典型海底底質散射強度研究

金中原，楊日杰，戰　和,2

(1.海軍航空工程學院,山東 煙臺　264001; 2. 92074部隊,浙江 寧波　315020)

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典型海底底質散射強度研究

金中原1，楊日杰1，戰和1,2

(1.海軍航空工程學院,山東 煙臺264001; 2. 92074部隊,浙江 寧波315020)

摘要：海底底質的類型十分復雜，如果按照各個參數的不同進行分類，極其繁復。針對這個問題，在對大量海底底質原始數據處理的基礎上，將底質類型劃分為6種典型的底質類型，增大了模型計算效率，也為底質數據庫建庫提供了方便有效的處理方式。

關鍵詞：典型底質；散射強度；計算模型

本文引用格式：金中原，楊日杰，戰和.典型海底底質散射強度研究[J].兵器裝備工程學報，2016(7):158-162.

Citation format:JIN Zhong-yuan, YANG Ri-jie, ZHAN He.Research on Typical Sediments Scattering Intension[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(7):158-162.

海底散射是影響聲納性能的重要因素之一。尤其在我國渤海、黃海和東海大部分海區，海深比較淺，海底散射強度比較大，聲吶性能預報和評估時，其影響不可忽略。

近年來，國內外學者對海底散射進行了大量的研究，建立了多個散射模型，如流體模型、彈性模型、多孔彈性模型等。數學近似方法有小粗糙度近似、Kirchhoff近似、小斜率近似、復合粗糙度近似等。

從大的范圍來講，海底散射可分為兩種，一種是海底粗糙度散射，一種是沉積物體積散射。海底粗糙度散射主要針對的是平坦海底的界面散射，而沉積物體積散射針對的是透射到沉積物內部的聲波散射[1]。

本文針對沉積物的性質進行分析歸類，對其進行散射強度計算仿真。并將模型計算結果與實際情況進行對比，得出了較好的結論。

1底質類型劃分

一般來講，影響散射強度的底質類型性質主要有平均粒徑、孔隙度、顆粒密度、顆粒體積模量、彈性模量、孔隙大小等，而具體進入模型計算的參數將更加復雜，包括聲速(Vp)、壓縮波衰減(αp)、平均粒徑(Mz)、分數孔隙度(β)、體密度(ρ)、顆粒密度(ρg)等。

下面以粒徑的大小分類為例進行分析。表1中所示的數據即為對礫石類的分類。d代表粒徑(mm)，Mz(φ)為以對數形式的平均粒徑。其表達式為

表1　沉積物粒徑分類對照表

表2列出了對各種性質進行綜合分類的部分數據。表2中的沉積物按平均粒徑減小(φ值增大)的順序排列，粗糙度使用RMS(均方根)高度及粗糙度冪律譜的斜率和截距來表示。對于各向異性粗糙度的測量是沿波峰到波峰的方向(c-c)和沿走向進行的。測量工作采用潛水員操作的35 mm立體照相機、遙控70 mm立體照相機或由潛水員在邁拉紙上進行手工描繪等。關于譜斜率-γ1和譜強度φ1的單位，詳見參考文獻[2]中的附錄D.1.3。

本研究在分析原始數據的基礎上，發現原始數據種類繁多，在實際使用時難以歸類，對數據庫的建庫帶來困難，針對這一問題，本文基于菌類算法將這些底質類型劃分為6種底質類型，代表上述原始數據以簡化對底質類型的研究，為海底底質數據庫建庫提供了方便的參數信息。具體分類情況如表3所示。

2散射模型

海底散射是一個十分復雜的過程，海底的不平整性、海底坡度、海底沉積物的類型都會對海底散射強度產生影響。本文采用Jackson模型進行計算與仿真。在計算散射強度時，只考慮一次散射情況。

Jackson模型認為海底散射強度由海底界面的不平整性散射強度和沉積物體積散射強度之和組成，且忽略聲透射的影響。模型的假定條件有：

表2　淺水沿岸站位各種沉積物類型測量得到的海底粗糙度

表3　6種典型底質的各項參數

工作頻段為10～100 kHz；海底界面起伏為各向同性，二維高斯隨機過程，海底沉積物為流體，不考慮彈性和黏滯效應；沉積物性質均勻，無分層。

圖1　海底散射示意圖

由于海底散射主要由海底界面粗糙度散射和沉積物的體積散射組成，故海底散射強度可寫為

(1)

其中：σr(θ)為不平整海底引起的散射截面；σv(θ)為沉積物體積散射截面。

在此，首先引入二維粗糙度譜的概念對不平整海面的描述：

(2)

γ2=γ1+1

(3)

(4)

ω1=(2π)γ1-1φ1

(5)

其中：F為空間頻率；K為水中波束；h0為參考高度，取為1cm；ω2，γ2為二維譜強度和譜指數；W(K)為二維粗糙度譜。

模型所需輸入參數有：沉積層中平均聲速與海水中的聲速比ν；沉積層密度與海水密度之比ρ；聲波中虛波束與實波束之比，即損失參數δ

(6)

在此基礎上定義復向量為

(7)

2.1界面散射

Jackson散射模型中、界面散射采用了Kirchhoff近似模型和復合粗糙度模型計算散射系數[6]。當掠射角接近垂直入射(θ>70°)時采用Kirchhoff近似模型計算散射系數；在普通掠射角(θ<70°)時采用復合粗糙度模型計算散射系數。總的散射系數由上述兩種計算方法內插計算而得[7]。

Kirchhoff近似模型可以應用于粗糙界面散射計算，其反向散射截面表達式為

(8)

其中：

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

復合粗糙度近似由兩部分組成：一部分由海底大尺度均方根坡度近似獲得；一部分利用小尺度微擾橫截面對超過均方根坡度平均值的部分進行陰影修正。復合粗糙度的界面可定義如下

(16)

式中S(θ,s)為陰影修正函數

(17)

(18)

(19)

(20)

式中：erf(t)為誤差函數；s為大尺度均方根坡度。函數F(θ,σpr,s)為微擾橫截面偏離均方根坡度的平均值、可以通過對高斯——厄米特多項式[8]的前3項近似

(21)

函數σpr(θ)是海底散射截面在小粗糙度下的微擾近似[9]，可表示為：

P(θ)表達式見式(28)，對兩種散射強度進行插值

(24)

其中：

2.2沉積物體積散射

沉積物體積散射由沉積層中聲速和密度的起伏引起，表示透射聲波在沉積物內部發生的散射[10]。其表達式如下

(29)

(30)

其中各參數的含義已在第2節開頭及2.1節中解釋，這里不再贅述。

3仿真分析

根據第2節中所表述的散射模型，在本節中設定參數對該模型進行仿真分析，研究散射模型中各參數變化對散射強度的影響。仿真過程采用控制變量法實現對單一因素的影響分析。

根據上節中海底散射模型的表達式，本節選取計算參數為聲波頻率 f=34kHz；海水中的聲速c0=1 512m/s；取掠射角θi=10,30,70；聲阻抗系數取1.541；體積模量取6～50；沉積物成分主要為鈉～鈣～長石(斜長石)為主；海深在1 500～3 000m；海況為3級；沉積物深度不超過1.5m；對各種底質數據進行仿真分析。

由圖2可以看出，散射強度與平均粒徑開始呈微弱的負相關，后在4～3粒徑范圍附近呈正相關，可能是平均粒徑較小的如淤泥和黏土類的體積散射占主導地位，其散射強度有一定的提升，而粒徑大的如礫石類、其表面粗糙度的界面散射較強。

由圖3可以看出，孔隙度對散射強度的影響不大，在一定的精度范圍內，可以忽略其影響。

由圖4可以看出，散射強度與密度比變化的相關性并不大。

由圖5可以看出，散射強度與聲速比呈一定的負相關，可能是聲速越大，聲波的衰減越大。

圖2　散射強度隨平均粒徑的增大而變化的仿真結果

圖3　散射強度隨孔隙度的增大而變化的仿真結果

圖4　散射強度隨密度比的增大而變化的仿真結果

圖5　散射強度隨聲速比的增大而變化的仿真結果

由圖6可以看出，散射強度與粗糙度斜率變化的相關性不大。

由圖7可以看出，散射強度與粗糙度截距呈一定的正相關。

圖6　散射強度隨粗糙度斜率的增大而變化的仿真結果

圖7　散射強度隨粗糙度截距的增大而變化的仿真結果

綜合以上仿真結果可以知道，影響散射強度的主要參數為平均粒徑，聲速比和粗糙度截距，而聲速比在0.7～1.3的范圍內下降了7～8dB，平均每0.1個聲速比下降1.1dB左右，而典型底質的聲速比在0.9～1.2，代表了絕大多數底質的性質，其誤差范圍在3～4dB之內。故以聲速比的變化來講，這6種底質完全可以代表絕大多數底質類型。粗糙度截距的相關性更小，更能說明以上問題。只有平均粒徑的誤差可能會稍微增大至5～6dB。

4結論

本文所介紹的6種底質類型，可以代表大多數的典型海底底質類型，可以此為基本依據將目前數據庫中的底質類型分類，將數據庫中原始數據歸為6種底質類型，再選擇相應的散射模型即可計算出對應底質的散射強度。

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(責任編輯楊繼森)

收稿日期：2016-01-10；修回日期：2016-02-24

基金項目：國家自然科學基金(61271444)

作者簡介：金中原(1991—)，男，碩士研究生，主要從事水聲工程研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.034

中圖分類號：O427.2

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)07-0158-05

Research on Typical Sediments Scattering Intension

JIN Zhong-yuan1, YANG Ri-jie1, ZHAN He1, 2

(1.Naval Aeronautics and Astronautics University, Yantai 264001, China;2.The No. 92074thTroop of PLA, Ningbo 315020, China)

Abstract:There are many kinds of sea floor sediments, and it will be very complex to classify these parameters on the base of difference. On the foundation of process of tremendous primitive sediments data, we resorted out these sediments as six typical ones to enhance the efficiency of model calculation and to provide a convenient and valid process way to develop sediment database.

Key words:typical sediment; scatter intension; calculating model

【基礎理論與應用研究】