸收系数14.6%,声速梯度为15.8%。反演效果显示,该方法一定程度上规避了部分地声参数间的耦合,且可给出决定类线性声速剖面形状的幂次项的最佳估计。

分布式移动水声传感网络地声参数反演

提出使用分布式移动水声传感网络以实现大面积海域地声参数的快速反演。将分布式网络节点投影合成不同阵元间距的水平线阵,采用频域相干目标函数,进行匹配场地声参数反演。同时,将定位误差视为一个参量进行反演,结合对水平波数修正的多普勒补偿,提高移动网络反演的鲁棒性。数值仿真和海试数据处理结果验证了分布式移动水声传感网络地声参数反演方法的有效性。

浅海地声参数的变维贝叶斯反演

为解决海底沉积层分层结构未知时的反演问题,提出了一种变维粒子滤波方法,利用声场的互谱密度,估计沉积层分层结构以及地声参数。仿真结果表明:变维粒子滤波在沉积层分层结构未知时,能有效反演沉积层层数以及地声参数,粒子的并行计算能使其相较于可逆跳蒙特卡洛马尔可夫链(rjMCMC)更加高效。利用变维粒子滤波,对南海垂直线阵列接收到的线性调频信号进行处理,反演结果与rjMCMC反演得到的沉积层层数和地声参数结果相近,说明了此方法能有效估计沉积层层数的同时反演浅海地声参数,得到可靠的参数后验概率密度。

浅海地声学模型缩比试验验证研究

针对实际海底形态不平整、不同区域海底表面沉积层构造差异较大的特点,依托海底地声学模型,建立3层海底地声模型。在实验室条件下构建浅海分层结构的海底缩比场仿真环境,以声学测试试验结果为数据样本,基于匹配场技术,采用QPSO全局优化算法实现不同分层结构的海底地声学参数的优化反演,验证了海底地声模型的正确性和可信性。

联合简正波水波和底波频散特性的贝叶斯地声参数反演

大多数基于浅海简正波模态频散数据的地声参数反演方法无法对深层底质声学参数进行可靠估计,究其原因是仅利用了简正波水波频散特征,忽略了与深层底质声学参数密切相关的底波频散特征,因此,本文在分析了包含水波和底波的浅海宽带数据的基础上,结合底波频散特征对深层底质声学参数变化更加敏感的物理特性,实现了基于完整简正波频散特性的贝叶斯地声参数反演,并针对简正波宽带声场模型计算复杂度较高的现实问题,利用变分贝叶斯蒙特卡罗方法的推断优势,完成了未知参数的可靠估计和快速后验分析.仿真和海上实验结果表明:联合简正波水波和底波频散特征数据的贝叶斯地声参数反演,不仅可以有效估计深层底质声学参数,而且降低了其他相关环境参数的估计不确定性.

基于等效密度流体模型的地声参数分析

目前的地声参数反演多采用液态海底模型,但是实际海底为多孔弹性海底。该文在等效密度流体模型基础上,通过计算液态海底和多孔弹性海底的反射系数及传播损失,给出了等效密度流体模型和液态海底模型的等效性分析。数值仿真结果表明在低频情况下,多孔弹性海底给出的快纵波声速与等效密度流体模型给出的声速以及等效密度流体的实部与真实的海底密度基本一致。将等效密度流体模型近似看作液态海底模型进行反射系数和传播损失计算,在小掠射角和远距离时,计算结果表明与多孔弹性海底计算结果具有较好一致性,从而以此为依据确定海底为液态,进行地声参数反演。

利用机会运动声源的水平阵地声反演

针对利用机会运动声源的反演问题,提出一种对水平阵的非相干波束输出进行重构并获得海底声学参数的反演方法。不同于匹配场反演,该方法利用了声场的平滑平均原理,并且将衰减简正波的影响比例提升。仿真分析表明所提方法相比于匹配场反演对海底衰减系数更加敏感并且对声源的空间位置误差更加宽容。实验数据的反演结果表明研究海域在30~160 Hz频率范围内海底衰减系数随频率的变化关系为(0.34±0.18) f^(1.59±0.27)dB/m(f的单位是kHz),并且给出了由反演出的参数计算的传播损失曲线与实验的声传播损失数据的比较,所提方法比匹配场反演方法更准确地表征了声场传播特征。

双基地声呐系统的空间阵位设计分析

利用双基地声呐系统定位目标时,系统不同的布阵方式与布放结构会引起定位性能的显著差异,如何设计双基地系统的阵位结构来提高定位精度至关重要。针对这个问题,本文基于到达时间主动定位方法推导了误差估计的双基地声呐克拉美罗界,并以最高定位精度为优化目标,研究了双基地声呐系统的空间阵位设计问题。其中,规范了系统测时误差服从零均值高斯白噪声假设的适用场景为合作定位场景,并针对非合作目标定位场景,推导了系统测时误差随着距离变化的数学表达式,从而修正了双基地声呐的克拉美罗界。不仅如此,还探究了系统测时误差、声速波动等干扰因子对目标定位精度的影响。最后仿真结果表明,未修正的双基地声呐最优阵位结构对应分置角为101.5°;而修正后的双基地最优阵位结构与系统配置有关。随着系统配置比的不断增大,双基地最优分置角会趋向于90°。该研究可以为双/多基地声呐系统的最优化配置提供布阵参考方案。

基于地声模型的浅海混响地声反演研究

利用浅海混响数据反演海底参数和海底散射常数.混响形成过程中声波多次与海底发生相互作用,因此海底参数之间以及它们与海底散射常数之间的耦合非常严重,未知参数之间的耦合使得常规地声反演方法很难获得海底参数.文中首先利用相对混响强度消除了混响数据中的海底散射常数项,然后利用Hamilton地声模型,分别将海底声速、密度和衰减系数表示成孔隙率的函数,采用自适应下山模拟退火混合反演算法,对单个未知数(孔隙率)进行反演,最后再分别获得海底参数和海底反向散射常数.理论分析和数值模拟表明,该方法可以快速准确获得海底参数,同时具有很好的抗噪声干扰能力.

二维滤波技术在浅地层地声信号处理中的应用

在浅层地下声探测系统中，地表直达波对物体反射波的干扰是限制探测灵敏度的主要原因之一．在频率域或时间域都很难将它们与反射波信号分离．本文采用二维FFT滤波技术，利用直达波和反射波视速度的差异，在频率域和速度域进行滤波，有效地消除了直达波的干扰，提高了系统的探测灵敏度．

多频段地声智能感知预警技术在矿山深部开采中的应用

随着地下矿山开采深度的增加,地压显现现象愈加突显和复杂,开采难度和风险越来越大,开采扰动引起采场和大量遗留采空区的应力变化给生产带来了重大安全隐患。多频段地声智能感知系统(以下称该系统)将中高频段监测、主被动震源与岩石应力、应变、变形等参数动态变化相结合,全面捕捉岩体灾害发生时的有效信息,对地压分区防控、采空区隐蔽致灾规律探究、采场灾源预警的工作开展具有重要意义。该系统通过对岩石破裂的多频段监测覆盖,精细划定应力集中区域,根据应力时空分布规律建议相应的支护和卸压措施,指导深部巷道布置开拓与生产开采方案,同时针对采空区隐蔽致灾因素灾源预警,有效指导生产组织调度,减少采场灾害事故的发生,确保生产安全有序进行。相关成果对于提升矿山安全水平,提高矿山生产能力具有重要意义,在实际应用中取得了较好的安全效益,在国内类似条件的矿山具有较好的推广借鉴价值。

莒县地声台网与地声数据处理系统

对地声、极微震的研究是目前国内外一个探索性课题。我国在山东省莒县建立了一个标准地声台网。本文详细介绍和讨论了该台网及其观测系统、记录系统、监测能力、环境噪声等;介绍地声极微震高频信号的数据处理系统;讨论了该台网的定位方法及一些事件的定位结果,得到了郯庐断裂带中段四条断裂的不同的活动情况。

地震前兆地声信号的低频特征

阐述大地震前低频地声的波形和频谱的特征．论述了震前低频地声的形成及声波传播规律，指出震前低频地声具有近场穿透能力、信息可靠及易于提取和接收等优点，是探索近场地震短期前兆信息的重要手段．频谱分析结果表明，震前低频地声异常的频谱大多集中在０～２００Ｈｚ的低频段，观察表明，近场地震发生前低频地声异常信息强烈．

地声信息工程研究的进展和今后方向

本文主要介绍地声信息工程的国内外发展概况,以及地声在地震预报、震源破裂过程研究、大尺度地球物理实验、矿震、矿塌、岩爆观测和研究中的应用及其发展前景。

典型浅海地声模型下的反射波特性初步研究

本文给出了一种典型浅海地声模型下，波动方程有限差分正演的计算方法，并详细分析了沉积层的顶层速度、厚度、速度梯度、密度梯度，以及震源特性等参数变化时反射波受其影响的一般规律：而且对于航道底部的浮泥层作了重点研究，从而得到了浮泥层的容重变化率及其厚度对反射波的影响规律，以及浮泥厚度与反射波特征谱之间的关系。这对于解决长江口航道的安全行船深度这一实际问题是很有意义的。

地震前兆地声遥测系统设计

论述了地声与地震的相关性,分析了目前在检测地声技术上存在的问题,在此基础上设计了新的基于GPRS网络的地声检测系统。

地震地声监测系统的设计

本文简要介绍了地震与地声,在此基础上设计了低功耗的、分布式的、可移动的地声监测系统。本文主要完成了地声监测系统的设计、地声传感器的选型,并且设计和制作了低价位、低功耗的以MSP430单片机为核心的地声信号采集仪,同时完成了地声信号采集仪软件、上位机通信软件的编程。最后对各部分电路进行实验和调试,并对整个监测系统进行了数据采集和数据传输实验。通过实验证明该监测系统能够达到预期目标和实现预期功能。

一种海洋环境噪声分步反演地声参数方法

分析不同海底参数对环境噪声垂向空间特性的敏感度,根据海底密度对环境噪声垂直指向性的小掠射角部分不敏感,而对等效海底损失的大掠射角部分相对敏感的特点,提出了一种海洋环境噪声分步反演地声参数方法:先用环境噪声垂直指向性小掠射角部分反演海底声速、衰减;之后利用大掠射角部分来反演海底密度。仿真算例和海上实验数据处理结果验证了该方法的有效性。结果表明:分步反演加强了匹配物理量对海底参数敏感部分的关注,在反演结果精度(海底密度)以及反演效率上都有所改善,具有一定可行性。

双基地声呐散射声场的建模与仿真

利用变形柱方法,建立了非入射方向水下椭球目标散射声场的数学模型。通过建模与仿真实验,得出了椭球目标在双基地条件下,散射回波的空间分布,以及在不同分置角时,散射强度随目标姿态角的变化关系曲线。通过仿真曲线与水池实验曲线的比较,验证了理论模型的正确性。