中文摘要：

采用射线理论建立运动介质中三维浅海波导中的本征声线计算模型，给出三维倾斜海底环境下运动介质中的本征声线快速搜索方法，描绘声线在三维空间中的传播路径，可以计算海底的不平整性所引起的声线水平方向上的偏转、声线到达方位角及本征声线传播时间，能够为三维情况下声速剖面反演提供理论依据，所建立的三维倾斜海底声场模型更加逼近实际情况。项目在三维倾斜浅海声场模型的基础上，拟采用优化算法，应用本征声线传播时间与声速的函数关系进行运动介质中的声速剖面和流速的联合反演，并计划对此反演方法进行实验研究。所建立的运动介质中的三维浅海声速剖面反演模型比通常的二维空间反演模型，计算精度更高，为快速精确的获取三维浅海声速剖面及介质流速开辟了新的途径。

结论摘要：

背景对于水下目标检测、定位与跟踪等水声应用课题以及基于声学方法的海洋观测问题来说，海水声速剖面是最重要的实际海洋环境参数之一。在范围较小的海域内，可以利用CTD对声速剖面进行实时实地的精确测量，但要在较大海域内快速的获取声速剖面，则需要利用海洋中声传播的特征信息对声速剖面进行反演获取。基于声传播时间的声速剖面反演由于具有计算速度较快、受海底声学参数影响小等优点而被广泛应用。方向为了提高较大海域范围内声速剖面反演的精度，项目根据实际海洋环境，如海底倾斜度及海水运动情况等，研究了复杂的三维声速剖面反演问题。主要内容项目在射线理论的基础上，考虑海底的不平整性，建立倾斜海底情况下的三维浅海波导中的本征声线计算模型，对三维空间特征声线搜索和传播时间计算进行了深入研究； 推导了运动介质中的本征声线模型，讨论了介质的运动速度对本征声线传播的影响, 并仿真验证了给出的声线模型可以有效地计算出存在介质运动的分层介质环境中的本征声线及传播时间；采用最快特征声线传播时间作为代价函数反演，结合经验正交函数对声速剖面的准确描述；建立了基于射线声学理论的浅海海流流速垂直结构测量模型，并进行了仿真研究； 最后，课题基于以上理论研究内容，进行了三维浅海环境下的声速剖面反演及海流流速结构测量的海上实验研究。 重要结果课题所获得的研究结果如下 1、不平整海底的反射会导致声线在水平方向上发生偏转，但反射方位角与入射方位角始终在海底倾斜方向的一侧；声线入射方向与海底倾斜方向的夹角越大、掠射角越大、海底深度梯度越大，水平偏转都越严重；当声线入射方向与海底倾斜方向一致或者相反时，不平整海底的反射都不会导致声线的水平偏转。 2、提出的三维空间特征声线传播时间计算模型具有很高的精度，主要误差来源于掠射角线性插值以及不平整海底反射点的确定。减小掠射角步长和反转点附近的深度步长能够提高声传播时间的计算精度。 3、基于射线理论，给出的运动介质中的声线传播模型可以有效的计算声线传播轨迹及传播时间，介质中声线的传播时间会随马赫数变化而变化。运动介质中的声速剖面及流速反演中，当马赫数大于声速测量误差时，反演精度有提高，而在马赫数小于声速测量误差时，反演精度变化不明显。实验研究表明介质在低马赫数情况下，浅海声速剖面的反演精度最高可达3‰，浅海海流流速垂直结构的测量精度最高可达0.1m/s.