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基于长短期记忆网络与射线声学的浅海声速剖面反演方法

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声学学报 2025年第01期 12-22页

作者：吴隆昊刘松吴照志潘才能袁飞水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室(厦门大学)

针对水声多途信道环境下的水下声速剖面反演问题,将深度学习与射线声学理论结合,提出了一种基于长短期记忆网络(LSTM)的反演方法。该方法根据有序线阵等距的特点,将到达时间差、到达角度等多模态数据融合组成的感知矩阵作为输入,利用LST... 详细信息

针对水声多途信道环境下的水下声速剖面反演问题,将深度学习与射线声学理论结合,提出了一种基于长短期记忆网络(LSTM)的反演方法。该方法根据有序线阵等距的特点,将到达时间差、到达角度等多模态数据融合组成的感知矩阵作为输入,利用LSTM网络处理时序数据的能力挖掘空间上有序分布的接收阵元之间的关联信息,从而实现声速剖面反演。在此基础上,还提出了基于互相关函数的硬阈值估计方法,通过降低感知矩阵的测量误差提高模型的抗多途性能。通过数值仿真验证了该反演方法的可行性和准确性,与传统优化算法相比,所提算法能够更好地捕捉声速剖面的非线性特征,具有更高的反演精度和较强的抗噪能力。

关键词：声速剖面长短期记忆网络水声多途信道时延估计

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声速剖面的分层经验正交函数表示

西北工业大学学报 2000年第1期18卷 90-93页

作者：沈远海马远良屠庆平西北工业大学航海工程学院陕西西安710072

利用不同深度声速剖面的变化特性 ,提出了经验正交函数的分层表示方法 ,利用实测的数据进行了验证。结果表明 ,经验正交函数的分层表示方法是可行的。

关键词：声速剖面经验正交函数水声学分层表示方法

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声速剖面对深海远程声脉冲结构的影响

声学学报 2023年第4期48卷 774-784页

作者：吴双林秦继兴李整林吴禹沈张仁和中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100190 中山大学海洋工程与技术学院珠海519000 南方海洋科学与工程广东省实验室珠海519082

利用东印度洋和南海海域进行的深海远程声传播实验数据,比较分析了声道轴附近深度发射的声信号在两个海域不同声速剖面结构下的远程传播损失和脉冲时间到达结构。通过对比观测发现,两海域的深海声传播损失特性存在一定的差异,声脉冲时... 详细信息

利用东印度洋和南海海域进行的深海远程声传播实验数据,比较分析了声道轴附近深度发射的声信号在两个海域不同声速剖面结构下的远程传播损失和脉冲时间到达结构。通过对比观测发现,两海域的深海声传播损失特性存在一定的差异,声脉冲时间到达结构差异性显著。首先,在东印度洋实验中观测到潜标垂直阵同一接收距离上,靠近声道轴传播的声能量较大,且声道轴附近声速较小但沿其传播的声信号却最先到达,而偏离声道轴传播的声信号延后到达,在整个接收深度上呈现出声道轴附近接收波形早于其他深度到达的分支结构,这与南海典型深海环境下的脉冲时间到达结构存在显著差异。其次,结合深海声道的参数化数学模型,分析了声速剖面对远程脉冲传播时间到达结构的影响机理,并理论解释了两个海域实验中观测到的脉冲声信号时间到达结构现象,其形成原因在于深海声道中决定声速剖面结构的声道轴系列参数的差异。该研究结果对通信声呐在不同海域深海远程环境下的应用具有一定的参考意义。

关键词：远程声传播深海声道声速剖面脉冲时间到达结构

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声速剖面精简运算的改进D-P算法及其评估

测绘学报 2014年第7期43卷 681-689页

作者：赵荻能吴自银周洁琼李家彪李守军尚继宏国家海洋局第二海洋研究所浙江杭州310012 国家海洋局海底科学重点实验室浙江杭州310012

声速剖面(SVP)在多波束测深中不可或缺。为解决原始测量的声速剖面数据量大而影响工作效率的问题,本文进行了声速剖面的精简与优化研究。提出一种适用声速剖面数据精简运算的改进DP算法(MOV方法),通过射线追踪法和误差百分比分析法评估... 详细信息

声速剖面(SVP)在多波束测深中不可或缺。为解决原始测量的声速剖面数据量大而影响工作效率的问题,本文进行了声速剖面的精简与优化研究。提出一种适用声速剖面数据精简运算的改进DP算法(MOV方法),通过射线追踪法和误差百分比分析法评估精简前后的声速剖面对测深精度的影响,并利用实测声速剖面数据对该算法进行了验证。结果表明,通过优选算法阈值,声速剖面数据的简化率在90%以上,可控制水深标准差百分比在0.1%以内,优化后的声速剖面可大幅提升多波束勘测与数据处理工作效率,具有重要的工程实际应用价值。

关键词： D-P算法声速剖面优化误差百分比分析法

一种基于内潮动力特征的浅海声速剖面构建新方法

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物理学报 2019年第12期68卷 136-146页

作者：屈科朴胜春朱凤芹哈尔滨工程大学水声技术重点实验室哈尔滨150001 海洋信息获取与安全工信部重点实验室(哈尔滨工程大学) 工业和信息化部哈尔滨150001 哈尔滨工程大学水声工程学院哈尔滨150001 广东海洋大学广东省近海海洋变化与灾害预警重点实验室湛江524088

为了降低反演参数空间的维数,常利用正交经验函数(EOF)来构建声速剖面.然而,EOF方法的样本依赖性使之难以用于缺乏现场实测数据的海域.本文提出一种全新的利用历史数据而不依靠现场实时数据即可获得的声速剖面展开基函数.基于水质子流... 详细信息

为了降低反演参数空间的维数,常利用正交经验函数(EOF)来构建声速剖面.然而,EOF方法的样本依赖性使之难以用于缺乏现场实测数据的海域.本文提出一种全新的利用历史数据而不依靠现场实时数据即可获得的声速剖面展开基函数.基于水质子流体静力方程和物态方程,推导了在缺乏实时测量的情况下从历史数据获得水动力模式基函数(HMB)的办法.利用WOA13季节平均温盐数据获得代表内潮动力特征的HMB进行分析.较之EOF, HMB及其对应的投影系数与海洋动力特征直接相关并具有明确的物理含义.基于东中国海实验获得的CTD (conductance-temperature-depth)及宽带爆炸声源声信号数据,利用声速剖面重构以及匹配场声层析对HMB进行了分析,并与EOF进行对比研究.结果表明:HMB可以以较好的精度构建浅海声速剖面.在对现场实时测量依赖更小的情况下,基于HMB方法的声场预报及声层析结果与EOF方法一样好.HMB的获取更简单且直接关联海水的物理特性,该方法可在实时测量样本不足的海域有效替代EOF进行海洋动力现象的声学监测.

关键词：声速剖面声层析水动力模式基函数反演

顾及面积差的层内等效二段线替代法优化声速剖面

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测绘学报 2023年第12期52卷 2028-2038页

作者：肖元弼彭认灿董箭马政伟刘聚海军大连舰艇学院作战软件与仿真研究所辽宁大连116018 海军大连舰艇学院战术学博士后科研流动站辽宁大连116018 海军大连舰艇学院军事海洋与测绘系辽宁大连116018 91388部队广东湛江524000

声速剖面是多波束测深系统中至关重要的参数,针对声速剖面简化层内精度不高的问题,本文提出一种顾及层间面积差的声速剖面自适应分层优化方法——层内等效二段线替代法。基于声速最大偏移量方法,构建了一种优化替代声速剖面的最优层内... 详细信息

声速剖面是多波束测深系统中至关重要的参数,针对声速剖面简化层内精度不高的问题,本文提出一种顾及层间面积差的声速剖面自适应分层优化方法——层内等效二段线替代法。基于声速最大偏移量方法,构建了一种优化替代声速剖面的最优层内等效二段线计算模型,并利用实测多波束测深数据对该算法进行了验证。通过实例分析发现该方法在多处地形起伏较大的区域,还原效果更好,更有效地保留了声速剖面特征点。统计结果表明,该方法可将整体水深数据和层间水深数据的标准差百分比控制在1%以内,在声速剖面等效面积差较大的深度,其计算的水深值更加接近原始声速剖面的计算结果。该方法可对复杂多层海水声速进行精确简化,在起伏较大的特殊海底地形的高精度测量中具有重要工程应用价值。

关键词：声速剖面多波束测深数据声速剖面简化层内等效二段线替代法等效面积差

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一种声速剖面展开的正交基函数获取方法

声学学报 2014年第1期39卷 11-18页

作者：宋文华胡涛郭圣明马力鹿力成中国科学院水声环境特性重点实验室北京100190 中国科学院声学研究所北京100190 中国科学院大学北京100049

为了评估经验正交函数(Empirical Orthogonal Functions)在声速剖面的声学反演应用中的可靠性和适用性,降低声速剖面基函数的获取对样本数据的依赖性,提出了一种声速剖面展开的正交基函数的获取方法.该方法通过分析引起声速剖面变化的... 详细信息

为了评估经验正交函数(Empirical Orthogonal Functions)在声速剖面的声学反演应用中的可靠性和适用性,降低声速剖面基函数的获取对样本数据的依赖性,提出了一种声速剖面展开的正交基函数的获取方法.该方法通过分析引起声速剖面变化的海洋动力学过程,利用动力学方程求解得到的水动力简正波(Hydrodynamic Normal Modes)来给出声速剖面展开的基函数.HNMs方法获得的声速剖面正交基函数与EOFs方法的结果非常吻合,且对样本数据的依赖性小。HNMs方法物理意义清晰,能够给出决定声速剖面正交基函数的物理参数,使评估经验正交函数的准确性和适用性成为可能。

关键词：正交基函数声速剖面获取方法经验正交函数动力学过程 Normal 样本数据 s方法

基于声场模信号特征和多项式拟合的声速剖面反演技术研究

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兵工学报 2019年第11期40卷 2283-2295页

作者：刘福臣姬托张巧力声纳技术重点实验室浙江杭州310023 杭州应用声学研究所浙江杭州310023

针对未知环境下利用经验正交函数表示声速剖面的局限性,提出了一种基于多项式拟合和模信号相结合的声速剖面反演方法。介绍了模信号的概念和深海分布特性,通过理论分析和仿真分析,证明低阶多项式拟合可用于深海声速剖面的表征,并提出采... 详细信息

针对未知环境下利用经验正交函数表示声速剖面的局限性,提出了一种基于多项式拟合和模信号相结合的声速剖面反演方法。介绍了模信号的概念和深海分布特性,通过理论分析和仿真分析,证明低阶多项式拟合可用于深海声速剖面的表征,并提出采用5阶多项式拟合以实现对2000 m以浅的声速剖面较精确的表征。在反演处理流程中,利用不同参数的多项式拟合计算获得拷贝模信号,利用脉冲声信号获得数据模信号,并通过遗传算法进行参数寻优。以典型Munk剖面为例仿真分析基于垂直阵、单水听器、非海面海底反射(SRBR)信号的反演性能,单水听器的声速剖面反演与垂直阵性能接近,并提出基于非SRBR模信号反演可以提升在海底参数未知条件下反演的技术思路。利用4000 m海深的单水听器接收的脉冲信号(距离180 km,接收与发射深度均为100 m)进行方法性能验证,结果表明,共轭深度以下(100~2000 m)的声速剖面反演误差小于0.2 m/s.

关键词：单水听器声场模信号声速剖面匹配场遗传算法多项式拟合

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微扰法声速剖面反演改进算法

哈尔滨工程大学学报 2017年第3期38卷 371-377页

作者：郑广赢黄益旺哈尔滨工程大学水声技术重点实验室黑龙江哈尔滨150001 哈尔滨工程大学水声工程学院黑龙江哈尔滨150001

为了降低传播时间测量误差对微扰法声速剖面反演精度的影响,本文提出了一种基于微扰法的声速剖面反演改进算法。该算法通过调整平均声速剖面以增大声速扰动量,进而增大声速扰动所引起声线传播时间的扰动量,降低了测时误差对反演算法的影... 详细信息

为了降低传播时间测量误差对微扰法声速剖面反演精度的影响,本文提出了一种基于微扰法的声速剖面反演改进算法。该算法通过调整平均声速剖面以增大声速扰动量,进而增大声速扰动所引起声线传播时间的扰动量,降低了测时误差对反演算法的影响,提高了反演算法对声速扰动的敏感性。数值算例表明,相同条件下传统微扰法反演的声速剖面的最大误差为1.478 m/s,而改进算法的最大误差降低至0.403 m/s,验证了改进算法可以有效降低传播时间测量误差对声速剖面反演结果的影响,比微扰法的反演精度更高。

关键词：声速剖面微扰法反演经验正交函数(EOF) 声线传播时间测时误差