海面噪声垂直相干特性反演地声参数

　　1 引言

　　浅海中的海底声速、密度及衰减系数等地声参数，在声场预报、匹配场定位等应用中十分重要。海底参数的直接获取比较困难，海底钻孔、取样等方法只能得到局部海底特性，费时费力。工程应用中，常用水声反演的方法获取必需的海底参数，包括声传播、混响及噪声反演。利用声传播及混响反演，不仅需要接收阵，还需要专门的发射声源，试验条件和设备要求相对都比较复杂。而海洋环境噪声作为海洋中的固有背景声场，受到海面和海底的限制，会携带海面、海底等环境因素的信息，研究表明[1]：在浅海，噪声场的空间特性强烈依赖于海底的地声属性，可以用来反演海底参数。特别是，噪声场的垂直相干特性比较稳定，随海况变化较小，试验上获取简单，只需要一对垂直布放的水听器，不需要发射声源，具有很好的隐蔽性，有利于军事作战中快速、稳定地获得海底参数。

　　Carbone给出海面噪声场垂直相干函数的简正波表达式[2]，并用其估计了低损失海底的纵波和横波声速，没有对反演结果的可靠性进行统计分析;骆文于利用2001年6月中美联合考察东中国海得到的噪声数据，由噪声宽带垂直相干反演了海底声速、密度和吸收系数[3]，文中指出假设海底吸收系数与频率无关是导致误差的一个原因。李丙辉通过数值模拟，在理想环境条件和存在低频干扰两种情况下，利用噪声场的垂直相干，对海底地声参数进行了反演[4]。

　　本文基于与距离无关的海洋环境噪声模型，分析了声速剖面对噪声场垂直相干函数的影响，给出不同海底情况下的垂直相干函数曲线，为了定量分析海底参数的敏感度，引入敏感度因子。并简单介绍了在中国某浅海区进行的噪声试验。给出噪声反演结果，并与同海区的爆炸声反演结果[5]及典型的地声模型[6]进行比较。引入后验概率密度方法，用统计方法描述了反演算法及反演结果的有效性[7,8]。

　　2 噪声场垂直相干理论

　　假设海洋环境水平分层，并方位对称，海面噪声源满足时空泊松分布，位于海面之下深度为 zs的无限大平面上，如图1所示，垂直排列的两个接收点之间的噪声互谱密度为[2]：

　　其中，G为格林函数，*表示复共轭，zrm和zrn表示第m和第n个接收点的深度(m, n=1, 2)。两接收点的噪声垂直相干(Ctheo)是互谱密度的归一化形式，见式(2)。

　　从式(2)可以看出，垂直相干函数是一个复函数。数值计算结果表明，海底声学参数的变化主要影响垂直相干函数的实部[9]，因此，只考虑其实部，并记为：

　　图2给出了在海深为50m、海底为液态半无限空间(声速1650m/s、密度1.9g/cm³、衰减0.8dB/λ)时，四种不同声速剖面海洋环境下，两接收点深度分别为25m、26m的噪声垂直相干函数。图中垂直相干函数的线型和声速剖面一一对应。以等声速情况为参照，负梯度声速剖面使得声线向下弯曲，加剧了声线和海底的相互作用，从而造成了垂直相干性的降低，而且负梯度越强，垂直相干函数向下弯曲程度越大。但总的来看，声速剖面对垂直相干函数的影响较小，而且对于负梯度声速剖面情况，垂直相干函数的趋势基本一致。