[发明专利]一种海洋环境与声场不确实性的表征和传递的快速计算方法

说明书

所属技术领域

本发明涉及声学领域，具体涉及一种海洋环境与声场不确实性的表征和传递的快速计算方法。

背景技术

由于海洋环境参量例如海深、声速剖面、海底地声特性等不确实，即使发射确定信号，海洋中接收点 声压场也表现为随机起伏场：在空间和时间上都具有不确实性和变异性。而先进的声纳信号处理都基于传 播模型对海洋中传播的信号作预测，再与接收的信号作拷贝相关处理。由于处理中使用确定的传播模型， 即输入一组特定的环境参量，得到确定的预测声压场。这样的传播模型不能反映空时变异和不确实的实际 声场，往往导致声纳信号处理的性能不稳定。因而，寻求海洋环境和海洋声场的不确实性表征和传递规律 是研究减弱、消除和进一步利用不确实性对声纳处理性能影响的基础。

数学上，不确实性定义为误差的概率密度函数(probability density function PDF)。误差是指实 际场与估计/测量场的差。在基于模型的预测问题中，初始条件误差、模型及边界条件的误差都会影响预 测的精度，引起预测声场的不确实性，是初始误差和模型集成过程引入的误差的综合影响。在海洋环境中， 对于近、中距离，通常我们认为声传播模型的精度已足够高，对预测声场不确实性的贡献可以忽略，因而 认为引起预测声场不确实性的主要因素是作为初始条件和边界条件的海洋环境知识的不确实性。环境知识 不确实性主要来自于水体，内波、潮、锋、涡、流及其动力特性引起的声速梯度变化。边界不确实性主要 来自于界面，表面波，海底粗糙度、地形变化、海底构成等。本发明中，不确实性者，指不完备的环境知 识及所导致的声场的随机性，它们的定量度量用一种正交随机多项式展开(PCE)所形成的随机谱作表征。

本发明主要针对假定声场预测模型是精确的，由于海洋环境知识不完备所引起的不确实性导致声场不 确实性的问题。不确实声场建模将海洋环境及在其中传播的声场两部分合在一起考虑，将不确实性作为一 个必要的组成嵌入，并提供它对声场影响的概率度量。波方程是单变量(声压场)和单参量(声速场)方 程，环境部分不确实，通过声速场耦合到声场部分，建立一组耦合差分方程，既描述声场的传播，又描述 所关联的不确实性的传播。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是环境参量不确实性和声场不确实性的表征方法。用于驱动声传播模 型的环境参量包括水体声速梯度剖面，海深，沉积层声速梯度、沉积层密度、沉积层衰减、沉积层厚度， 基底声速、基底密度、基底衰减，用一个向量表示。不确实环境参量由一个确知的向量及其邻域构成，邻 域的大小决定不确实性程度。同样一个基阵采集的随机声场也由一个确知的声场向量与邻域构成。不确实 性的领域由多项式混沌展开作随机谱表征。

本发明所要解决的技术问题之二是环境参量的不确实性如何传递到声场不确实性。声传播模型，例如 射线模型、抛物方程模型、简正波模型等，能够解决由确定的环境参量如何产生确定的声场问题，而不能 直接解决不确实性由环境参量到声场的传递，因而也无法直接给出用于不确实信号检测所需的不确实驾驶 向量空间。将不确实性嵌入到传播模型产生随机的传播模型既描述声场的传播也实现不确实性从环境参量 到声场的传递。

为解决以上技术问题，本发明是提出以下技术方案实现的：

本发明所述的这种海洋环境与声场不确实性的表征与传递的实现方法，步骤如下：

1.海洋环境不确实性和声场不确实性的表征：

(1)海洋环境不确实性表征

用向量b表征环境参量(由水中声速梯度，海深，沉积层声速梯度，沉积层密度，沉积层衰减，沉积 层厚度，基底声速，基底密度，基底衰减构成)。用b₀表示我们利用测量或反演方法获得的已知环境参量， 作为不确实环境参量的均值，不确实环境参量采用参量不确实性域来表征，它表示了环境参量落在 b₀附近的一个领域之中，用概率密度函数p(b)表征不确实环境参量的分布。表征了环境参量不确 实性的范围。下面对不确实环境参量作多项式混沌展开随机谱表征。

步骤一：将不确实性环境参量空间表示成随机变量b；

步骤二：将不确实环境参量b分解为确实性部分和随机扰动部分：

b(r，z)＝b₀+δb(r，z)                         (1)