南海北部海水声速剖面声学反演

2009 年6 月在南海北部进行了一次海洋环境和声学同步观测实验. 实验观测到内波活动导致水体声速剖面随时间和空间起伏. 从温度链长期观测数据提取出声速剖面经验正交函数(EOF). 数值仿真研究了水平变化海洋环境下平均声速剖面的声学反演, 结果表明, 反演结果与传播路径上的平均声速剖面具有很好的一致性. 在此基础上, 利用实验中垂直接收阵记录的宽带爆炸声源信号反演海水声速剖面, 并与实验测量声速剖面进行比较, 验证了匹配场声学反演海水声速剖面的有效性和稳定性     

声速剖面插值方法在多波束测深中的应用

声速剖面通常采用站位式测量得到,分布较为稀疏,即使是走航式测量也难以得到足够密集的声速剖面。为此应在现有的声速剖面基础上进行插值以满足各方面的需要。反距离加权插值法、线性插值三角网法和基于经验正交函数的声速剖面反演法是声速剖面插值常用的三种方法,文章讨论了其在多波束测深声速剖面加密中的适用性和插值精度。结果表明,三种声速剖面插值方法均可提高声速改正精度,其中基于经验正交函数的声速剖面反演法插值精度高,适用性好;线性插值三角网法内插精度较高,但外推能力较差;反距离加权插值法算法简单,便于实现。     

基于声信号海温垂直结构反演试验

目前利用声回波记录反演海洋温度垂直结构的方法中大多以声阻抗剖面作为反演对象,不便于实现声速和密度分离.针对此问题,提出了一种新的反演思路.在优化海温垂直结构参数化表达的基础上,利用遗传算法进行参数寻优,建立了海温垂直结构反演模型,以海温垂直剖面实测数据检验了模型的准确性.结果表明:反演模型能够直接得到温盐垂直结构反演结...     

基于简正波掠射角的声速剖面反演方法研究

针对浅海宽带信号多途的特点,对多途分离的方法进行了研究,提出了一种基于warping变换的简正波分离和简正波信息提取的方法.随后提出了一种基于射线-简正波理论的利用各阶简正波中不同频点信号到达掠射角进行声速剖面反演的方法,最后通过仿真计算验证本方法可以应用于具有一定时间长度的线性调频发射信号的简正波分离,分离后提取的简正波信号经逆运算还原后与原始信号基本一致,分别对每阶简正波的各个频点到达掠射角进行计算,利用各阶简正波的不同频点到达掠射角建立代价函数,进行声速剖面反演.仿真结果证实了该方法的可行性,并分析了反演精度.     

WKBZ简正波方法在深海匹配场定位中的应用

利用快速而准确计算海洋声场的广义相积分（ＷＫＢＺ）简正波方法，研究在深海声道中进行匹配场定位的可能性。使用窄带脉冲声信号和宽带爆炸声以及２７．５ｍ和３２．５ｍ长的垂直短阵在深海声道中进行了实验，实验结果的处理和表明，对几百赫兹的声信号用垂直短阵来实现匹配场定位是可能的。     

利用压缩感知理论的声速剖面反演方法研究

针对传统的声速剖面(sound speed profile, SSP)反演问题中,使用最小化最小二乘代价函数的解来正则化需要对复杂的SSP结构进行采样,会导致SSP变化不确定性的问题.研究了采用压缩感知(compressed sensing, CS)方法,通过反演非线性声传播模型,利用CS来估计浅海中的声速剖面.首先使用一阶泰勒展开将SSP的非线性响应进行线性化;然后使用信号稀疏表示方法对声压进行稀疏展开;最后使用CS来估计浅海中的SSP.通过计算SSP的估计误差,发现误差的70%置信区间在±0.6 m/s之内,实验结果表明,使用CS方法可以有效地估计SSP.     

垂直地震剖面资料波动方程反演用于井底以下地层预测

利用垂直地震剖面资料波场可分离的特点,以下行波作震源函数,上行波作约束进行一维波动方程这代反演,同时给出了一种速生成梯度生成梯度矩阵的心算法。该法适用于井底以下地 预测以及阴钻反演,实际资料的算例结果表明,这种方法具有较好的实用性。     

基于互相关函数法的海水声速测量方法研究

精准的海水声速测量具有重要意义,高精度的时差估计是使用时差法进行声速测量的关键.针对时差测量精度不高而导致海水声速测量准确性低的问题,本文采用互相关函数法进行时差估计,并利用插值技术提高时差估计精度.该方法利用发射超声波信号与接收超声波信号之间相关性强,超声信号与随机噪声相关性弱的特点,将发射信号和接收信号滤波、去噪后,作互相关处理,计算延时.通过实验可以证明,此方法可提高时差估计精度,进一步可提高时差法测量海水声速的准确性.     

基于微扰法的快速声速剖面反演

传统的基于声传播时间的声速剖面反演需要多次搜索不同声速剖面条件下的特征声线,降低了声速剖面反演的速度.通过一个简单的近似,微扰法将实际声传播时间表示为背景声速下的声传播时间与扰动项之和,从而使得声速剖面反演由原来的非线性优化问题转化为线性方程组的求解形式.实验数据处理结果表明,与传统方法相比,虽然微扰法反演的精度下降了近50%,但是计算时间由10 h减少到了3 s,从而实现声速剖面海上实时监测.     

海洋环境对海面源噪声场的影响分析

海面源产生的海洋环境噪声场与海洋声学环境参数紧密相关.研究海洋声学环境参数对海面源产生的噪声场互谱密度的影响,有助于深刻理解此类噪声场空间分布的物理内涵,为其服务于海洋环境参数反演和目标检测定位奠定基础.基于简正波模型推导了海面源产生的环境噪声场的互谱密度函数,通过仿真计算讨论了不同声速剖面与不同海底参数情况下,采用积分的方法计算各号简正波对海洋环境噪声强度的贡献,并用平面波模型计算相同海洋环境下的海底损失进行验证.结果表明,各号简正波对总声场的贡献同时受到声速剖面和海底参数的影响.其中声速剖面对各号简正波对海洋环境噪声强度贡献的影响较大,而海底参数对各号简正波对海洋环境噪声强度贡献的影响相对较小.对于海底参数而言,声速是影响各号简正波对总噪声场贡献的最主要因素;海底密度次之;海底声吸收对海底损失和各号简正波对总噪声场贡献的影响较小.对声速剖面而言,在负梯度声速剖面下,高号简正波对海洋环境噪声场的贡献较大;在正梯度声速剖面下,低号简正波对海洋环境噪声场的贡献较大.     

基于正则参数后验策略的PCS迭代正则化反演

采用改进的正则参数后验策略的迭代正则化方法对单峰分布和双峰分布颗粒系的电场自相关函数进行反演,并且与正则化方法反演结果进行了比较.实验结果表明,在噪声小于0.005的情况下,正则化方法和迭代正则化方法都能较好地反演出单峰和双峰分布的颗粒,当噪声水平为0.05时,正则化反演算法已无法得出粒径分布,迭代正则化方法仍能比较准确地反演出粒径分布.     

波形未知的水声脉冲信号双阵元相关匹配场定位

针对波形未知的水声脉冲信号,提出一种基于双阵元的相关匹配场定位方法.通过水听器所接收到的信号和声场传播模型算得的海洋信道脉冲响应,对所划分的搜索网格区域采用时域最小二乘的方法获得每个网格点位置上发射信号的估计值.由估计出的发射信号与信道脉冲响应卷积产生相应的拷贝场信号;通过计算双阵元接收信号的相关函数与拷贝场信号的相关函数之间的误差,构造定位函数的模糊表面,实现双阵元对波形未知的水声脉冲信号的匹配场定位.采用2种声传播模型分别对连续波(CW)脉冲信号与线性调频(LFM)脉冲信号进行仿真实验,结果表明,该方法不受信号形式和声传播模型的限制,克服了传统匹配场处理由于阵元个数过少而导致的定位模糊表面旁瓣过高的问题,具有较好的定位效果.     

地脉动法在黄土地区S波速度构造探测中的应用

在我国西部典型黄土地区分别进行连续和高密度（25 m×25 m）的地脉动观测,并分析所采集的信号,探讨了地脉动信号的时间稳定性及空间分布规律,利用地脉动水平和垂直方向(H/V)频谱反演地下黄土层的剪切波速度剖面,并与已有的钻孔波速资料进行对比.结果表明：内陆地区的地脉动信号具有良好的时间稳定性;在黄土覆盖场地,利用地脉动测试以获取地下剪切波速度构造的方法具有较好的适应性.     

不同正交基函数系反演边界温度场比较

基于3种不同的正交基函数系(三角函数正交系,Legendre正交多项式和Chebyshev正交多项式),比较研究了一类二维稳态热传导方程反问题中边界温度场的数值反演方法。首先引入泛函,根据线性偏微分方程的叠加原理,将所研究的反问题转化为求解泛函极小值的正问题;然后基于测点温度,通过求解离散后的线性代数方程,得到各基函数的系数,对边界温度场进行有限维逼近,重构得到边界温度场的分布。研究结果表明:采用3种正交基函数系均能有效地重构边界温度场,数值反演结果曲线与边界温度场原函数曲线吻合较好,3种函数系均可应用于类似的反演研究。     

先验知识在被动微波遥感土壤湿度反演中的作用和影响

利用微波遥感的发射率数据反演裸土壤湿度，不可避免需要结合地表面和土壤层的一些先验知识，而先验知识的准确度又将对反演结果的准确度产生一定的影响。文章讨论了地表的高度起伏相关函数形式、土壤温度和土壤质地等三类先验知识，定义了几种不同的土壤湿度反演误差，从而定量地给出三类先验知识的不确定性对土壤湿度反演的影响，指出：基于BSM散射模型和人工神经网络（ANN）的土壤湿度的反演方法是可行的，向ANN输入两种极化的裸土壤表面发射率数据便可反演出裸土壤的湿度，在上述三种先验知识具有一定的不确定性时仍可保证较好土壤湿度反演准确度。     

高温超导量子干涉器磁测量中的电磁反演

基于Biot-Savart定律和空间滤波技术,采用二维傅里叶变换,研究磁场到电流的反演. 对高温超导量子干涉器(SQUID)测得的载流导线周围的磁场分布以及圆孔缺陷周围的涡流场激发的磁信号进行反演处理,并对所得的结果,特别是在傅里叶空间对截止频率的选择进行了初步探讨. 结果表明,较高的截止频率值能有效提高反演结果的空间分辨率,但增加了噪声信号对反演结果的影响;相对较低的截止频率值能更明显地去除噪声信号,同时导致反演结果的失真,降低了反演结果的空间分辨率. 利用缺陷周围的磁场数据反演出的电流分布,能够准确反映出被测样品中缺陷的位置、形状等基本情况.     

分层流风波水槽中基于线阵CCD水面影像反演内孤立波的实验研究

在大型重力式分层流风波水槽系统中,利用风生波原理模拟水面随机小尺度波场,采用重力塌陷方式产生大振幅孤立子内波,通过线阵CCD影像记录其传播过程中引起的水面小尺度波结构变化,分析孤立子内波对水面短重力波及毛细(重力)波的影响规律,建立线阵CCD图像灰度特征与内波要素特征的关系,进而由水面波场变化反演出水下孤立子内波的特征结构.实验结果证实了本文方法的有效性,也为实际利用海面粗糙度及海水层化特性遥感海水内部动力学研究提供了新的途径.     

EOF分解方法反演海浪参数的有效性研究

【目的】进一步确认经验正交函数(EOF)分解处理导航X波段雷达图像序列方法的有效性。【方法】基于两套导航X波段雷达同步观测的实验数据,利用经验正交函数分解算法反演海浪的有效波高(SWH)、峰值周期、主波波向和主波波长。【结果】4种参数均方根误差分别为0.1~0.2m,0.6~0.9s,5.01°和7.09m。【结论】经验正交函数分解反演不同海浪参数的方法适用于处理近岸海区的非均匀波浪场。     

基于CALIPSO和转动拉曼-米散射激光雷达研究北京地区大气气溶胶特性

为提高大气气溶胶参数反演结果的准确性,结合实验室研制的转动拉曼-米散射激光雷达和NASA的CALIPSO,仅用2个激光雷达的弹性后向散射信号,无需对激光雷达比进行假设,反演出了2012年春季北京上空晴天、雨后、阴霾天气的气溶胶光学参数的垂直分布. 结果表明:此方法可有效地获取气溶胶消光系数和后向散射系数的垂直分布;气溶胶的消光系数值在阴霾天气最高,晴天次之,雨后最低.      

基于双高斯拟合的风廓线雷达在降水条件下的风场反演

风廓线雷达在降水天气下探测到的返回信号主要包括大气湍流信号和降水粒子信号,其功率谱数据在结构上通常表现为双峰结构,并且在一定程度上可以看成是双高斯形式的。本文利用北京延庆CFL-08型边界层风廓线雷达在降水条件下获得的探测数据,采用双高斯拟合的方式将湍流谱和降水谱分离开,并通过分离之后的湍流谱对不同强度的降水过程进行了垂直速度场和水平风场的反演。反演结果表明,利用双高斯拟合可以有效地将湍流谱和降水谱区分开,反演得到的垂直速度场、水平风场较处理之前更加精确。