海底聲散射特性進展及展望

鄭毅, 秦志亮, 于盛齊, 馬本俊, 趙吉祥, 劉夢婷

(1.哈爾濱工程大學 水聲技術重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150001; 2.工業(yè)和信息化部 海洋信息獲取與安全工信部重點實驗室(哈爾濱工程大學),黑龍江 哈爾濱 150001; 3.哈爾濱工程大學 水聲工程學院,黑龍江 哈爾濱 150001; 4.哈爾濱工程大學青島創(chuàng)新發(fā)展基地,山東 青島 266400)

海底混響是主動聲吶對海底附近目標進行探測和識別時的主要背景干擾,而海底聲散射則是造成海底混響的主要原因[1]。研究海底聲散射對應用在海底附近的聲吶系統(tǒng)至關重要,反水雷聲吶必須在海底聲散射形成的背景聲場中探測和識別布放在海底界面或掩埋在沉積物中的目標[2]。由于海底聲散射蘊含了豐富的海底環(huán)境信息,也被廣泛用于沉積物分類或地聲反演。因此,無論是在軍用還是民用領域中,對海底聲散射的研究都具有非常重要的意義。

海底聲散射研究主要包括海底聲散射機理研究、海底聲散射模型構建和海底聲散射測量技術3個方面。其中,海底聲散射機理研究與聲散射模型構建可為海底聲散射測量技術的發(fā)展提供理論基礎,而測量技術的發(fā)展則可為前兩者提供實驗數據支撐。海底聲散射的形成主要源于聲波與海底界面、沉積物內部介質,以及貝殼碎片和氣泡等離散體的相互作用。自20世紀50年代以來,國外相關研究人員開始對海底聲散射的形成機理進行了深入研究,并針對不同的沉積物聲學模型構建了適用于不同頻段、不同掠射角范圍下的聲散射模型。隨著海底聲學測量技術的發(fā)展,針對性地研制出多款海底聲散射測量裝備,開展了一系列實驗,積累了大量的實驗數據,并通過數據-模型對比進一步驗證了理論模型的準確性[3]。相比之下,我國對海底聲散射的研究起步較晚,且主要以理論研究及模型仿真為主,在各方面與國外相比仍有一定的差距。

本文主要歸納總結了海底聲散射理論與實驗的研究進展及當前存在的問題,并對海底聲散射的未來發(fā)展方向進行了探討。

1 海底聲散射模型研究進展

1.1 海底聲散射基本概念

當聲波與海底發(fā)生相互作用時,會形成反射、散射、折射和透射等聲學現象。其中,反射與散射一般難以區(qū)分,但實際上反射和散射是聲波與海底相互作用后的2種不同機制,反射是聲波在平坦海底下產生的“鏡面反射”,而散射則是聲能在海底界面明顯粗糙情況下向各個角度的重新分配[2],如圖1所示。

圖1 海底聲散射效應示意[2]

海底聲散射效應與海底粗糙界面及其沉積物內部物理性質的非均勻性有關[4]。一般按形成機制不同分為2類:1)由海底界面的粗糙起伏(界面粗糙度)引起的海底界面粗糙散射;2)由沉積物內部物理性質的空間差異性引起的體積散射。而對于聲吶系統(tǒng)的不同收發(fā)位置,又可分為反向散射和前向散射,前者是指聲源與水聽器位置相近或位于同一點下的聲散射;后者則是指聲源與水聽器位置位于同一垂向平面下的聲散射。

聲波在海底界面及沉積物非均勻性的作用下產生隨機散射,使得聲波隨機向鏡面反射以外方向散射形成復雜聲場。隨著頻率的增大,海底在聲波波長尺度上表現出明顯不均勻性,如波紋等引起海底粗糙度明顯時空變化從而使散射更加隨機[5]。海底總聲壓P通常表示為:

P=〈P〉+Ps

(1)

式中:P為總聲壓場;〈P〉為總聲壓場的相干部分;Ps為總聲壓場的散射部分。對式(1)進行整理,則可得到散射場的均方波動:

〈|Ps|2〉=〈|P|2〉-|〈P〉|2

(2)

需要注意的是,符號“〈〉”為使用相同采集設備條件下獲得的不同海底無限集合中的理想平均值。這些用于形成平均值的聲壓樣本集合由多個海底散射區(qū)域的聲壓測量值組成,但這些樣本均來自同一個統(tǒng)計上均勻的區(qū)域,在實際聲散射測量實驗中難以實現[6]。因此,在實際測量中通常采用一個在足夠大區(qū)域內統(tǒng)計性質與海底位置無關的有限統(tǒng)計樣本集合均值來近似實現這種“無限集合均值”。

海底聲散射的強弱通常采用“散射強度”進行衡量。如圖2所示,假設位于聲源遠場有一面積為A的海底散射區(qū)域。高頻情況下,可以假設海底粗糙與聲波波長具有相當的尺度。若在海底使用相同幾何排列進行多次散射壓力值測量,則均方波動與海底散射區(qū)域A的面積及入射場的平方|Pi|2成正比。考慮球面波擴展,均方波動與海底散射區(qū)域到接收器距離rs的平方成反比。在不考慮海水中的聲吸收和折射時,均方波動為[4]:

圖2 海底散射坐標系定義示意[2]

〈|Ps|2〉=|Pi|2Aσ(rs-2)

(3)

式中σ為散射截面,表示海底單位面積單位立體角內的散射程度。對式(3)進行整理,可得散射截面為:

σ=〈|Ps|2〉rs2/(|Pi|2A)

(4)

由圖2可知,散射截面σ與入射聲波掠射角θi、散射聲波掠射角θs、散射聲波方位角φs有關,通常表示為σ(θi,θs,φs)。海底界面粗糙散射強度Sbr為散射截面σ的分貝形式:

Sbr=10lgσ

(5)

當頻率較低時,聲波穿透海底界面與沉積物內部非均勻介質產生相互作用引起體積散射。類似界面粗糙散射,體積散射下的均方波動為:

〈|Ps|2〉=|Pi|2Aσv(rs-2)

(6)

式中σv為體積散射下的散射截面。同理,海底體積散射強度Sbv為:

Sbv=10lgσv

(7)

在海底散射建模中,一般將海底散射獨立劃分為海底界面粗糙散射和體積散射進行討論,而對海底界面粗糙散射和體積散射的統(tǒng)一處理方式則各不相同。Ivakin[7]通過將海底界面粗糙描述為特殊形式的體積擾動,提出了一種界面粗糙散射和體積散射的統(tǒng)一處理方法,但適用性不強。使用最為廣泛的是Urick給出的定義,其將體積散射等效為薄層界面散射,散射強度為:

Sb=10lg(σre+σve)

(8)

式中σre和σve分別為海底界面粗糙散射截面和體積散射等效界面散射截面[8]。

1.2 海底聲散射模型

海底聲散射模型通常用于預測海底散射強度或散射截面[6]。根據海底聲散射形成原因可將海底聲散射模型劃分為海底界面粗糙散射模型和海底沉積物體積散射模型。

1.2.1 海底界面粗糙散射模型

海底界面粗糙散射模型主要用于建立海底界面粗糙散射強度與聲波頻率、掠射角、方位角以及海底沉積物物理參數之間的聯(lián)系[9]。目前,構建海底界面粗糙散射模型最常用的近似方法有4種,分別是Lambert定律、小粗糙度微擾近似、Kirchhoff近似和小斜率近似。其中,Lambert定律較好地描述了中小掠射角范圍內海底界面粗糙散射強度與掠射角之間的依賴關系,但其本質上是一個半經驗形式的描述方法,不具備實際的物理意義。

小粗糙度微擾近似理論(也稱為Rayleigh-Rice微擾理論)適用于起伏較小的粗糙界面,作為處理海底界面粗糙散射的經典方法,微擾近似理論也對散射的物理機理提供了直觀的解釋[2]。近年來,相關研究人員基于不同海底沉積物聲學模型(主要包括流體模型、彈性體模型、多孔介質模型)給出了海底界面粗糙散射的小粗糙度微擾近似計算方法?；诹黧w模型,Kuo[10]忽略了介質損耗,結合Marsh理論[11]給出了粗糙散射截面的微擾近似表達式?；趶椥泽w模型,Jackson等[12]采用一階微擾理論給出了粗糙散射截面的微擾近似表達式;Dacol等[13]則結合微擾理論,系統(tǒng)地分析了流體-彈性體界面粗糙對聲波的作用機制,建立了界面粗糙散射模型,并將數值仿真結果和絕對硬邊界下的聲散射實驗結果進行了對比,驗證了模型的有效性。Williams[14]將海底沉積物視為多孔彈性介質,結合微擾理論和多孔彈性理論,提出了粗糙散射截面的微擾近似表達式。此外,Essen等[15]將一階微擾理論用來處理較軟沉積物到玄武巖等硬質沉積物下多種底質類型的界面粗糙散射。Kuperman等[16]利用一階微擾理論得到了具有層狀彈性海底的相干場。目前,對于微擾理論在海底界面粗糙散射中的研究已趨于成熟,被廣泛應用于多種海底條件下散射強度計算。

Kirchhoff 近似適用于界面起伏較緩的粗糙海底:

Rc?λ/πsin3θ

(9)

式中:Rc為界面曲率半徑;λ和θ為聲波波長和入射波局部掠射角[17]。Kirchhoff 近似起初應用于處理海面聲散射,而后研究人員將其引入到海底界面散射的處理中,并得到了廣泛關注。Thorsos[18]采用高斯粗糙度譜證明了Kirchhoff近似應用于海底粗糙界面的有效性。Mourad[19]和Williams等[20]將Kirchhoff近似應用于單基地和雙基地散射模型的研究。Jackson等[21]利用Kirchhoff近似處理垂直入射附近角度、頻段為10～100 kHz下的界面粗糙散射,并將計算得到的海底反向散射強度與實驗測量數據進行對比,結果基本趨于一致。Dacol[22]也采用Kirchhoff近似用于處理具有隨機粗糙特性的流體-彈性界面形成的粗糙散射。在高頻極限條件下,Jackson等[2]簡化并推導了散射截面表達式,并應用于各向同性粗糙度統(tǒng)計特征的海底粗糙界面反向散射計算?？傮w來說,Kirchhoff近似在中高頻段、入射掠射角為垂直入射附近方向時預測結果較為準確,在低頻時誤差較大,且未考慮影區(qū)效應和多重散射帶來的影響[4]。研究表明,Kirchhoff近似的計算精度與粗糙界面相關長度呈正相關,當界面相關長度增大時,其計算精度也隨之增大,適用的掠射角范圍也隨之增寬[23]。

相較于上述2種近似方法,小斜率近似方法要求海底介質必須為均勻介質,且沒有分層和梯度變化,其表達式為給定界面斜率的級數展開式,階數越高近似精度越高[24],目前已廣泛應用于流體、彈性體及多孔彈性介質半無限空間海底界面粗糙散射的研究。Gragg等[25]提出了彈性海底界面粗糙散射的理論計算方法,并完整給出了雙基地散射強度計算公式,同時與小粗糙度微擾近似方法進行對比,證明了小斜率近似方法在海底散射研究中的優(yōu)越性。同樣,Soukup[26]和Jackson[27]也采用小斜率近似用于處理彈性海底下的界面粗糙散射研究。Yang等[28]結合多孔彈性理論和小斜率近似方法給出了多孔介質半無限空間海底界面粗糙散射模型。此外,小斜率近似方法也可用于分層海底散射模型研究,如Jackson[27]和Olson[29]利用小斜率近似方法給出了層狀流體的海底散射強度計算公式。對上述3種不同的海底粗糙界面散射近似模型,Jackson總結了給定條件下形式上不依賴于沉積物波動理論的3種近似模型的通用表達,并進行了對比[2]。

圖3為相同砂質海底輸入參數下,聲頻率為30 kHz時,基于流體理論的小粗糙度微擾近似、Kirchhoff近似和小斜率近似的海底反向散射強度計算結果對比圖。可以看出Kirchhoff近似和小粗糙度微擾近似存在適用范圍內的互補性,有關學者基于這種互補性提出了復合粗糙度近似模型。復合粗糙度近似模型按截止波數對大粗糙度和小粗糙度進行劃分,但這種劃分依據需要給出清晰的劃分標準[30]。Jackson[21]提出了一種截止波數劃分方法,按掠射角范圍采用不同的近似理論對大粗糙度和小粗糙度下的聲散射進行處理:當掠射角在垂直入射附近時,采用Kirchhoff近似模擬大粗糙計算散射強度;其他情況則采用微擾理論處理小粗糙度。在此基礎上,Novarini等[31]將Jackson提出的劃分方法運用于垂直入射方向附近角度下的聲散射強度計算,取得了較好的結果。

圖3 基于流體理論的小粗糙度微擾近似、Kirchhoff近似和小斜率近似反向散射強度對比[2]

整體上講,小斜率近似方法在處理界面粗糙散射問題時幾乎涵蓋了所有角度,且精度上不亞于Kirchhoff近似和小粗糙度微擾近似;與復合粗糙度近似模型相比,處理起來也更為簡單。

此外,研究人員針對分層海底和海底混響研究,建立了相應的散射模型。在海底混響研究中,彭朝暉等[32]結合Ivakin提出的射線管積分法和Hines提出的復射線/最速下降法,給出了收發(fā)分置海底散射模型,用于計算海底粗糙界面和沉積物內部不均勻性引起的界面粗糙散射;侯倩男等[33]結合海底反射系數三參數模型對海底反向散射模型進行了近似簡化,為海底地聲反演提供了思路。在分層海底研究方面,Jackson等[34]結合Kirchhoff近似和一階微擾理論構建了地球聲底部相互作用模型(the geoacoustic bottom interaction model,GABIM),計算分層流體海底下的海底界面粗糙散射和沉積物體積散射;Weidner等[35]給出了一維海底分層界面散射模型,預測由介質密度和聲速梯度變化產生的分層界面反向散射強度。

1.2.2 海底沉積物體積散射模型

海底沉積物物理性質的空間差異性使得聲波與沉積物相互作用時產生體積散射。這種物理性質的空間差異性具有多種表現形式,如懸浮顆粒沉降等形成的海底分層[27]、底棲生物引起的沉積物聲學性質的時空波動[2]、掩埋的貝殼碎片及氣泡導致海底聲學性質的差異等。掩埋貝殼和氣泡屬于離散散射體,其引起的沉積物聲學性質大幅波動會對海底散射強度測量和建模研究造成相當大的困難。而對于物理性質平緩變化的沉積物,一般采用微擾近似方法進行處理。

海底沉積物體積散射模型的構建與所采用的沉積物聲學模型有關[2]。Stockhausen等[36]基于流體模型來進行沉積物體積散射建模,并做出幾項關鍵假設:1)沉積物中的體積散射非常微弱,且散射聲場的強度且遠低于入射聲場,2)可以使用線性增加的散射截面來表征體積散射,3)聲波透射深度遠小于源-接收器到海底散射區(qū)域的距離,4)忽略海水-沉積物界面處的海底界面粗糙散射。這些基本假設具有一般普適性,對不同環(huán)境條件下構建沉積物體積散射模型時需要對上述假設做出修正。Ivakin[37]給出了彈性海底沉積物體積散射的微擾近似方法。與流體模型不同,在使用彈性體模型時,除考慮沉積物體積密度和壓縮波速的空間差異性外,還要考慮剪切波速的非均勻性。此時,由于彈性海底剪切波的存在,難以對彈性海底沉積物體積散射模型給出通用的表達式。Hines[38]通過微擾近似方法提出了帶有物理參數的體積散射模型,但該模型很大程度上依賴于孔隙度等相關函數,計算較為復雜。

雖然基于多孔彈性理論的沉積物聲學模型可以很好地表征海底沉積物聲學性質,但在其基礎上構建體積散射模型時,相比于流體模型和彈性體模型會引入額外的散射機制,使得處理過程變得更為復雜。等效密度流體模型作為多孔彈性介質模型的有效簡化,在沉積物體積散射研究過程中使用更為廣泛?？傮w來說,相關研究人員在海底聲散射理論建模方面作了大量的研究,且絕大部分工作都致力于界面粗糙散射建模。

2 海底聲散射測量實驗進展

目前,國內外研究人員開展了大量不同頻段的海底聲散射測量實驗,但由于測量技術限制,實驗頻段主要集中在高頻,而在中頻的測量實驗較少。

2.1 高頻海底聲散射測量

20世紀50年代,Urick等[3]進行了高頻段的海底聲散射實驗,在10～60 kHz頻段內,采用收發(fā)合置方式開展了單基地海底聲散射測量實驗。隨著相關研究人員對海底聲散射測量技術研發(fā)的不斷重視,一些大型的海底聲散射測量系統(tǒng)被研制出來并投入使用。Barry等[39]研制出一種拖曳式海底反向散射測量系統(tǒng)(圖4),該系統(tǒng)利用拖曳平臺,采用收發(fā)合置測量方式,實現了多掠射角下的后向散射強度測量。此外平臺上還裝有聲學測深傳感器和姿態(tài)測量傳感器,以方便對散射測量設備做出調整。Jackson等[40]利用該系統(tǒng)對粉砂、砂質和礫石3種不同沉積物類型的海底進行了20～85 kHz頻段內的反向散射強度測量。

圖4 拖曳式海底聲散射測量系統(tǒng)示意[39]

Stanic等[41]研制出一種坐底式海底聲學散射測量系統(tǒng),該系統(tǒng)由高頻參量陣聲源和T型接收陣組成,T型接收陣則是由16個水聽器組成,適用于淺水,可以通過2個子系統(tǒng)對海底反向聲散射和前向聲散射進行測量。Stanic等[41]采用該系統(tǒng)開展了頻段范圍為20～180 kHz、掠射角范圍為5°～30°的海底反向散射強度測量。

美國海軍研究辦公室聯(lián)合華盛頓大學、Scripps海洋研究所、意大利NATOSACLANT海底科學研究中心等開展了2個綜合性的海底聲學實驗:SAX99(sediment acoustic experiment-1999)和SAX04(sediment acoustic experiment-2004)[42]。其中,SAX99實驗采用BAMS(benthic acoustic measurement system)、STEM(sediment transmission measurement system)和XBAMS(accelerated benthic acoustic measurement system)3種系統(tǒng)對海底聲散射進行了多掠射角、多頻段下的系統(tǒng)性測量,其工作頻段為20～150 kHz,通過潛水員移動設備來實現不同掠射角下的聲散射測量(圖5)。SAX04將實驗頻段拓寬到20～500 kHz,并鋪設導軌代替潛水員實現聲學設備的旋轉,從而進行不同掠射角的聲散射測量,以減少人工操作對測量帶來的影響[43]。

圖5 SAX99實驗海底聲學散射測量系統(tǒng)示意[42]

此外,研究人員也開展了一些小型高頻海底聲散射實驗。Boehme等[44]采用收發(fā)合置換能器實現了小掠射角(10°以內)下的海底反向散射強度測量,頻段為30～95 kHz。Jackson等[45]對3個不同站位(底質不同)開展了寬掠射角下15～45 kHz頻段內的海底反向散射強度測量。

除采用常規(guī)收發(fā)合置或分置的源-接收器(陣)外,也有研究人員利用多/單波束回聲測深儀器進行海底聲散射測量。Dimitrios等[46]利用多波束回聲測深儀對海底泥沙沉積物進行了200和300 kHz的海底反向散射測量實驗。Ridha Fezzani等[47]利用校準的單波束Simrad EX80寬帶回聲測深儀(Kongsberg產品型號)對法國布雷斯特灣的4個站位(不同底質)進行了海底反向散射強度測量實驗(圖6)。

圖6 單波束回聲測深儀進行海底反向散射測量示意[47]

相較于國外,國內對海底聲散射測量實驗起步較晚,且大多服務于海底混響研究。如金國亮等[48]采用固定在標桿上的10元換能器陣實現了頻率為10 kHz、掠射角為0.6°～40°的含砂硬泥聲學散射測量。張明輝[49]采用平面陣和垂直均勻線陣進行了25～34 kHz的海底前向散射強度的測量。近幾年,于盛齊等[50]采用無指向性發(fā)射-接收系統(tǒng)對黃海典型砂質區(qū)域和泥質區(qū)域進行了6～24 kHz中高頻段內海底聲散射的全向性測量(圖7)。系統(tǒng)采用全向性聲源和全向性水聽器,在測量過程中更換3個不同的聲源來覆蓋6～24 kHz的測量頻帶,其主頻分別為8、15和20 kHz。

圖7 海底聲散射測量設備布局[50]

2.2 中頻海底聲散射測量

受到海底聲散射測量技術的限制,國內外關于中頻海底聲散射測量實驗較少。Holland等[51]提出了一種直接路徑淺水海底聲散射測量技術,采用組合聲源和垂直換能器陣列的海底反向散射強度進行了測量,實驗頻段為400～4 000 Hz頻段。

Hines等[52]開發(fā)了一套寬帶主動聲吶海底聲散射測量系統(tǒng),對砂質沉積物進性了小掠射角(3°～15°)海底反向散射強度測量,測量頻率為4和8 kHz。該系統(tǒng)主要由9元參量發(fā)射陣、超指向性線陣、聲強接收機等部分組成。其中,超指向性線陣由間距為0.16 m的6個小型全向性水聽器組成。

在小型中頻聲散射測量實驗上,Hyoungsul La等[53]對韓國南部海岸粉質沉積物進行了小掠射角(6°～11°)海底反向散射強度全向性聲學測量,測量頻率為8 kHz。Soukup等[54]采用線性聲源陣和垂直接收陣(9個基元組成)對海底石灰?guī)r區(qū)域開展了全向性反向散射強度測量實驗,實驗頻段為2～3.5 kHz。Kunz等[55]對蘇格蘭西部海域18個站點進行了2～5 kHz的海底反向散射強度測量。

3 海底聲散射實驗結果分析

3.1 高頻海底聲散射實驗分析

自20世紀50年代開始,國內外多次開展高頻海底聲散射測量實驗,積累了豐富的海底散射測量數據,表1列出了一些具有代表性的高頻聲散射測量實驗。McKinney等[56]對16個不同類型沉積物(從泥質到巖石)海底站位的反向散射強度測量實驗結果做了綜合分析,實驗頻段范圍為12.5～290 kHz,掠射角范圍為30°～85°,該實驗結果成為后來普遍公認的海底反向散射特性規(guī)律:1)海底反向散射平均散射強度值從泥到沙、礫石和巖石不斷增加,2)海底反向散射強度依賴于粒徑和界面粗糙度,3)海底反向散射強度總體上隨著掠射角的增大而增大。而在頻率依賴性上,實驗結果表明幾種砂質沉積物的平均散射強度按fn隨頻率變化,但對于細砂質和巖石沉積物則沒有發(fā)現明確的頻率依賴性。

表1 高頻段不同掠射角下海底散射測量研究總結

Jackson等[40]及Williams等[57]在海底聲散射特性研究方面開展了大量的測量實驗,并得出了具有代表性的分析結果。Jackson等[40]對5個不同類型沉積物(從泥質到礫石)海底站位的海底反向散射測量結果做了綜合分析,實驗頻段范圍為20～85 kHz,掠射角范圍為0°～85°,結果表明:海底反向散射強度有輕微的頻率依賴性,散射強度隨著掠射角的減小而降低;當掠射角大于70°時沒有很強的頻率依賴性。Williams等[57]分別對SAX99和SAX04實驗中海底反向散射強度測量進行了分析和對比(在SAX99中,掠射角范圍為40°～70°,頻段范圍為10～500 kHz,底質主要為砂質;在SAX04中,掠射角范圍為40°～70°,頻段范圍為20～500 kHz,底質主要為泥砂混合層),結果顯示:對于SAX99實驗中的砂質海底,在20～150 kHz頻率、掠射角小于45°時的聲散射由界面粗糙散射引起,而在SAX04實驗中的泥砂混合層海底則主要以體積散射為主;2種不同底質類型海底聲散射都表現出了一定的頻率和掠射角依賴性。此外,Jackson等[21,45]對多次實驗進行了綜合分析,研究結果表明:除較小(小于臨界掠射角)和較大(在垂直入射附近)的掠射角外,對于泥質海底,體積散射是主要的散射機制;對于中等粒度砂和粗砂質海底,界面粗糙散射在較寬掠射角范圍內為主要散射機制;對于大多數不同底質類型的海底,在垂直入射附近角度,界面粗糙散射為主要散射機制。

近年來,有相關學者利用單波束回聲測深儀對不同類型沉積物海底開展了寬帶聲散射測測量并進行了分析。Weber等[58]分析了掠射角為45°附近砂質和礫石海底反向散射強度,結果表明:在170～250 kHz頻段范圍內,反向散射強度隨頻率呈下降趨勢。Ridha等[47]分析了4種沉積物類型在不同頻段下的海底反向散射強度測量結果,表明4種不同沉積物類型的海底反向散射強度均具有頻率和掠射角依賴性,但在不同頻段范圍、不同掠射角范圍內的反向散射強度變化速率不同。

對于掩埋貝殼碎片或氣泡等離散體的海底聲散射測量,相關學者也開展了相關實驗并作出了分析。Tang等[59]在40 kHz下對砂質海底與含氣泡層粉砂質海底的反向散射強度進行了對比分析(掠射角范圍為5°～20°),結果表明:在砂質海底形成的聲散射中,界面粗糙散射為主要散射機制;而在含氣泡層的粉砂質海底形成的聲散射中,由于氣泡層對聲波的影響,則以體積散射為主要散射機制,在相同頻率下,含氣泡層粉砂質海底反向散射強度要大于砂質沉積物。Stanic等[60]分析了覆蓋或部分掩埋貝殼碎片的粗砂質的海底聲學反向散射數據,其掠射角范圍為5°～30°、頻段為20～180 kHz。結果顯示:該底質下的反向散射強度遵循Lambert定律,并由有輕微的負頻率依賴性。掩埋貝殼碎片或含有氣泡等離散體沉積物的聲散射測量及分析是海底聲散射特性研究中的重要組成部分,但目前開展相關實驗較少,在頻率和掠射角依賴性及機理分析方面仍有較大的數據空白。

3.2 中頻海底聲散射實驗分析

相較于高頻段,國內外對中頻海底聲散射實驗測量起步較晚,且主要以不同底質類型海底散射強度的掠射角和頻率依賴性研究為主。表2列出了一些具有代表性的中頻聲學散射實驗。

表2 中頻段不同掠射角下海底散射測量研究總結

Soukup等[54]分析了掠射角范圍為8°～75°、頻段2～3.5k Hz的石灰?guī)r海底反向散射強度的掠射角依賴性,并與散射模型進行了對比,結果顯示:海底反向散射強度隨掠射角增大而增大,但在局部掠射角區(qū)間變化速率不同,與散射模型表現一致。Ohkawa等[61]分析了5.5 kHz下砂質海底在掠射角范圍為8°～75°下的海底反向散射數據,結果表明:海底反向散射強度隨掠射角增大而增大,但存在一個臨界掠射角,使得在低于臨界角時以界面粗糙散射為主,而在大于臨界角時以體積散射為主。Holland等[62]對掠射角范圍為0°～45°、0.4～4 kHz頻段內泥漿和巖漿巖海底的反向散射強度進行了分析,結果表面:在測量頻段內巖漿巖的反向散射強度要大于泥質海底,且泥質和巖漿巖海底反向散射強度具有頻率和掠射角依賴性;同時證明了層狀結構的海底散射是明顯的。Hines等[52]在4和8 kHz下進行了小掠射角的海底反向散射實驗數據分析,并指出砂質沉積物的反向散射強度在掠射角范圍為3°～15°的區(qū)間內為-50～-20 dB,說明了反向散射強度隨著掠射角的增加而增加。Hyoungsul 等[53]分析了小掠射角下(6°～11°)韓國南部海岸粉質沉積物8 kHz海底聲學反向散射的測量數據,分析表明該區(qū)域粉砂質沉積物反向散射中體積散射為主要散射機制,且粉砂沉積物的反向散射強度隨頻率的增加而增加。

在國內,于盛齊等[50]對細砂質和泥質海底開展了頻段為6～24 kHz、掠射角為20°～70°的海底反向散射強度測量實驗,結果表明:對于砂質沉積物,海底反向散射強度隨掠射角的增加而增加,在大掠射角下增長速率較大,且海底反向散射強度對頻率增加略有增強;對于泥漿質沉積物,海底反向散射強度隨頻率的增加有所減小,且界面粗糙散射在低頻時占主導地位,而隨著頻率的增加,體積散射在大掠射角下逐漸成為主要的散射機制。

4 結論

1)海底聲散射模型研究方面,大多研究人為地將界面粗糙散射模型和體積散射模型單獨考慮,忽略了兩者間的相互聯(lián)系。相較于小粗糙度微擾近似、Kirchhoff近似和復合粗糙度近似模型,小斜率近似法在覆蓋掠射角范圍以及精度上都體現出一定的優(yōu)越性而被更多地應用于界面粗糙散射模型研究。體積散射模型主要采用微擾理論并結合相應海底半空間介質聲學模型進行研究。

2)在海底聲散射測量實驗方面,傳統(tǒng)的海底聲散射測量實驗大多數采用收發(fā)合置或分置的源-接收器(陣),近些年,有相關研究人員采用校正的多/單波束回聲測深儀器進行海底聲散射測量,但主要用于高頻段測量。相較于高頻,受到測量技術的限制,中頻聲散射實驗開展較少。

3)在海底聲散射實驗結果分析方面,高頻上,研究人員通過對大量測量數據的綜合分析得出了一些普遍公認的結論。而對于掩埋貝殼碎片或氣泡等離散體沉積物的散射研究以及中頻海底聲散射研究則開展實驗較少,仍需進一步開展相關實驗來彌補當前數據空白。

進一步地,本文整理出海底聲散射研究存在的關鍵問題及發(fā)展方向:

1)界面粗糙散射和體積散射的關系。

海底聲散射是一個特別復雜的過程,不同頻段的聲波穿透粗糙界面的深度不同,從而在沉積物中產生不同的聲場。因此,如何在不同條件下準確區(qū)分界面粗糙散射和體積散射是一個尚未解決的問題,尤其是沉積層垂直起伏在某種程度上跟隨海水-沉積物界面起伏時,很難劃分界面粗糙散射和體積散射。同時,在構建散射模型時,如何合理處理界面粗糙散射和體積散射之間的關系也是當前研究的一大難點。

2)雙基地海底聲散射特性研究。

目前開展的海底聲散射實驗大多采用單基地聲吶來進行小范圍內海底反向散射強度測量。相比與單基地測量,雙基地測量可實現大范圍內海底前向散射強度的測量,且能有效降低散射測量頻率,對海底聲場結構分析、海底混響建模與預報等具有十分重要的意義。同時,研究雙基地海底前向散射機理,揭示前向散射強度的頻率、掠射角和方位角依賴性,分析海底環(huán)境對前向散射強度的影響以及構建雙基地海底散射模型等基礎研究也將成為迫切的研究需求。

3)海底中頻及寬掠射角聲散射模型研究。

相對于高頻海底聲散射,中頻聲散射在散射機理分析、實驗測量和模型構建方面的研究均比較匱乏。而在實際應用中,水聲通信、掩埋目標探測和反潛聲吶等大多工作在中頻段。因此,迫切需要加強對海底中頻聲散射特性的研究,并構建中頻及寬掠射角聲散射預測模型來滿足水下攻防等應用需求。

4)分層海底聲散射模型研究。

實際海底結構十分復雜,在部分區(qū)域存在海底分層結構,當前的海底聲散射模型通常將海底視為單層半無限空間介質進行處理。因此,研究分層海底聲散射機制,并構建分層海底聲散射模型將是海底聲散射特性研究的另一個重要方向。