﻿ 浅海地声学模型缩比试验验证研究
 舰船科学技术  2023, Vol. 45 Issue (12): 112-117    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7619.2023.12.021 PDF

1. 西北工业大学 航海学院，陕西 西安 710072;
2. 中国船舶集团有限公司第七〇五研究所，陕西 西安 710077

Research on scale test of geo-acoustic model for shallow water
ZHAO Gang1,2, SUN Nai-wei2, Ni Wen-xi2, SHEN Shen2
1. School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China;
2. The 705 Research Institute of CSSC, Xi'an 710077, China
Abstract: In view of the practical underwater form uneven and sedimentary structure differences of different regional sea surface characteristics, the three layers of underwater acoustic model is established based on underwater acoustic model. under the condition of laboratory a scaled field simulation environment of the layered structure for shallow water is constructed. With the test result of acoustic test sample data, based on the matching technology, the QPSO global optimization algorithm is used to realize optimal inversion of seabed acoustic parameters of different layered structures, which verifies the correctness and credibility of the seabed acoustic model.
Key words: geo-acoustic model     scaled field     seabed acoustic parameters     optimal inversion
0 引　言

1 3层海底地声模型构建

 图 1 平面波入射3层海底时入射、反射、透射示意图 Fig. 1 Schematic diagram of incidence, reflection and transmission of plane wave incident on three-layer seabed

1）第1层反射和透射

2）第2层下行反射和透射

 $\sin \theta_{p 2}=\sqrt{1-a_{e f f 2}^{2} \cos ^{2} \theta_{w 2}} 。$ (1)

 $V_{ww 2}=V_{w p 1} \times\left(z_{w p 2}-1\right)\left(z_{w p 2}+1\right)，$ (2)

 $V_{w p 2}=2 \times V_{w p l} \times z_{u p 2} \times\left(z_{w p 2}-1\right)\left(z_{w p 2}+1\right) 。$ (3)

3）第2层上行透射

 $\sin \theta_{p 21}=\sqrt{1-a_{p 21}^{2} \cos ^{2} \theta_{w 21}}。$ (4)

 $\begin{split} V_{wp 21}= & -\left(V_{w w 2}-V_{ww 21}\right) \times a_{p 21} \times\\ & \cos 2 \theta_{t2 1} \times \sin \theta_{w 21} / \sin \theta_{p 21}。\end{split}$ (5)

4）第3层下行反射

 $V_{w w 3}=V_{w p 2} \times\left(z_{w p 3}-1\right) /\left(z_{w p 3}+1\right)。$ (6)

5）第3层上行至第2层透射

 $V_{w p 32}=2 \times V_{w w 3} \times z_{w p 32} /\left(z_{w p 32}+1\right) 。$ (7)

6）第3层上行至第2层后再上行至第1层透射

 $V_{w p 32}=2 \times V_{w w 3} \times z_{w p 32} /\left(z_{w p 32}+1\right)。$ (8)
2 缩比试验环境构建

 图 2 理论波前与实际波前夹角示意 Fig. 2 Angle between theoretical and actual wavefront
3 3层地声模型验证试验

3.1 试验条件

1）水箱底部铺设2～3 cm直径石子，厚度为6 cm，石子上铺设细泥砂厚度为10 cm，细泥砂上铺设黏土厚度为3 cm，水箱侧壁安装高频消声尖劈；

2）信号源设置信号频率为80 kHz单频，峰峰幅值为3Vpp，burst长度为3个周期，间隔为100 ms；

3）水听器供电电源为12VDC；

4）QPSO算法反演参数设置为一次反演最大迭代次数50次、最大反演参数个数4个、粒子种群最大粒子数量50个、最大可接受反演误差 $1 \times {10^{ - 4}}$ 、最大反演次数10。

3.2 试验步骤

1）设定发射换能器掠射角为0°，调整接收水听器角度至示波器观察幅值最大点，采集数据并记录时延信息，读取信号幅值最大值，作为直达波参考量；

2）两支架间隔120 cm，根据发射换能器掠射角度（25°、30°、35°），按试验数据记录（3层泥—砂—石）预计算结果，调整发射换能器角度及接收水听器角度，上下调整发射换能器位置，观察示波器反射波形变化（一般为紧跟直达波幅值略小的一段波形），同时满足预计算幅值条件及相对延时条件；

3）将记录的直达波及其延时乘积，以及反射波及其延时乘积代入适配度函数，反演出针对该测试结果的地声参数及掠射角，多次反演取近优解（反演掠射角近似设定掠射角，反射系数−掠射角曲线收敛）并根据所反演地声参数重绘反射系数−掠射角曲线；

4）将支架间距调整为50 cm，并进行40°，45°，50°，55°的测试；

5）将支架间距调整为35 cm，并进行60°的测试；

6）对比多次不同掠射角条件下的反演和重绘结果，给出定性结论。

3.3 反演算法设计

QPSO算法的总体参数设定如下：一次反演最大迭代次数Tmax= 50，最大反演参数个数N = 4，粒子种群最大粒子数量50，最大可接受反演误差10−4，最大反演次数为10。

α(t)称作伸缩因子，它的取值影响粒子的收敛效率，常用取值方法如下式：

 $\alpha (t) = m - \frac{{(m - n)t}}{{{T_{\max }}}}，$ (9)

3.4 试验结果

 图 3 参数反演误差结果 Fig. 3 Error results of parameter inversion

 图 4 参数反演结果与正演模型计算结果对比 Fig. 4 Comparison of parameter inversion results and forward model calculation results

 图 5 不同掠射角反演结果参数的海底损失比较 Fig. 5 Comparison of seafloor losses of inversion parameters with different grazing angles

 图 6 不同反演结果参数均值的海底损失与掠射角关系比较 Fig. 6 Comparison of seafloor loss and grazing Angle between parameter mean values of different inversion results

 图 7 反演最终结果与各角度计算结果的对比关系 Fig. 7 Comparison between the final inversion results and the calculated results from various angles

20°～40°掠射角区间的小角度均值，作为最终选定的反演参数集，其全掠射角计算结果与各曲线相应的掠射角对应反射损失吻合度较好，总体差异不超过1 dB，可以作为基于弹性模型的海底地声参数总体反演优化结果。

 图 8 3层底质弹性模型试验反演结果 Fig. 8 Inversion results of elastic model test of three-layer substrate

 $\frac{\rho_{eff}}{\rho_w}=\frac{1}{v^2_p[\beta +(1-\beta )K_w/K_g]}。$ (10)

 图 9 3层底质EDFM模型试验反演结果 Fig. 9 Inversion results of EDFM model test on three-layer substrate
4 结　语

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