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目录1背景和研究意义当前，世界各军事强国将制海权放在相当重要的位置，他们投入了大量的人力物力财力研究海洋环境信息的获取方法，以充分保证其政治、经济和军事利益。而且，大约70%的地球表面被海洋覆盖。声波可以行驶穿越海洋的距离超过数百公里。因为它的相对易于传播，水下声音已被应用于各种用途的海洋的使用与探索[1]，如声场预报、声纳作用距离估算及目标定位等。因此，通过对海底沉积物的各种实验、观测手段，开展现场调查和实验、理论研究，建立起在不同区域适用的海底地声学模型，并确定海底沉积物声学参数和力学参数以及其他物理参数之间的内在关系，从而实现用声学方法对海底沉积物的地质构造及地质属性进行测绘和分类识别具有重大意义。其中，由于海底的作用，浅海声场相比深海声场更加复杂，海底中的各类声学参数，如密度、声速与衰减等变化都将改变上层流体中声场的分布[2]，进而影响到水下声音的应用，所以研究海底参数是十分必要的。而我国的大部分海域为浅海，所以研究浅海声场参数具有重要的战略意义。传统的海底表层参数测量方法多为采用海底采样实验室分析或将高频声学测量设备插入海底直接测量海底声速、衰减系数的原位测量方法。但是，一般情况下这两种方法获得的海底声学参数只能是局地的，而且起伏较大，不易确定沉积层的厚度，[3]并且要耗费大量的人力和物力，而且采集到的样品由于脱离了原生态的海底，它的压力、温度等物理力学等参数会发生变化。另一类常用的海底声学参数获取方法为地声反演，反演即是根据假设的模型，从测量得到的声场分布情况反推海底分层介质的特征。[4]通常是利用一艘船发射声信号、另一艘船吊放接收阵接收声信号的双船实验，或一艘船发射、浮潜标接收的方式实验，两者距离数公里到数十公里，通过比对理论计算与实验测量的声场传播损失、简正波模态、垂直阵或水平阵声场空间结构、混响信号、脉冲波形等方法确定海底声学参数[3]。反演获取的海底参数可以反映大距离尺度上的海底特征，是一个方便、经济、高效的途径[5]。一般而言，目前的反演办法多是多维反演，即反演出与地声模型相对应的一组多个海底参数。多维反演虽然能准确获得海底声参数，但也面临一些问题，例如它针对多个待反演参数的敏感度不同，对特定声信号影响微弱的参数容易被海洋中的不确定性所掩盖，针对这一问题国外提出了选取不同代价函数的解决办法，而国内学者提出了多种方法反演不同参数的联合反演思路，较好地解决了这一问题。除此以外，多维反演因为待求未知数多，自然需要更多求解条件，另外还会遇到海上待测物理量多且复杂以及反演声信号处理复杂等问题。当反演的目的为快捷地获得海底性质时，最大限度减少需要的参数数量是一种可行的思路。国外对于单个参数表示海底性质较早进行了研究，但是设计的反演方法报道较少。6目前反演方法主要有以下几种：匹配场法，垂直阵或水平阵声场法，空间结构法，环境噪声法，混响信号法，海底反射法，传播损失与波形匹配反演法，脉冲波形法，神经网络法，浅底层剖面声纳反演法，分步联合反演法。其中，匹配场处理方法发展最快，它得益于最大限度地利用水声信道模型等技术优势，成为了快速低成本获取局部海域环境参数的有效方法[7]7，已经取得了一系列具有实用价值的结果；而利用环境噪声反演地声参数，由于其不需要发射声源，易于实施等优点受到人们的青睐。[8]8地声参数的声学反演一般包括(1)环境和可观测数据的表征(2)前向模型(3)优化算法(4)反演结果的不确定性分析等环节。其中，优化算法是决定反演速度和精度的关键环节之一，也是近20年来水声学领域的研究热点之一。现有优化算法中以全局搜索算法应用最广，如模拟退火算法、遗传算法等。利用全局搜索算法可以获得某种目标函数极值意义下的最优解，但在实际应用中往往需要对海量数据进行分批分时处理，此时对每组数据(不同时刻或不同地点采集)应用全局搜索算法都需要重新搜索一次目标函数极值，并且在搜索过程中需要反复调用前向模型计算拷贝场，因此运算量很大、计算时间很长，难以满足工程上的实时反演要求。为解决海量数据处理的实时性问题，一些研究人员提出了基于BP，RBF神经网络的地声参数反演方法，通过对一个基于前向模型产生的拷贝场样本集的训练学习来近似估计地声参数反演算子。原则上，只要水听器阵列参数配置一定，在分批分时处理数据时仅需估计一次反演算子，此后直接把各组数据代入该反演算子计算即可，不必再调用前向模型重新估计，因此比全局搜索算法在计算速度方面具有更大的优势。但是，此类方法存在反演精度较低的不足，主要有两方面原因：(1)反演中仅利用了实测声场的幅度，而没有用到相位信息，对观测信息的利用不充分;(2)现有方法是在整个映射空间内对反演算子的全局最优近似，结果具有整体平滑性，忽略了反演算子精细、复杂的局域结构特征，从而导致部分地损失了反演精度。[9]9随着数字技术的发展以及科学家对现有反演精度的更高的追求，海底环境的复杂性使现有的标准数学算法和水声学专业知识的局限性得以展现，科学家开始寻求跨领域的分析反演方法——比如柔性计算技术（专家系统、人工智能、神经网络、模糊逻辑、基因算法、概率推算和平行处理技术）。柔性计算技术可以近似演算复杂的非线性方程，也能很好的适应环境的不确定性、不精确性和条件不全性。因而比传统算法（拟合函数）更加强大、高效、成本低廉。[10]10地声反演是浅海声学中最具挑战的课题之一，它之所以受到持续的重视至少有以下几个原因：（1）海底参数很难直接测量，而这些参数对浅海声传播有重要影响。（2）海底衰减随频率的变化规律是目前比较有争议的问题，需要更多的实验数据来进行分析研究。（3）现有的很多反演方法应用于数值模拟时取得很好结果，但用于处理实验数据时却不很成功，尤其是对较高频率的实验数据。（4）现有研究大多集中在浅海海底参数，而随着人类对深海的深入探索，深海的参数反演需要更多的研究。正是基于上面的原因使得地声反演技术近年来成为研究热点。本文从海洋声场的声学预报模型和搜索控制策略两个方面来探讨反演方法。文献[39]11指出声学预报模型的两种模式分别基于声学理论和统计理论，所以本文讨论将从这两方面讨论声学预报模型的建立方法。2基于声学理论的反演方法基于现有的声学理论，如简正波和射线声学理论来推导反演式。它有以下特点：1、不确定性，由于理论公式涉及参数多，而且许多参数需要测量或者是根据经验进行选择，这样很难应用推导出的反演式，甚至有无实数解的现象；2、普适性差，由于应用理论公式时需进行简化，适用限制性大，并且有误差传递等因素，影响了反演式的普适性。2.1环境噪声法文献[10]提出一种根据表面噪声矢量场空间相关函数进行海底参数反演的方法。与传统的基于声传播模型的匹配场反演方法相比，所提方法可利用的信息更加丰富，而且水下系统配置简单，无需声源，隐蔽性好，具有一定的军事应用前景。建立了如下的目标函数：仿真研究结果表明：应用表面噪声矢量场空间相关性的海底声学遥测方法在没有取样器数据以及上层沉积物均匀时是十分有价值的，而尽可能多地考虑不同的组合方式时可以得到更为理想的反演结果。但仿真过程的假设条件还比较简单，与实际的复杂海洋环境存在一定的差别，在实际应用中还需考虑各向同性体积噪声背景干扰、海水中声速剖面和海底分层等因素的影响，这些将在今后的实验研究阶段作进一步地分析。由于浅海环境噪声垂指指向性和海底地声参数密切相关，文献[2012，2113]利用它来反演海底参数。在水平分层介质噪声场垂直指向性简正波模型下，讨论了海底参数对噪声垂直指向性的敏感度，并假设半无限大液态海底，采用效率较高的自适应单纯形模拟退火算法全局寻优。鉴于单频反演声速和密度在不同频率的反演结果不够一致，文中提出多频海底参数联合反演方法，提高了反演海底声学参数的精度。利用海洋环境噪声垂直指向性反演海底参数，与传统的声传播反演相比，不需要专门的发射声源，设备简便，花费少，但取得的反演结果精度相近，具有一定的优势。2.2混响信号法混响信号法是利用浅海混响数据反演海底参数和海底散射常数。混响形成过程中声波多次与海底发生相互作用，因此海底参数之间以及它们与海底散射常数之间的耦合非常严重，未知参数之间的耦合使得常规地声反演方法很难获得海底参数。（1）过程文献[42]首先利用相对混响强度消除了混响数据中的海底散射常数项，然后利用Hamilton地声模型，分别将海底声速、密度和衰减系数表示成孔隙率的函数，采用自适应下山模拟退火混合反演算法，对单个未知数(孔隙率)进行反演，最后再分别获得海底参数和海底反向散射常数。理论分析和数值模拟表明，该方法可以快速准确获得海底参数，同时具有很好的抗噪声干扰能力。文献[42]采用的浅海混响模型所涉及的环境模型如图1所示，为了简单起见，这里考虑液态半无限海底的波导。海水底层的声速和密度分别为𝑐0和𝜌0，海底平均深度为H，海水海底之间的粗糙界面认为是随机扰动量，用η表示，有η=0。在液态海底半空间里，海底声速和密度分别𝑐𝑏和𝜌𝑏，海底衰减系数为α．图1中，𝑅0表示源点，R表示声场中任意一点，𝑅1表示散射点。海底反向散射常数为常数，利用相对混响强度来消除参数。假定混响参考时间为0，则相对混响强度为：G(t，0)=I(t)/I(0)。利用测量数据和理论数据的均方差作为混响反演的目标函数：利用自适应下山模拟退火混合方法进行孔隙率的快速反演。反演出孔隙率之后利用一下三式可计算出海底的密度、声速和衰减系数海底密度拟合公式纵波声速拟合公式海底衰减拟合公式最后将海底参数代入下式获得海底反向散射常数：（2）优劣关于海底参数频率关系的争论已经持续几十年了，Biot地声模型认为海底衰减、海底声速和频率之间存在着非线性的关系，Hamilton地声模型则认为海底衰减和频率之间有着简单的线性关系，其他参数和频率无关。因为缺少大量有效的测量数据，这一争论至今还没有令人满意的结果。仅考虑了一个水听器接收混响的反演问题，该方法很容易推广到垂直阵接收混响数据的反演问题上，由于垂直阵的混响信息量比单个水听器接收混响的信息量大，因此可以预测垂直阵混响反演的效果会比单个水听器反演的效果好。2.3海底反射法考虑到海底反射系数相位准确测量的复杂性，以及水中声场对海底介质衰减系数的不敏感性，将海底视为弹性沉积层覆盖弹性半无限基底的弹性分层模型，忽略海底声吸收衰减，用海底反射损失进行海底参数反演。反演参数通常包括沉积层密度、纵波速度、横波速度、厚度及基底的密度、纵波速度、横波速度共7个参数。在某些海域，若海底不存在明显的分层，或分层厚度太小不能分离浅底层反射信号，则可利用海底反射损失估计出海底表层的声速、密度和分层结构。文献[23]14反映了介观（mesoscopicscales）内的强烈波动如何解释自仿射粗糙海底表面的粗糙参数反向散射波反演。首先建立了反向散射场模型，基于Helmholyz-Kirchhoff衍射方程，得到如下声场算法：之后采用贝叶斯反演得到：其中，△h0为振幅，H为Hurst指数，均为海底粗糙度参数。反演结果表明：Hurst指数H反演精度高，振幅△h0反演误差大。所以此方法仅适用于反演Hurst指数。此方法可用于反应地表的粗糙度特性，进而可以用来研究这些自然分界面的成因和变化。不同研究在不同方面都做出了优化。1、参数方面，文献[27]15考虑了沉积层中微弱的横波影响，反演的参数更加全面。提出了依据沉积层厚度可能的变化范围选取反演所需的声信号频率的方法，并采用迭代反演方法，依此可准确地反演沉积层厚度、纵波参数和横波参数等参数。这种反演要注意所需要声波频率的选择，频率f1，f2分别为反射系数幅值仅涵盖横波信息和纵波信息的极限频率，反演时小于f1会缺失纵波信息，大于f2会缺失横波信息。因此反演时频率建议在f1和f2之间选取。2、精度方面，普通的基于海底反射损失的反演方法，相对于匹配场反演，可以较高分辨地反演局部海底的分层厚度、密度和声速，但对海底衰减系数不敏感。有些方法采用拖曳声源和固定的接收点，通过提取海底反射损失曲线来反演海底参数，可以较好地估计海底表层的声速和密度，但其缺点是声源拖曳在