基于非线性贝叶斯理论的单矢量水听器地声参数反演研究

摘要

随着中国对海洋领域重视程度的不断提升，认识、了解海洋环境变得尤为紧迫。海底的声速、密度、吸收系数等声学参数对水声信号的传播有着重要影响，因此海底信息的获取——声学反演技术研究已成为水声研究中的重要课题之一。随着水声研究低频、甚低频的趋势化发展，声传播问题的解析和验证往往需要更深层的海底参数信息，开展深层海底声学物理特性信息声学反演技术研究愈发迫切。因此，本文基于甚低频矢量水听器获取的声压和垂直振速蕴含的垂直波阻抗信息，利用非线性贝叶斯理论开展深层海底参数反演研究，并结合海试数据获取了某海域的海底参数信息。
　　首先，研究了一种全局优化算法——自适应单纯形模拟退火算法(ASSA)，该方法结合了模拟退火算法和下山单纯形算法的优势，适合作为海底地声参数反演的寻优算法。研究了浅海声矢量场的波阻抗特性，相比于水平波阻抗，垂直波阻抗携带了更多的海底参数信息，适宜作为地声参数反演的观测量。开发了声场并行计算程序用于声场的快速计算，并构造了多层海底情形的9参数反演场景，数值仿真验证ASSA算法具有良好的全局寻优能力，可以满足海底地声参数反演的实际需求。
　　其次，研究了非线性贝叶斯反演理论，在此基础上研究了马尔科夫蒙特卡洛方法，包括拒绝抽样法、Metropolis算法、渐变马尔科夫蒙特卡洛法，自适应退火Metropolis算法，并数值仿真验证了自适应退火Metropolis算法对于高维概率密度函数的随机样本产生能力和质量。基于同样的多层海底情形的9参数反演场景，将自适应退火Metropolis算法用于海底参数反演中，得到了海底参数的最大后验估计，分析了反演参数之间的相互关系，分析反演结果的不确定性。
　　最后，利用外场试验矢量数据开展了基于非线性贝叶斯理论的海底参数反演，得到了某海域的实际海底参数，并分析了反演参数间的相互关系和最大后验概率估计的不确定性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1立题背景

1．2海底地声参数反演研究现状

1．2．1基于声压信号的反演研究进展

1．2．2基于声压信号和振速信号联合的地声参数反演研究进展

1．2．3基于贝叶斯理论的地声参数反演研究进展

1．3论文研究内容安排

第2章自适应单纯形模拟退火优化算法

2．1引言

2．2自适应单纯形模拟退火算法理论

2．2．1模拟退火算法

2．2．2下山单纯形算法

2．2．3白适应单纯形模拟退火算法

2．3基于矢量声场垂直波阻抗信息的ASSA算法数值仿真

2．3．1矢量声场中垂直波阻抗

2．3．2声场的并行计算

2．3．3数值仿真结果及分析

2．4本章小结

第3章非线性贝叶斯海底参数反演方法

3．1引言

3．2贝叶斯反演理论

3．2．1贝叶斯反演

3．2．2数据误差协方差矩阵的估计

3．2．3模型选择

3．3马尔科夫蒙特卡洛方法

3．3．1马尔科夫链

3．3．2马尔科夫蒙特卡洛方法

3．4自适应退火Metropolis算法

3．5自适应退火Metropolis算法用于地声参数反演的数值仿真

3．5．1自适应退火Metropolis算法的最大后验估计及其不确定性分析

3．5．2反演参数间相互关系分析

3．6本章小结

第4章基于贝叶斯理论的单矢量水听器地声参数反演

4．1引言

4．2海试条件

4．3海底参数反演结果与分析

4．3．1基于BIC原则的模型选择

4．3．2基于贝叶斯理论的反演结果及分析验证

4．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢