基于垂直灵敏度核函数的浅海尺度海域声层析

【摘要】：海洋声层析是基于声传播多途效应的一种观测物理海洋的方法,常被用于反演大尺度海域的声速剖面、温度、盐度等物理海洋信息。本文分别用射线声学理论和简正波理论对波动方程求解,在距离无关的海洋环境中,建立基于微扰法建立声速扰动和传播时延扰动之间的线性关系。其中,在基于简正波理论的声层析中,本文引入定量描述传播时延扰动的灵敏度核函数。灵敏度核是关于造成传播时延变化的声速扰动的三维空间分布,其推导是基于格林函数的一阶玻恩近似,将声速扰动和时延扰动之间的非线性关系转化为线性。通过绘制灵敏度核函数的图像,我们可以得到一个类似于高频情况下基于射线理论的声能分布图,发现在低频情况下,传播时延敏感于声线周围的菲涅尔区的声速变化,而不是声线本身的声速变化。此外,我们还可以知道存在正声敏性区域,即经过正声敏性区域的声线有正声速扰动,并且到达波峰的传播时延变大。之后,声层析变成了求解观测方程的逆问题,本文采用正则化约束的最小二乘的方法来反演声速扰动,在微扰小尺度浅海环境和有小尺度涡扰动的浅海环境下分别进行仿真,对比垂直灵敏度核函数浅海声层析和射线走时浅海声层析的反演精度,发现在小尺度浅海低频环境下垂直灵敏度核函数的反演精度远高于射线走时方法。最后,本文提出了一种基于浮标的小型海洋声层析仪,设计其数据采集、数据处理以及远距离通信方法,并实验证明了本文提出的基于浮标实时姿态的远距离通信方法的可靠性。