地声反演综述

浅海环境参数尤其是海底地声参数（包括海底的声速、密度、衰减系数和分层特征等）的获取，除采用海底采样、钻孔等方法进行局部测量外，利用声学方法进行海底参数遥感（地声反演），具有成本低、速度快、范围广等优点。

在深海，反演常通过多径传播的到达时间不同来进行，而在浅海，由于声信号与海水边界作用，使得传播变得十分复杂，通过多径到达结构来进行反演己不太合适。比较可行的方法是通过阵列获取声信号在时域、频域、空域的幅度和相位信息，并通过有效的寻优过程，得到与接收数据匹配的环境信息。因此，很多研究者将目光投向了匹配场处理研究。

1973年，Ingenito（1973）进行了模式分离实验，其在浅海中使用垂直阵对简正波模式进行分离和识别，同时利用模式衰减与海底沉积层衰减特性相联系的理论，通过简单的数据拟合确定了海底吸收系数，这是首次将匹配场处理理论应用于海底参数的反演。而利用声场确定海洋声速的海洋声层析概念，首先是由Munk和Wunsch（1979）提出的，他们考察了水声信号到达时间与传播路径声速分布的关系。

进入上世纪80年代以后，反演理论有了快速的发展，各种研究成果和实验结果不断涌现。Rubano（1980）利用不同位置的爆炸声源测量了群速分布、模式形状和传播损失，并通过匹配方法得到了三层海底地声模型的参数。Zhou （1985）采用与Rubano类似的实验情况，通过群速分布特性和简正波测量结果（80-120Hz）得到了远黄海局部海域的地声参数。Rajan等（1987）和Lynch（1991）采用群速度分布曲线来反演海底地声属性，并采用线性扰动反演技术比较了窄带和宽带（20-120Hz）反演结果。Tolsoty等（1991）利用模拟数据，考虑全三维海洋变化性，提出并设计了一种海洋声层析的新方法，即沿感兴趣的海洋体积周围从飞机上投放爆炸物（低频宽带声源），用傅里叶分量与波动方程的解相匹配进行反演。Diachok等（1995）将宽带全场反演的其它方法和实验处理结果收集在关于海洋环境参数反演的专著中。Gerstoft等（1996）采用多频数据和线性匹配场处理器对意大利Elba岛北部海域环境参数进行了反演。Hermand等（1996）进行了地中海西部海域的宽带匹配场反演，他利用同时发射的7个单频信号（200-800Hz），对水平变化的浅海环境进行了反演，得到了十分稳健的结果，与底质测量基本一致。Potty等（2000）利用不同频率不同模式的到达时间不同的

原理，对新英格兰跨大陆架海域进行了水平不变和水平变化的环境参数反演。Holland等（2000）采用时频域技术对Capraia海盆进行了反演。Holland（2003）和Dettmer（2007）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。

与此同时，还出现了若干种宽带匹配场被动定位的处理方法和一些实验结果。Baggeorer（1988；1993）发现对多个单频匹配场处理结果进行非相干的平均可以减少定位的模糊度。Westwood（1992）研究了不同的宽带处理方法，建立了各种在频域、空域相干与非相干的匹配场处理目标函数，并比较了定位性能。Birenzo等（1993）利用宽带方法成功地进行了爆炸声源的定位。Yang（1993）研究了在时频域的相干与非相干匹配模式处理方法。

国内在利用匹配场反演环境参数也做了很多研究。1996年，中美黄海实验中进行了匹配场反演实验，与实验中测量声场的衰减比较，测定了海底参数。哈尔滨工程大学水声研究所积极展开了匹配场声源定位和声速剖面反演方面的研究，并完成了海洋环境参数反演的海上实验（黄益旺，2002; 唐俊峰, 2003）；2001年西北工业大学与哈尔滨工程大学水声研究所等在东中国海的中美联合考察实验中，利用爆炸声做声源，用匹配波束处理方法反演浅海声速剖面，取得了显著的成果（杨坤德, 2003）。中科院声学所张仁和领导的研究小组和西北工业大学声学工程研究所等单位在浅海声源定位和声速剖面、沉积层参数反演等方面进行了深入的研究，取得了许多成果（李整林等, 2002；李风华等, 2000；李整林等, 2002；张仁和等, 1999；肖灵等, 2001；张仁和, 1996）。杨坤德等（2003）根据亚洲海实验（ASIAEX 2001）数据用采宽带匹配场反演方法对该浅海域环境参数进行了反演，宽带匹配场反演的好处是可以利用更多的声场传播信息，得到的反演结果更为准确。孟春霞等（2007）给出了目前比较有效的同时也是国际上海底声学参数反演的一些较新的方法。杨坤德等（2009）提出了一种基于海底反射信号的地声参数高分辨反演方法，其利用短距离声源在不同深度上发射宽带线性调频信号，采用垂直阵进行接收，首先通过匹配滤波方法提取多径到达信息，然后利用海底反射损失曲线，反演海底表层的声速和密度，最后利用浅底层反射信号估计沉积层参数。

海底声学参数反演作为一个典型的全局优化问题，使用全局搜索方法来寻找

实际测量声场和基于我们感兴趣的海底参数模型所计算声场最一致时输入的那些地声参数。一般要反演的参数的维数都比较大，所以各种各样的搜索算法如模拟退火（Collins et al, 1992; Lindsay et al, 1993），遗传算法（Gerstoft, 1994; 张学磊等, 2015），混合算法（Gerstoft, 1995; Fallat et al, 1999; ）被广泛的应用于各种水声环境下的地声参数反演中并且取得了可以让人接受的结果（Chapman et al, 1993; Tolstoy, 1996; Gerstoft et al, 1998）。

参考文献

Baggeroer A B, Kuperman W A, Mikhalevsky P N, 1993. An overview of matehed field methods in ocean acoustics. IEEE J. Oceanic. Eng., 18(3): 401-424

Baggeroer A B, Kuperman W A, Schmit H, 1988. Matched field proeessing: Source localization in correlated noise as an optimum parameter estimation problem. J. Acoust. Soc. Am., 83(2): 571-587

Brienzo R K, Hodgkiss W S, 1993. Boradband matched field processing. J. Acoust. Soc. Am., 94(5): 2821-2831

Chapman N R, Chin-Bing S, King D, et al, 2003. Inversion techniques workshop: Range dependent test case. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 28: 320-330

Collins M D, Kuperman N A, and Schmidt H, 1992. Nonlinear inversion for bottom properties. Journal of the Acoustical Society of America, 92: 2770-2883

Dettmer J, Dosso S E, Holland C W, 2007. Full wave-field reflection coefficient inversion. The Journal of the Acoustical Society of America 122: 3327

Diachok O et al, 1995. Full field inversion method in ocean and seismo- acoustics. Amsterdam, the Netherlands: Kluwer Academic

Fallat M R, Dosso S E, 1999. Geoacoustic inversion via local, global and hybrid algorithms. Journal of the Acoustical Society of America, 105: 3219-3230

Gerstoft P, 1994. Inversion of siemo-acousitic data using algorithms and a posteriori probability distributions. Journal of the Acoustical Society of America, 95: 770-782

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Gerstoft P, Gingras D F, 1996. Parameter estimation using multifrequency range-