基于压缩传感空时联合处理的地声参数反演方法研究

Develop a fast and effective geoacoustic inversion method based on compressed sensing theory and spatio-temporal joint processing, to support engineering applications..Main research items:.(1) Analyze the underwater acoustic channel’s time-variant, frequency variant and spatial-variant characteristics; Analyze the channel sparsity of the multi-path environments. Explore the sparsity in geoacoustic parameter space based on the sensitivity of geoacoustic parameters analysis. .(2) Develop a new geoacoustic parameter inversion method, based on time delay estimation using CS theory. Study the methods to identify different propagation paths, estimate their time delay differences precisely, then estimate the number of sediment layers and their correspondent compressional speeds and thicknesses based on the sediment propagation model..(3) Carry out a research on a geoacoustic parameter inversion based on CS matched filed processing. Develop a step matched field processing inversion based on the differences between parameters’ sensitivities; Utilize the sparsity in geoacoustic parameter space, study a sparse Bayesian learning way to reconstruct geoacoustic parameters and analyze its estimation precision and robustness..(4) Conduct a lake experiment and a sea trial on CS sediment geoacoustic parameter inversion using a co-operative source and a non-cooperative one. Design experimental systems according to different inversion strategies, then gather data to verify the effectiveness of inversion methods.

将压缩传感与空-时处理结合，研究快速有效的地声参数反演方法，为工程应用提供技术支持。.主要研究内容：.（1）研究水声信道的时变、频变和空变特性，分析多路径传播的稀疏性，结合地声参数敏感性分析，探索地声参数空间的稀疏性。.（2）基于CS时延估计的地声参数反演方法研究。针对不同接收阵形，研究多路径传播的辨识方法，准确估计多路径传播的时延差，结合沉积层传播模型，快速估计沉积层声速和厚度以及层数参数。. (3) 开展CS匹配场地声参数反演方法研究。利用地声参数敏感性的差异，研究分步匹配场反演；基于地声参数空间的稀疏性，研究稀疏贝叶斯学习重构地声参数，并分析探讨其估计精度与宽容性。.(4) 利用合作性和非合作性声源开展CS沉积层地声参数反演的湖上和海上实验研究。根据不同地声参数反演策略，设计实验系统、采集实验数据，利用实验数据验证反演方法的有效性。

地声参数反演是海洋环境信息获取的有效手段之一。根据浅海波导环境短信道多径的稀疏性，利用压缩传感技术高精度估计多径到达时间，结合海洋沉积层传播模型，可以高精度估计沉积层的厚度、声速等敏感参数。基于声场的互易性原理，移动声源和固定节点构建合成水平线阵，采用频率相干目标函数进行合成水平线阵地声参数反演，SW06海试数据验证了其有效性。. 进一步，移动声源与分布式传感网络结合，构建多输入多输出反演实验结构，利用空间分集提高了地声参数反演的性能，中频声源宽带特性提高了部分地声参数的敏感性。面对声源或网络节点运动导致的波导多普勒效应，研究了波数修正的多普勒补偿办法，提高了分布式移动传感网络地声参数反演的性能。在相对传播时间和相对相位差一致性分析基础上，通过改变水体几何结构和收发空间位置，构造“等效距离无关”环境，增强了分布式移动传感网络地声参数反演方法对距离有关环境的宽容性。. 设计了分布式传感网络地声参数海上实验拓扑结构，采集了有效海试数据验证了稀疏贝叶斯反演方法的有效性，考虑分布式网络节点布放位置误差，将位置误差作为反演参数之一，提高了地声参数反演精度，同样作为性能比对的垂直阵匹配场反演也将阵倾斜角作为反演参数之一，提高了比对的准确性。 . 面对机器学习的快速发展，利用径向基神经网络与匹配场反演的内在联系，研究神经网络地声参数反演方法。将反演视为非线性函数的逼近过程，利用匹配场反演的目标函数改造径向基神经网络的核函数，构建大训练样本数据、减缓地声参数之间的耦合，径向基神经网络可以并行反演敏感的地声参数，SWellEx-96实验数据以及舟山海试数据验证了其有效性。. 另外，利用航船辐射噪声，基于频散曲线、数据互谱密度矩阵以及分布式传感网络成功进行了机会声源的地声参数反演，进一步推动了非合作声源地声参数反演方法的发展。