基于海底表层沉积物声速特征的南海地声模型

在由垂直声速梯度建立的地声模型基础上,通过引入沉积物与海水声速比和沉积物压缩波与切变波声速比两个表征沉积物声学特征参数得到更全面和有实际指导意义的地声模型。在沉积物声波传播FCMCM模型基础上,基于热作用和重力作用下沉积物两相介质的应力应变分析,建立TFCMCM和DFCFCM模型,运用模型校正表层沉积物声速特征来计算和解释地声模型。根据海底表层沉积物存在低声速和高声速两种类型,结合沉积物沿纵深孔隙度不变和变化两种类型,得到南海海底沉积物的两类四种典型地声模型:低声速孔隙度不变型、低声速孔隙度减小型、高声速不变型和高声速孔隙度减小型。运用这四种典型地声模型的组合解释了卢博提出的南海三种典型声速结构。认知声速结构将为南海声学探测海底、划分海底区域提供模型支持。

基于地声模型的浅海混响地声反演研究

利用浅海混响数据反演海底参数和海底散射常数.混响形成过程中声波多次与海底发生相互作用,因此海底参数之间以及它们与海底散射常数之间的耦合非常严重,未知参数之间的耦合使得常规地声反演方法很难获得海底参数.文中首先利用相对混响强度消除了混响数据中的海底散射常数项,然后利用Hamilton地声模型,分别将海底声速、密度和衰减系数表示成孔隙率的函数,采用自适应下山模拟退火混合反演算法,对单个未知数(孔隙率)进行反演,最后再分别获得海底参数和海底反向散射常数.理论分析和数值模拟表明,该方法可以快速准确获得海底参数,同时具有很好的抗噪声干扰能力.

长江口与杭州湾海区水底浮泥地声模型及其声反射特性研究

通过在现场和实验室分别对长江口与杭州湾海区水底浮泥重度ρ随深度变化规律以及声速C与声衰减常数β等浮泥声学参数随ρ及声波频率f的变化规律的测量和分析，得出了这个海区水底浮泥层的地声模型。其主要特点是：重度ρ（kN／m3）在10．1到15．0的范围内，随着深度线性增加，但在12．5左右处线性增加的梯度（斜率）有一个突变（拐点），ρ大于15．0以后，ρ随深度的递增加快，即浮泥层很快过渡到硬性泥层或沙层；声速c（m／s）随ρ增大的变化不明显（在±1．5％以内），但在ρ为14．0附近存在一个最小值；声衰减常数ρ（dB/m）则分别随ρ和f（kHz）线性增加。根据实测的地声模型，通过理论计算，对长江口和杭州湾海区水底浮泥层的声反射信号进行了正演模拟研究，得到了在拐点处出现的声反射特性预射波的幅度和极性）与梯度变化的关系，为解决浮泥层重度的回声探测问题提供了依据。

海底沉积物的基本地声结构与地声模型

为准确建立海底地声模型,本文探讨地声模型的基本组成和基本结构。通过样品实验室测量,分析南海海底表层沉积物的密度、孔隙度与声速随着埋深变化的关系,得出海底实际存在的低声速表面–声速缓慢变化类型、低声速表面–声速增大类型、高声速表面–声速缓慢变化类型和高声速表面–声速增大类型4种典型地声结构;对比钻探测量,分析黄海海底沉积物的密度、孔隙度与声速随埋深变化关系,得出海底地声模型分层特征与地声结构组合特征。研究表明,地声模型可以归结为4种基本地声结构的组合,通过与底层海水声速、同层内声速剖面以及与上层海底沉积物下表面声速的比较,可以建立各种海底地声模型;基于实验室测量法建立的地声模型可以作为参考地声模型,但需要考虑实际海底温度和压力梯度以及海底沉积物的频散特性等,借助于声速比校正法和频散性理论模型进行计算及修正。

典型浅海地声模型下的反射波特性初步研究

本文给出了一种典型浅海地声模型下，波动方程有限差分正演的计算方法，并详细分析了沉积层的顶层速度、厚度、速度梯度、密度梯度，以及震源特性等参数变化时反射波受其影响的一般规律：而且对于航道底部的浮泥层作了重点研究，从而得到了浮泥层的容重变化率及其厚度对反射波的影响规律，以及浮泥厚度与反射波特征谱之间的关系。这对于解决长江口航道的安全行船深度这一实际问题是很有意义的。

基于声传播损失的南海海域地声参数敏感性分析

以中国南海地声-水声联合调查实验数据为基础,利用多道地震数据偏移成像以及浅地层剖面数据反演获取了一个分层地声模型。通过设定该模型各层地声参数的参考值和变化区间,结合实测的水体声学参数,利用Krakenc耦合简正波模型计算了不同地声参数下的声传播损失;分析了理论与实测声传播损失均方根误差随地声参数的变化规律以及均方根误差的区间分布情况。研究结果表明:对于频率100 Hz的声传播,地声模型第一层和第二层沉积层的声速对声传播损失影响最为显著;第一层和第二层沉积层衰减系数、厚度对声场的影响次之;基底对声场的影响最小。本文在接近真实海底的环境下研究了海底各分层结构中地声参数对声场的影响,可为建立海洋环境地声模型提供一定的依据。

浅海地声学模型缩比试验验证研究

针对实际海底形态不平整、不同区域海底表面沉积层构造差异较大的特点,依托海底地声学模型,建立3层海底地声模型。在实验室条件下构建浅海分层结构的海底缩比场仿真环境,以声学测试试验结果为数据样本,基于匹配场技术,采用QPSO全局优化算法实现不同分层结构的海底地声学参数的优化反演,验证了海底地声模型的正确性和可信性。

浅海地声参数的变维贝叶斯反演

为解决海底沉积层分层结构未知时的反演问题,提出了一种变维粒子滤波方法,利用声场的互谱密度,估计沉积层分层结构以及地声参数。仿真结果表明:变维粒子滤波在沉积层分层结构未知时,能有效反演沉积层层数以及地声参数,粒子的并行计算能使其相较于可逆跳蒙特卡洛马尔可夫链(rjMCMC)更加高效。利用变维粒子滤波,对南海垂直线阵列接收到的线性调频信号进行处理,反演结果与rjMCMC反演得到的沉积层层数和地声参数结果相近,说明了此方法能有效估计沉积层层数的同时反演浅海地声参数,得到可靠的参数后验概率密度。

基于双基地模型的鱼雷自噪声仿真预报

鱼雷自噪声直接影响了自导系统的有效探测距离和定向精度,而在水下航行时螺旋桨辐射噪声是其自噪声的主要声源。本文针对螺旋桨噪声在海洋中经散射产生的自噪声,提出了一种基于声散射模型的理论研究方法,推导自噪声平均强度。仿真分析体积、海面散射及鱼雷散射自噪声强度随螺旋桨噪声形成的辐射噪声、声吸收系数、散射系数、航深等参数的变化关系。考虑雷长,分析其影响,建立精确的理论模型。仿真结果表明,变化规律与客观事实和经验数据吻合,表明了该模型的正确性和有效性,为鱼雷自噪声预报提供了新的途径。

海底掩埋物的目标强度和回声信混比

基于两种流体介质中声散射的修正的Kirchhoff近似,导出计算掩埋物回声的近似公式。应用回声计算的板块元方法和底质的地声模型,能够计算任意形状刚性掩埋物的回声特性。海底沉积层的影响主要反映在声波在底质中传播的衰减。界面的作用主要表现在声波经过两次折射或透射产生的损失。计算结果表明,用常规方式探测掩埋物时回声信混比总是很小, 探测是十分困难的。

大陆架低频声传播建模研究

在过去的几十年中大陆架斜坡海域的低频声传播得到越来越多的重视。针对爆炸声作为声源的一次海上实验测量数据,对大陆架海域的低频远距离声传播进行了建模研究。在实验过程中单水听器布放在水下大约240 m处接收爆炸声信号,对两条不同测线的传播损失进行了处理。本文结合海底地声模型并考虑了声速剖面的水平变化,利用抛物方程方法对传播损失进行建模。模拟计算该海域的传播损失同实验测量数据相比具有较好的一致性。

基于单参数海底模型的匹配场处理仿真研究

为了改善匹配场处理性能,提出将浅海单参数模型引入匹配场处理。通过设置仿真环境,基于遗传算法对浅海单参数模型以及液态半无限模型进行反演仿真。结果表明:真实海底的复杂性以及先验信息的缺乏使匹配场反演面临地声参数失配问题;在一些匹配场应用中,单参数模型在参数敏感性、耦合性方面具有优势,结果更稳健;匹配处理便捷性随地声参数个数减少而提高。

地声学:一门研究海底的重要学科

地声学是一门研究海底沉积物声学特性的学科，也是一门用声学方法研究海底沉积物地学特性（如地质构造及其地质属性等）的学科．地声学的发展和水声学、海洋学、地质学、地球物理学及地理学等多个学科有密切的关系．对于海洋工程建设，海底资源开发及港口、航道和海防等各项海洋事业的发展有重大的实用意义．文章简单介绍了国内外在地声学方面的一些工作情况，说明了地声学研究所涉及的一些主要问题。