海底的声速、密度、衰减系数和分层特征等地声参数是声场的重要参数。在深海环境中,由于地声参数的直接测量非常困难,反演是获取地声参数的有效方法之一。本文结合课题组参加的多次深海水声调查实验,利用水声信号的反射特性、混响特性和舰船噪声,分别进行了深海海底地声参数的反演方法研究。本文的理论推导和方法研究与实际的海洋实验紧密结合,提出的深海地声参数反演方法均得到了计算机仿真和海试数据的验证,具有重要的应用价值。具体的研究工作包含以下几个方面:1.针对深海的可靠声路径和声影区环境,提出了基于海底反射损失的地声参数反演方法,反演得到了深海海底地声参数。根据深海的声传播特性和海底反射特性,研究了适用于可靠声路径和声影区环境的海底地声参数反演方法。分析了均匀海底的高声速和低声速情况时,海底反射损失对不同地声参数的敏感性。揭示了均匀海底的海底反射损失与频率无关,分层海底的海底反射损失表现出随频率和掠射角变化的复杂震荡现象。利用直达波与海底反射波的能量差提取可靠声路径环境的海底反射损失,反演得到了海底地声参数。利用声场仿真对声影区接收到的多途信号分析,将多途信号分为四个声线对,分别是直达波与海底反射波、海面反射波与海面-海底反射波、海底-海面反射波与海底-海面-海底反射波、海面-海底-海面反射波与海面-海底-海面-海底反射波,选择后两种多途声线对提取声影区环境的海底反射损失,反演得到了海底地声参数。2.建立了随时间衰减的深海海底混响强度模型和基于统计-物理特性的深海海底混响信号模型,利用模型反演得到了深海海底地声参数。根据海底混响的形成过程,深海海底混响建模分为传播过程和散射过程,散射声波历经声源-散射体-接收水听器的传播时间构成了典型的混响拖尾时间,而且混响拖尾时间与角度相关,由此建立了海底混响强度随时间衰减的模型。以该模型为基础,选择混响强度随时间衰减的曲线作为反演的代价函数,最小化代价函数得到了海底参数的反演值。建立了基于统计-物理特性的混响信号模型,既利用统计建模的高效性,适用于反演的优化过程,同时考虑混响的传播与散射过程,适用于海底地声参数的反演。通过对南海混响的实验数据分析,得到了混响信号的包络服从K分布。利用服从双指数分布的随机数产生混响信号的幅度,使其包络与K分布一致,引入传递因子作为双指数密度函数的参数,该传递因子包含了混响信号的传播和散射特性,从而建立了海底混响信号与海底参数的直接关系。选择混响信号包络作为反演的代价函数,最小化代价函数得到了海底参数的反演值。3.提出了基于垂直线列阵波束输出的干涉条纹的宽带声源深度估计方法,通过对机会声源深度估计,作为反演声源。提出了海底剖面声层析方法,获得了海底的分层信息,实现了利用过往船只进行地声参数时频联合反演,反演得到了深海海底地声参数。基于深海海底附近的垂直线列阵,声源深度与声场波束输出干涉条纹的位置和数目具有一定的联系,不同深度的声源在直达波到达角和频率域表现出不同的干涉条纹结构,条纹数目随着声源深度的增加而增加。通过代价函数匹配实际测量的干涉条纹轨迹与声场仿真的不同声源深度下的条纹轨迹,得到了声源深度的估计值。利用该方法对舰船噪声的声源深度估计,用于地声参数反演。提出了海底剖面声层析的方法,获得海底的分层信息,作为地声反演的先验信息。选择舰船噪声线谱的出现频率作为反演频率。上行传播的时频谱由于声线与海底的接触具有明显的干涉现象,携带了大量的海底信息,故选择上行的传播波束用于海底地声参数反演,通过与仿真数据进行匹配,最小化代价函数得到了地声参数反演值。