基于航船噪声的海底声参数序贯估计研究

The estimation and monitoring of the coastal ocean properties, especially the ocean bottom characteristics is very important for human activities and ocean environmental modelling at this region. This research discusses a sequential geoacoustic parameter estimator, which is based on the waveguide specific impedance that derived from the noise field due to a moving ship. This estimator provides the geoacoustic parameters and their associated variations along the sailing ship track. This technique is environmental friendly in the sense of bring no additional noise pollution to the ocean as compared to these active measurements by emitting high-power sound signals. Besides, owing to the significant advantages of high sensitive to environmental properties and independent of source spectral levels, the using of waveguide specific waveguide impedance is expected to yield more accurate and reliable inversion results as compared to pressure or vector field when treated separately. Moreover, the capacity of a sequential filter in iteratively correcting the estimates upon continuously inputting data, this technique is more favorable than traditional matched field processing methods in highly dynamical ocean environments.

海洋特别是海底特性的估计和监测对沿岸人类活动以及局部海洋环境建模有着非常重要的意义。本课题讨论一种基于航船噪声传播特性的地声参数序贯估计算法，该算法通过观察从噪声场中提取的波导特征阻抗特性对航船轨迹上的海底声参数及其变化进行估计。相比于传统的发射大功率声信号的环境测量技术，本方法使用海洋中已经存在的噪声源、对海洋环境保护有积极的意义。相比于基于声压场或矢量场的地声参数反演，波导特征阻抗由于对环境参数更敏感和不依赖于声源特性的特点、故而在处理复杂多变的航船噪声可以达到较可靠和准确的反演结果。相比于传统的匹配场地声参数反演技术，序贯法可以不断吸收新输入数据的信息对当前的估计结果进行更正，因而非常适于处理连续的航船噪声实现海洋环境参数的连续估计。

海洋特别是海底特性的估计和监测对沿岸人类活动以及局部海洋环境建模有着非常重要的意义。浅海中，海底特性在很大程度上决定声信号的传播规律，其声参数的获取是声传播准确预报及相关声纳应用的前提。本课题讨论一种基于航船噪声传播特性的地声参数序贯估计算法，该算法通过观察从噪声场中提取的波导特征阻抗特性对航船轨迹上的海底声参数及其变化进行估计。研究项目获得批准以来，开展了复杂海洋环境下声传播建模、联合声压场和矢量处理提取可规避航船噪声不确定性并对环境参数敏感的新变量、航船噪声特征有效提取信号处理方法软件的开发以及利用序贯算法实现地声参数反演的研究工作。本研究的成果和意义可概况为分两部分，1.首次给出了波导特征阻抗分量相比于传统声学变量对海底声学参数更敏感的理论解释，并通过数据仿真证实，波导特征阻抗分量可给出更稳健的地声参数、尤其是传统变量不太敏感的沉积层密度和声吸收系数。2.地声参数走航测量研究。申请人将粒子滤波算法应用到多爆炸声源信号和单波束声纳回波包络信号来连续估计沉积层的声学参数，大大提高了数据的处理效率并取得了与传统匹配场处理方法一致的结果。申请人正开发基于单波束声纳的沉积层参数走航测量系统，充分利用粒子滤波在线处理数据的能力和单波束声纳实时获取数据的特点，为海上声纳应用提供实时的海底声环境信息。