第39卷第7期 海洋学报 Vo.39,No.7 2017年7月 Haiyang Xuebao July 2017 刘保华,阚光明,裴彦良,等.海底声散射特性研究进展[J].海洋学报,2017,39(7):1-11,doi:10.3969/is.0253 4193.2017.07.001 Liu Baohua, Kan Guangming, Pei Yanliang, et al. A review on the progress of bottom acoustic scattering research[J]. Haiyang Xue- bao,2017,39(7):1-11,doi:10.3969/isn.0253-4193.2017.07.001 海底声散射特性研究进展 刘保华12,阚光明23,裴彦良23,杨志国,于凯本1,于盛齐 (1.国家深海基地管理中心,山东青岛266061;2.青岛海洋科学与技术国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室 山东青岛266237;3国家海洋局第一海洋研究所海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室,山东青岛266237) 摘要:海底是水下声场的重要边界,其声散射特性对水下声场空间结构及分布规律具有至关重要的 影响。对目前国际上海底声散射特性研究方面的进展进行了系统的分析和总结,从海底声散射测量 技术、海底声散射特性及机理、海底声散射预测模型3个方面进行了论述,并提出了未来研究的方向 研究重点与难点。该工作对于充分了解和认识海底声散射研究的目前现状和未来发展趋势具有很好 的借鉴和指导意义。 关键词:海底声散射特性;散射模型;海底混响;水下声场 中图分类号:P733.23;P736.21 文献标志码:A 文章编号:0253-4193(2017)07-0001-11 1引言 以及声波掠射角密切相关,对于不同的测量频率,其 相关性变化规律也不相同。而且,不同的海底环境条 水下声场空间结构及分布规律研究在水下日标件以及不同的声波频率,其声散射机理也不相同。因 探测、水下通讯和导航、水文测量和海底地形地貌勘此,深入认识海底声散射特性、影响机理以及预测模 测等军事、海洋科学及生产领域具有重要的应用价型,是进行水下声场空间结构研究、水下声场准确预 值。海底是水下声场的一个重要边界,包括海底声散报和水下目标精确探测的重要环节。鉴于海底声散 射特性在内的海底声学特性对水下声场的空间结构射特性的重要性,早在20世纪50年代,国外科学家 和分布规律具有至关重要的影响。海底声散射是海就开始了海底声散射特性的测量和研究[。之后,不 洋混响的重要来源,而海洋混响则是主动声呐探测的同研究者分别从测量技术、特性及机理分析、预测模 主要干扰源。因此,研究海底声散射有利于包括海底型等方面开展了大量的研究工作。与国外相比,目前 混响在内的海洋混响的准确预报,对于提高水下声呐国内无论是在海底声散射测量技术还是在散射机理 性能和目标探测的精度具有重要意义。另外,海底声和模型等方面开展的研究还非常少,存在很大的 散射研究还与浅海声场预报、匹配场定位、潜艇着底差距。 隐蔽地点选择等应用具有密切的关系。 本文对目前国际上海底声散射特性测量技术及 海底声散射特性与海底粗糙度、沉积物非均匀性机理和预测模型方面的研究成果进行了总结,阐述了 收稿日期:2016-08-04;修订日期:2016-12-12 基金项目:国家自然科学基金(41330965,41527809);青岛海洋国家实验室开放基金(QNLM20160RP209);海洋公益性科研专项资金项目 (201405032);泰山学者工程专项经费项目(TSPD20161007) 作者简介:刘保华(1960一),男,山东省嘉祥县人,研究员,博士生导师,主要从事海洋地球物理研究。E-mail: bhliula fio.org 通信作者:阚光明,男,副研究员,主要从事海底声学研究。 E-mail: kgmingl35@fo. org. en
第39卷 第7期 海 洋 学 报 Vol.39,No.7 2017年7月 HaiyangXuebao July2017 刘保华,阚光明,裴 彦 良,等.海 底 声 散 射 特 性 研 究 进 展 [J].海 洋 学 报,2017,39(7):1-11,doi:10.3969/j.issn.0253- 4193.2017.07.001 LiuBaohua,KanGuangming,PeiYanliang,etal.Areviewontheprogressofbottomacousticscatteringresearch[J].HaiyangXuebao,2017,39(7):1-11,doi:10.3969/ji.ssn.0253-4193.2017.07.001 海底声散射特性研究进展 刘保华1,2,阚光明2,3* ,裴彦良2,3,杨志国1,于凯本1,2,于盛齐1 (1.国家深海基地管理中心,山东 青岛266061;2.青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋地质过程与环境功能实验室, 山东 青岛266237;3.国家海洋局第一海洋研究所 海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室,山东 青岛266237) 收稿日期:2016-08-04;修订日期:2016-12-12。 基金项目:国家自然科学基金(41330965,41527809);青岛海洋国家实验室开放基金(QNLM20160RP0209);海 洋 公 益 性 科 研 专 项 资 金 项 目 (201405032);泰山学者工程专项经费项目(TSPD20161007)。 作者简介:刘保华(1960-),男,山东省嘉祥县人,研究员,博士生导师,主要从事海洋地球物理研究。E-mail:bhliu@fio.org.cn *通信作者:阚光明,男,副研究员,主要从事海底声学研究。E-mail:kgming135@fio.org.cn 摘要:海底是水下声场的重要边界,其声散射特性对水下声场空间结构及分布规律具有至关重要的 影响。对目前国际上海底声散射特性研究方面的进展进行了系统的分析和总结,从海底声散射测量 技术、海底声散射特性及机理、海底声散射预测模型3个方面进行了论述,并提出了未来研究的方向、 研究重点与难点。该工作对于充分了解和认识海底声散射研究的目前现状和未来发展趋势具有很好 的借鉴和指导意义。 关键词:海底声散射特性;散射模型;海底混响;水下声场 中图分类号:P733.23;P736.21 文献标志码:A 文章编号:0253-4193(2017)07-0001-11 1 引言 水下声场空间结构及分布规律研究在水下目标 探测、水下通讯和导航、水文测量和海底地形地貌勘 测等军事、海洋科学及生产领域具有重要的应用价 值。海底是水下声场的一个重要边界,包括海底声散 射特性在内的海底声学特性对水下声场的空间结构 和分布规律具有至关重要的影响。海底声散射是海 洋混响的重要来源,而海洋混响则是主动声呐探测的 主要干扰源。因此,研究海底声散射有利于包括海底 混响在内的海洋混响的准确预报,对于提高水下声呐 性能和目标探测的精度具有重要意义。另外,海底声 散射研究还与浅海声场预报、匹配场定位、潜艇着底 隐蔽地点选择等应用具有密切的关系。 海底声散射特性与海底粗糙度、沉积物非均匀性 以及声波掠射角密切相关,对于不同的测量频率,其 相关性变化规律也不相同。而且,不同的海底环境条 件以及不同的声波频率,其声散射机理也不相同。因 此,深入认识海底声散射特性、影响机理以及预测模 型,是进行水下声场空间结构研究、水下声场准确预 报和水下目标精确探测的重要环节。鉴于海底声散 射特性的重要性,早在20世纪50年代,国外科学家 就开始了海底声散射特性的测量和研究[1]。之后,不 同研究者分别从测量技术、特性及机理分析、预测模 型等方面开展了大量的研究工作。与国外相比,目前 国内无论是在海底声散射测量技术还是在散射机理 和模型 等 方 面 开 展 的 研 究 还 非 常 少,存 在 很 大 的 差距。 本文对目前国际上海底声散射特性测量技术及 机理和预测模型方面的研究成果进行了总结,阐述了
2 海洋学报39卷 国际上在海底声散射测量技术研发、海底声散射特性射测量装置(图1)。通过一个类似于球状万向节 测量及机理分析、海底声散射预测模型研究等方面的( balk-in- socket)的调节机构,将发射和接收合置的声 发展现状,并提出了目前研究工作中尚未解决的问题学换能器安装在拖曳平台上,调节机构可以方便实现 及未来研究的方向、研究重点与难点,以期能够对我换能器掠射角的调整,平台上还安装由测深和姿态传 国将来海底声散射特性的研究工作提供借鉴和指导。感器。 Jackson等[采用该设备对粉砂、砂质和砾石 2海底声散射特性测量技术研究进展 海底度进行了反向声散射测量,通过安装3个不同频 带的收发合置平面换能器获得了20~85kHz的频带 美国海底声散射测量开始于20世纪50年代。覆盖范围,换能器垂直方向发射和接收波束角为20° Trick将一收发合置的圆柱活塞换能器固定在木杆40°,水平波束角为100~20°,声源级为205dBre. 上,借助于驳船将换能器放置在靠近海底处,进行了Pa@1m,实验中平台的拖曳速度为2~5kn。Stan- 最早期的海底反向散射测量。测量的频率范围为10ic等研制出一种适用于浅水的坐底式海底声散射 60kHz,通过水平和垂直方向旋转木杆,来获得不系统(图2),整套系统由两个坐底式的塔式支架组成, 同方位角和掠射角的测量数据。Uik和 Saling2又两个支架安装由16个水听器组成的T型接收阵,其 采用炸药声源对水深为4400m的海底进行了反向中一个还安装有高频参量阵声源,声源的差频频率为 散射测量,声源的频带约为500~8000kHz,炸药的20~180kHz,差频声源级为187dBre.pPa@20kHz 爆炸深度和水听器沉放深度均为15m。Wong和和214dBre.pPa@a180kHz,该系统可进行高频的海 Chesterman采用一个磁致伸缩的换能器作为声源底反向声散射和前向声散射测量。除上述两套海底 和接收水听器,在香港的近岸海域进行了海底的反向声散射测量设备外, Boehme等将发射和接收换能 散射测量,测量的频率为48kHz,发射声波的脉冲宽器安装在一个高4m的三角架上,将该装置放置在海 度为0.4ms和2.8ms两种。总之,在20世纪50 底进行了频率范围为30~95kHz的海底反向声声散 60年代,海底声散射测量刚刚起步,实验所使用的均射测量。从上述的分析可以看出,在20世纪70-80 是非常简单的装置,还未开展专业的海底声散射测量年代,海底声散射测量技术得到快速发展,研发出了 技术研究。 多台套的专门用于海底声散射测量的专业设备,测量 20世纪70年代末,美国华盛顿大学应用物理实精度得到很大提高。本阶段的测量频率主要集中在 验室的Bry等研制出一种拖曳式海底反向声散0kHz以上的高频 可调节的换能 器安装机构 侧视图 拖曳式海底声 姿态测量 散射测量设备 测深 声散射测 波束 换能器 量波束 海底 仰视图 a拖曳式海底声散射测量示意图 b.设备结构简图 图1 Barry等研发的拖曳式海底声散射测量装置(改自文献[5-6]) Fig 1 Towed sonar system for bottom scattering measurement( modified from reference[5-6])
国际上在海底声散射测量技术研发、海底声散射特性 测量及机理分析、海底声散射预测模型研究等方面的 发展现状,并提出了目前研究工作中尚未解决的问题 及未来研究的方向、研究重点与难点,以期能够对我 国将来海底声散射特性的研究工作提供借鉴和指导。 2 海底声散射特性测量技术研究进展 美国海底声散射测量开始于20世纪50年代。 Urick [1]将一收发合置的圆柱活塞换能器固定在木杆 上,借助于驳船将换能器放置在靠近海底处,进行了 最早期的海底反向散射测量。测量的频率范围为10 ~60kHz,通过水平和垂直方向旋转木杆,来获得不 同方位角和掠射角的测量数据。Urick和Saling [2]又 采用炸药声源对水深为4400m 的海底进行了反向 散射测量,声源的频带约为500~8000kHz,炸药的 爆炸深度和水 听 器 沉 放 深 度 均 为 15 m。Wong和 Chestermax [3]采用一个磁致伸缩的换能器作为声源 和接收水听器,在香港的近岸海域进行了海底的反向 散射测量,测量的频率为48kHz,发射声波的脉冲宽 度为0.4ms和2.8ms两种。总之,在20世纪50- 60年代,海底声散射测量刚刚起步,实验所使用的均 是非常简单的装置,还未开展专业的海底声散射测量 技术研究。 20世纪70年代末,美国华盛顿大学应用物理实 验室的Barry等[4—5]研制出一种拖曳式海底反向声散 射测量装置(图1)。通过一个类似于球状万向 节 (ball-in-socket)的调节机构,将发射和接收合置的声 学换能器安装在拖曳平台上,调节机构可以方便实现 换能器掠射角的调整,平台上还安装由测深和姿态传 感器。Jackson等[6]采用该设备对粉砂、砂质和砾石 海底度进行了反向声散射测量,通过安装3个不同频 带的收发合置平面换能器获得了20~85kHz的频带 覆盖范围,换能器垂直方向发射和接收波束角为20° ~40°,水平波束角为10°~20°,声源级为205dBre. μPa@1m,实验中平台的拖曳速度为2~5kn。Stanic等[7]研制出一种适用于浅水的坐底式海底声散射 系统(图2),整套系统由两个坐底式的塔式支架组成, 两个支架安装由16个水听器组成的 T型接收阵,其 中一个还安装有高频参量阵声源,声源的差频频率为 20~180kHz,差频声源级为187dBre.μPa@20kHz 和214dBre.μPa@180kHz,该系统可进行高频的海 底反向声散射和前向声散射测量。除上述两套海底 声散射测量设备外,Boehme等[8]将发射和接收换能 器安装在一个高4m 的三角架上,将该装置放置在海 底进行了频率范围为30~95kHz的海底反向声声散 射测量。从上述的分析可以看出,在20世纪70-80 年代,海底声散射测量技术得到快速发展,研发出了 多台套的专门用于海底声散射测量的专业设备,测量 精度得到很大提高。本阶段的测量频率主要集中在 20kHz以上的高频。 图1 Barry等研发的拖曳式海底声散射测量装置(改自文献[5-6]) Fig.1 Towedsonarsystemforbottomscatteringmeasurement(modifiedfromreference[5-6]) 2 海洋学报 39卷
7期刘保华等:海底声散射特性研究进展 高频参 量阵声源 水听器 水听器 T型架 充气瓶 接收阵高频参量 接收阵 坐底式海底声散射测量示意图 b设备部分拆解示意图 图2 Stanic等研发的坐底式海底声散射测量系统(改自文献[7]) Fig 2 Bottom-mounted bottom scattering measurement system( modified from reference 7]) 20世纪90年代中, Greaves和 Stephen采用由量。SAX04项目使用的设备类似于STMS的固定式 10个低频弯张换能器组成的垂直线阵声源和由128换能器,但较SAX99具有如下两点改进:(1)测量频 个水听器组成的水平接收阵在大西洋中脊进行了海带拓宽为20~500kHz;(2)将声学测量设备安装在 底声散射测量。垂直线阵声源的弯张换能器的排放个长约28m的铺设在海底的导轨上,声学测量设备 间距为2.29m,通过各换能器的时延相控发射,声源在导轨上按照指定步长自动移动,以减少潜水员人工 可以形成俯角为9°的相控波束,在实验中,声源进行移动设备对测量产生的影响m。纵观20世纪90年 LMF扫频发射,扫频宽度为200~255Hz,信号长度代的海底声散射测量技术发展,主要有如下两个特 为5s。接收阵列的基元间距为2.5m,通过波束形成点:(1)新技术不断被应用到海底声散射测量,如:低 技术,产生了126个具有不同方向的接收波東,但0°频弯张换能器技术,时延相控发射技术,多基元接收 ~30°和150°~180°两个波束方向的数据因波束太宽波束形成技术,步进自动控制技术等;(2)同步开展海 且受接收阵姿态变化和船舶噪音的影响大而无法使底粗糙度、沉积物非均匀性等环境参数测量以及相关 用。20世纪90年代末和21世纪初,美国海军研究技术研发,以便能够建立精细的海底声散射预测 办公室联合华盛顿大学、 Scripps海洋研究所、意大利模型。 NATOSACLANT海底科学研究中心等科研机构开 进入21世纪,海底声散射测量及相关技术研发 展了两个综合的海底声学实验,分别为:SAX99(Sed-在很多国家得到广泛重视。2000年,意大利 ment Acoustic Experiment-1999和SAXO4(Sdi- SACLANT海底研究中心的Hond等[采用如图 ment Acoustic Experiment-2004)0-12。在SAX994所示垂直接收阵和组合换能器声源对400~400 实验中采用了BAMs( Benthic acoustic measurement Hz频带范围内的海底反向声散射进行了测量。实验 System)、STMS( Sediment Transmission measurement采用的ITC4001换能器声源由3个换能器组成,通过 System)、 XBAMS( Accelerated Benthic Acoustic meas-不同组合间隔产生频率分别为1200Hz、1800Hz urement System)3种系统进行海底声散射测3600Hz的指向性声波,弯张换能器声源由两个间距 0=1。BAM系统的工作频率为40kHz和300为1.25m的低频弯张换能器组合产生频率为600 kHz, XBAMS的工作频率为300kHz,二者的换能器Hz的指向性声波。接收采用间距为18cm的32基 均可以按一定的波束角在水平方向上步进旋转,以获元垂直接收阵。加拿大国防研究发展中心的 Hines 得不同方位角的海底声散射强度(图3)。STMS为 等研发了一种用于浅海中频小掠射角海底声散射 个可用于海底沉积物声衰减测量、海底声透射和海底测量的设备,对频率为4kHz和8kHz、掠射角为3 声散射测量的综合测量系统,其海底声散射测量的工~15°的砂质海底反向声散射特性进行了测量。系统 作频率为20~150kHz,换能器不能够自动旋转,需要主要由参量阵声源、超指向性线列阵、声强立体接收 潜水员通过移动设备来进行不同区域的海底散射测阵、安装平台等部分组成(图5)。参量阵声源由9个
图2 Stanic等研发的坐底式海底声散射测量系统(改自文献[7]) Fig.2 Bottom-mountedbottomscatteringmeasurementsystem(modifiedfromreference[7]) 20世纪90年代中,Greaves和Stephen [9]采用由 10个低频弯张换能器组成的垂直线阵声源和由128 个水听器组成的水平接收阵在大西洋中脊进行了海 底声散射测量。垂直线阵声源的弯张换能器的排放 间距为2.29m,通过各换能器的时延相控发射,声源 可以形成俯角为9°的相控波束,在实验中,声源进行 LMF扫频发射,扫频宽度为200~255Hz,信号长度 为5s。接收阵列的基元间距为2.5m,通过波束形成 技术,产生了126个具有不同方向的接收波束,但0° ~30°和150°~180°两个波束方向的数据因波束太宽 且受接收阵姿态变化和船舶噪音的影响大而无法使 用[9]。20世纪90年代末和21世纪初,美国海军研究 办公室联合华盛顿大学、Scripps海洋研究所、意大利 NATOSACLANT 海底科学研究中心等科研机构开 展了两个综合的海底声学实验,分别为:SAX99(SedimentAcousticExperiment-1999)和 SAX04(SedimentAcousticExperiment-2004)[10—12]。在 SAX99 实验中采用了 BAMS(BenthicAcousticMeasurement System)、STMS(SedimentTransmission Measurement System)、XBAMS(AcceleratedBenthicAcousticMeasurementSystem)3 种 系 统 进 行 海 底 声 散 射 测 量[10-11]。BAM 系 统 的 工 作 频 率 为 40kHz和 300 kHz,XBAMS的工作频率为300kHz,二者的换能器 均可以按一定的波束角在水平方向上步进旋转,以获 得不同方位角的海底声散射强度(图3)。STMS为一 个可用于海底沉积物声衰减测量、海底声透射和海底 声散射测量的综合测量系统,其海底声散射测量的工 作频率为20~150kHz,换能器不能够自动旋转,需要 潜水员通过移动设备来进行不同区域的海底散射测 量。SAX04项目使用的设备类似于STMS的固定式 换能器,但较SAX99具有如下两点改进:(1)测量频 带拓宽为20~500kHz;(2)将声学测量设备安装在一 个长约28m 的铺设在海底的导轨上,声学测量设备 在导轨上按照指定步长自动移动,以减少潜水员人工 移动设备对测量产生的影响[11]。纵观20世纪90年 代的海底声散射测量技术发展,主要有如下两个特 点:(1)新技术不断被应用到海底声散射测量,如:低 频弯张换能器技术,时延相控发射技术,多基元接收 波束形成技术,步进自动控制技术等;(2)同步开展海 底粗糙度、沉积物非均匀性等环境参数测量以及相关 技术研 发,以 便 能 够 建 立 精 细 的 海 底 声 散 射 预 测 模型。 进入21世纪,海底声散射测量及相关技术研发 在 很 多 国 家 得 到 广 泛 重 视。2000 年,意 大 利 SACLANT海底研究中心的 Holland等[12]采用如图 4所示垂直接收阵和组合换能器声源对400~4000 Hz频带范围内的海底反向声散射进行了测量。实验 采用的ITC4001换能器声源由3个换能器组成,通过 不同组合间隔产生频率分别为1200Hz、1800Hz、 3600Hz的指向性声波,弯张换能器声源由两个间距 为1.25m 的低频弯张换能器组合产生频率为600 Hz的指向性声波。接收采用间距为18cm 的32基 元垂直接收阵。加拿大国防研究发展中心的 Hines 等[13]研发了一种用于浅海中频小掠射角海底声散射 测量的设备,对频率为4kHz和8kHz、掠射角为3° ~15°的砂质海底反向声散射特性进行了测量。系统 主要由参量阵声源、超指向性线列阵、声强立体接收 阵、安装平台等部分组成(图5)。参量阵声源由9个 7期 刘保华等:海底声散射特性研究进展 3
海洋学报39卷 基元组成,4kHz和8kHz的发射响应分别为185dB浅水海域开展了频率为8kHz的海底声散射测 和192dB(测量距离为5m),水平和垂直波束宽度为量。 Manik等使用定量回声测深仪进行了海底 4°~γ°。超指向性接收阵由6个小型全向性水听器组反向散射测量。近几年的海底声散射测量的显著特 成,基元间距为16cm。安装参量阵和超指向性线列点是:研究人员将研究重点转向了10kHz以下的中 阵的支架可以360°旋转,水平和垂直转角的测量精度低频海底声散射的测量和研究,主要原因在于中低频 为±1°。2010年,韩国汉阳大学的Ia和Choi采用单声呐在水声通讯、水下探测等方面的广泛应用。 个的全向性声源和全向性水听器在韩国南部的近岸 40 kHz 太 300 kHz 150m BAMS38m-→ 20~150kHz Mobile Tower XBAMS 8m--+ STMS 图3SAX99实验海底声散射测量观测系统示意图(改自文献[11]) Fig 3 Geometry of bottom scattering in SAX99(modified from reference[11]) 监测水听器 浮球 超指向性接收阵 参量阵声源 32基元接收阵 扫描扇区 ITC4001声源 声强立体接收阵 器声源 图4中低频(400~4000Hz)海底声散射测量装置 (改自文献[12]) 图5浅海小掠射角海底反向散射测量实验 Fig 4 The device used for bottom scattering measurement (改自文献[13]) at low-mid frequency(400-4 000 Hz)(modified from rel Fig5 Geometry of bottom backscattering at low grazing erence[12]) angle in shallow water( modified from reference[13]) 在国内,金国亮等在放置于海底的支架上安接收,进行了频率为10kHz的海底声散射测量 装10个换能器,轮流以其中一个作为发射,其余作为近几年,宋磊和薛婷[研究了采用具有指向性平
基元组成,4kHz和8kHz的发射响应分别为185dB 和192dB(测量距离为5m),水平和垂直波束宽度为 4°~7°。超指向性接收阵由6个小型全向性水听器组 成,基元间距为16cm。安装参量阵和超指向性线列 阵的支架可以360°旋转,水平和垂直转角的测量精度 为±1°。2010年,韩国汉阳大学的 La和 Choi采用单 个的全向性声源和全向性水听器在韩国南部的近岸 浅水 海 域 开 展 了 频 率 为 8kHz的 海 底 声 散 射 测 量[14]。Manik等[15]使用定量回声测深仪进行了海底 反向散射测量。近几年的海底声散射测量的显著特 点是:研究人员将研究重点转向了10kHz以下的中 低频海底声散射的测量和研究,主要原因在于中低频 声呐在水声通讯、水下探测等方面的广泛应用。 图3 SAX99实验海底声散射测量观测系统示意图(改自文献[11]) Fig.3 GeometryofbottomscatteringinSAX99(modifiedfromreference[11]) 图4 中低频(400~4000Hz)海底声散射测量装置 (改自文献[12]) Fig.4 Thedeviceusedforbottomscatteringmeasurement atlow-midfrequency(400-4000Hz)(modifiedfromreference[12]) 图5 浅海小掠射角海底反向散射测量实验 (改自文献[13]) Fig.5 Geometryofbottombackscatteringatlowgrazing angleinshallowwater(modifiedfromreference[13]) 在国内,金国亮等[16]在放置于海底的支架上安 装10个换能器,轮流以其中一个作为发射,其余作为 接收,进行了频率为10kHz的海底声散射测量[16]。 近几年,宋磊[17]和薛婷[18]研究了采用具有指向性平 4 海洋学报 39卷
7期刘保华等:海底声散射特性研究进展 面换能器和T型接收阵进行海底散射系数的实验测如下:(1)海底声散射强度随掠射角的增大而增强,二 量方法,并在浅海进行了初步的实验测量。曹正良者关系可以采用 Lambert法则公式较好地拟合,即 等1采用T矩阵方法对平面海底界面上球体目标的BS=101g4+101g(in20),0为掠射角,10lgy为垂直 声散射建模进行了研究。总体来说,国内目前还没有射时的声散射{-2;(2)声散射存在微弱的频率依 用于海底声散射测量的专业设备,研究主要集中于理赖性,但不同研究者依据不同的底质类型和测量频率 论分析和数值仿真 分别给出了不同的变化关系,总体来说,声散射与声 3海底声散射特性及机理研究进展 波频率的关系很难用一个简单的函数来表述,其与海 底底质类型、海底粗糙度、测量频率等多个参数有 20世纪50-60年代,海底声散射特性研究主要关21-20;(3)开展了声散射强度与方位角关系的研 是分析海底反向声散射与掠射角、声波频率、发射脉究, Stanic等[2-21在 Panama城附近海域的砂质海底 冲长度、海底底质类型等参数的关系[-3:。主要结和 Jacksonville附近海域的含有粗贝壳层海底的测量 论如下:(1)海底声散射总体上随着掠射角的增大而数据均未显示出明显的方位角依赖性,而 Boehme 增加,但对于不同的海底类型和掠射角范围,二者的等2通过在水平方向上以不同的方位角扫描具有良 函数关系则不同;(2)绝大部分研究人员认为海底声好分界的细砂和粗砂海底,发现了在分界线处海底散 散射强度不存在明显的频率依赖性,或仅存在很弱的射强度的明显变化;(4)在开展海底声散射测量的同 频率依赖性;(3)海底声散射强度与发射脉冲长度不时,采用侧扫声呐、水下摄像、立体照相、高分辨率测 存在明显的相关性;(4)虽然散射强度与海底沉积物深、浅地层剖面、沉积物岩心分析等技术对海底粗糙 颗粒粒径不存在明显变化规律,但对于不同类型的海性和非均匀性等底质环境进行了测量,为深人研究散 底声散射强度还是存在一些普遍的趋势,即:砂质和射机理和模型奠定了基础[21;(5)虽然海底粗糙性是 岩石等硬质海底声散射强度一般大于黏土和粉砂等引起海底声散射的主要机制,但多个海区的数据表明 软质海底的声散射强度。在声散射机理方面,研究人海底散射强度与均方根高度没有明显的相关关系,这 员得出一些初步的认识,普遍认为海底声散射主要是说明对于海底声散射来说海底均方根粗糙度不是海 由海底的粗糙度或微起伏所引起的。但对于海底沉底粗糙性的有效表述参数,研究者开始采用海底粗糙 积物颗粒对声散射的贡献,不同研究者给出了不同的度谱来表征海底粗糙度t。在海底声散射机理研究 结论。Urck认为海底声散射主要由海底粗糙性方面,在目前研究的频率范围内(20~180kHz),颗粒 (即不规则性)引起,而不是沉积物颗粒对声波的散散射不是海底声散射的主要机制,这一点得到普遍共 射。Wong和 Chesterman则指出,对于48kHz的识。 Jackson等综合多种数据指出,对于颗粒粒径 声波,砂质或更大粒径的颗粒是小掠射角时海底声散大小相似的海底散射强度相差10~15dB。研究人员 射的主要散射体,在较大掠射角和近垂直入射时,海普遍认为,海底粗糙散射和体积散射是海底散射的主 底粗糙散射是主要机制。 McKinney和 Anderson2要机制,但对于两种散射机制对海底声散射的贡献程 指出沉积物的颗粒属性也是引起海底声散射的一个度及适用条件,不同研究研究人员给出了不同的结 重要方面,但颗粒和粗糙性并不是相互独立的两个方论: Nunchuk和 zhitkovskila认为在浅水区主要是体 面,沉积物颗粒堆积在一起形成与声波波长尺寸相当积非均匀性而不是界面粗糙性来主导海底声散射;而 的散射体,这是海底散射与颗粒具有一定相关性的原 Jackson等则认为,对于淤泥和粉砂等软质海底,在 因;另一方面,这些颗粒堆积体也正是形成海底微起除了很小和很大掠射角之外的中等掠射角范围内,体 伏(即粗糙性)或沉积层结构的重要因素。除此之外,积散射占主导作用,而对于粗砂等硬质海底,在很宽 Urick和 saling2基于中低频(500~8000H1z)声散射的掠射角范围内粗糙散射均占主导地位。 Jackson等 数据指出海底沉积物中沉积层反射可能是引起海底开发了包括粗糙散射和体积散射在内的复合粗糙度 声散射增加的一个因素 散射模型,但该模型并未给出体积散射强度的计算公 20世纪70-80年代,海底声散射测量主要集中式,而是采用一个自由变量来代替,需通过数据拟合 在浅海(水深小于50m)和高频(20~180kHz)反向来确定[。如何能够更好地揭示粗糙散射和体积散 声散射测量,海底底质包括淤泥、粉砂、细砂、含贝壳射两种机制,则需要更完善的模型以及更多的声学和 层、砾石和岩石等多种类型。此时期主要的研究进展底质参数测量数据
面换能器和 T型接收阵进行海底散射系数的实验测 量方法,并在浅海进行了初步的实验测量。曹正良 等[19]采用 T矩阵方法对平面海底界面上球体目标的 声散射建模进行了研究。总体来说,国内目前还没有 用于海底声散射测量的专业设备,研究主要集中于理 论分析和数值仿真。 3 海底声散射特性及机理研究进展 20世纪50-60年代,海底声散射特性研究主要 是分析海底反向声散射与掠射角、声波频率、发射脉 冲长度、海底底质类型等参数的关系[1—3,20]。主要结 论如下:(1)海底声散射总体上随着掠射角的增大而 增加,但对于不同的海底类型和掠射角范围,二者的 函数关系则不同;(2)绝大部分研究人员认为海底声 散射强度不存在明显的频率依赖性,或仅存在很弱的 频率依赖性;(3)海底声散射强度与发射脉冲长度不 存在明显的相关性;(4)虽然散射强度与海底沉积物 颗粒粒径不存在明显变化规律,但对于不同类型的海 底,声散射强度还是存在一些普遍的趋势,即:砂质和 岩石等硬质海底声散射强度一般大于黏土和粉砂等 软质海底的声散射强度。在声散射机理方面,研究人 员得出一些初步的认识,普遍认为海底声散射主要是 由海底的粗糙度或微起伏所引起的。但对于海底沉 积物颗粒对声散射的贡献,不同研究者给出了不同的 结论。Urick [1]认为海底声散射主要由海底粗糙性 (即不规则性)引起,而不是沉积物颗粒对声波的散 射。Wong和 Chestermax [3]则指出,对于48kHz的 声波,砂质或更大粒径的颗粒是小掠射角时海底声散 射的主要散射体,在较大掠射角和近垂直入射时,海 底粗糙散射是主要机制。McKinney和 Anderson [20] 指出沉积物的颗粒属性也是引起海底声散射的一个 重要方面,但颗粒和粗糙性并不是相互独立的两个方 面,沉积物颗粒堆积在一起形成与声波波长尺寸相当 的散射体,这是海底散射与颗粒具有一定相关性的原 因;另一方面,这些颗粒堆积体也正是形成海底微起 伏(即粗糙性)或沉积层结构的重要因素。除此之外, Urick和Saling [2]基于中低频(500~8000Hz)声散射 数据指出海底沉积物中沉积层反射可能是引起海底 声散射增加的一个因素。 20世纪70-80年代,海底声散射测量主要集中 在浅海(水深小于50m)和高频(20~180kHz)反向 声散射测量,海底底质包括淤泥、粉砂、细砂、含贝壳 层、砾石和岩石等多种类型。此时期主要的研究进展 如下:(1)海底声散射强度随掠射角的增大而增强,二 者关系可以采用 Lambert法则公式较好地拟合,即: BS=10lgμ+10lg(sin2θ),θ为掠射角,10lgμ为垂直 入射时的声散射[21—24];(2)声散射存在微弱的频率依 赖性,但不同研究者依据不同的底质类型和测量频率 分别给出了不同的变化关系,总体来说,声散射与声 波频率的关系很难用一个简单的函数来表述,其与海 底底质类型、海底粗糙度、测量频率等多个参数有 关[6,21—24];(3)开展了声散射强度与方位角关系的研 究,Stanic等[22—23]在Panama城附近海域的砂质海底 和Jacksonville附近海域的含有粗贝壳层海底的测量 数据均未显示出明显的方位角依赖 性,而 Boehme 等[21]通过在水平方向上以不同的方位角扫描具有良 好分界的细砂和粗砂海底,发现了在分界线处海底散 射强度的明显变化;(4)在开展海底声散射测量的同 时,采用侧扫声呐、水下摄像、立体照相、高分辨率测 深、浅地层剖面、沉积物岩心分析等技术对海底粗糙 性和非均匀性等底质环境进行了测量,为深入研究散 射机理和模型奠定了基础[21];(5)虽然海底粗糙性是 引起海底声散射的主要机制,但多个海区的数据表明 海底散射强度与均方根高度没有明显的相关关系,这 说明对于海底声散射来说海底均方根粗糙度不是海 底粗糙性的有效表述参数,研究者开始采用海底粗糙 度谱来表征海底粗糙度[23]。在海底声散射机理研究 方面,在目前研究的频率范围内(20~180kHz),颗粒 散射不是海底声散射的主要机制,这一点得到普遍共 识。Jackson等[6]综合多种数据指出,对于颗粒粒径 大小相似的海底散射强度相差10~15dB。研究人员 普遍认为,海底粗糙散射和体积散射是海底散射的主 要机制,但对于两种散射机制对海底声散射的贡献程 度及适用条件,不同研究研究人员给出了不同的结 论:Bunchuk和Zhitkovskii [24]认为在浅水区主要是体 积非均匀性而不是界面粗糙性来主导海底声散射;而 Jackson等[25]则认为,对于淤泥和粉砂等软质海底,在 除了很小和很大掠射角之外的中等掠射角范围内,体 积散射占主导作用,而对于粗砂等硬质海底,在很宽 的掠射角范围内粗糙散射均占主导地位。Jackson等 开发了包括粗糙散射和体积散射在内的复合粗糙度 散射模型,但该模型并未给出体积散射强度的计算公 式,而是采用一个自由变量来代替,需通过数据拟合 来确定[25]。如何能够更好地揭示粗糙散射和体积散 射两种机制,则需要更完善的模型以及更多的声学和 底质参数测量数据。 7期 刘保华等:海底声散射特性研究进展 5