典型海底底质散射强度研究

金中原，杨日杰，战　和,2

(1.海军航空工程学院,山东 烟台　264001; 2. 92074部队,浙江 宁波　315020)



典型海底底质散射强度研究

金中原1，杨日杰1，战和1,2

(1.海军航空工程学院,山东 烟台264001; 2. 92074部队,浙江 宁波315020)

摘要：海底底质的类型十分复杂，如果按照各个参数的不同进行分类，极其繁复。针对这个问题，在对大量海底底质原始数据处理的基础上，将底质类型划分为6种典型的底质类型，增大了模型计算效率，也为底质数据库建库提供了方便有效的处理方式。

关键词：典型底质；散射强度；计算模型

本文引用格式：金中原，杨日杰，战和.典型海底底质散射强度研究[J].兵器装备工程学报，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.

海底散射是影响声纳性能的重要因素之一。尤其在我国渤海、黄海和东海大部分海区，海深比较浅，海底散射强度比较大，声呐性能预报和评估时，其影响不可忽略。

近年来，国内外学者对海底散射进行了大量的研究，建立了多个散射模型，如流体模型、弹性模型、多孔弹性模型等。数学近似方法有小粗糙度近似、Kirchhoff近似、小斜率近似、复合粗糙度近似等。

从大的范围来讲，海底散射可分为两种，一种是海底粗糙度散射，一种是沉积物体积散射。海底粗糙度散射主要针对的是平坦海底的界面散射，而沉积物体积散射针对的是透射到沉积物内部的声波散射[1]。

本文针对沉积物的性质进行分析归类，对其进行散射强度计算仿真。并将模型计算结果与实际情况进行对比，得出了较好的结论。

1底质类型划分

一般来讲，影响散射强度的底质类型性质主要有平均粒径、孔隙度、颗粒密度、颗粒体积模量、弹性模量、孔隙大小等，而具体进入模型计算的参数将更加复杂，包括声速(Vp)、压缩波衰减(αp)、平均粒径(Mz)、分数孔隙度(β)、体密度(ρ)、颗粒密度(ρg)等。

下面以粒径的大小分类为例进行分析。表1中所示的数据即为对砾石类的分类。d代表粒径(mm)，Mz(φ)为以对数形式的平均粒径。其表达式为

表1　沉积物粒径分类对照表

表2列出了对各种性质进行综合分类的部分数据。表2中的沉积物按平均粒径减小(φ值增大)的顺序排列，粗糙度使用RMS(均方根)高度及粗糙度幂律谱的斜率和截距来表示。对于各向异性粗糙度的测量是沿波峰到波峰的方向(c-c)和沿走向进行的。测量工作采用潜水员操作的35 mm立体照相机、遥控70 mm立体照相机或由潜水员在迈拉纸上进行手工描绘等。关于谱斜率-γ1和谱强度φ1的单位，详见参考文献[2]中的附录D.1.3。

本研究在分析原始数据的基础上，发现原始数据种类繁多，在实际使用时难以归类，对数据库的建库带来困难，针对这一问题，本文基于菌类算法将这些底质类型划分为6种底质类型，代表上述原始数据以简化对底质类型的研究，为海底底质数据库建库提供了方便的参数信息。具体分类情况如表3所示。

2散射模型

海底散射是一个十分复杂的过程，海底的不平整性、海底坡度、海底沉积物的类型都会对海底散射强度产生影响。本文采用Jackson模型进行计算与仿真。在计算散射强度时，只考虑一次散射情况。

Jackson模型认为海底散射强度由海底界面的不平整性散射强度和沉积物体积散射强度之和组成，且忽略声透射的影响。模型的假定条件有：

表2　浅水沿岸站位各种沉积物类型测量得到的海底粗糙度

表3　6种典型底质的各项参数

工作频段为10～100 kHz；海底界面起伏为各向同性，二维高斯随机过程，海底沉积物为流体，不考虑弹性和黏滞效应；沉积物性质均匀，无分层。

图1　海底散射示意图

由于海底散射主要由海底界面粗糙度散射和沉积物的体积散射组成，故海底散射强度可写为

(1)

其中：σr(θ)为不平整海底引起的散射截面；σv(θ)为沉积物体积散射截面。

在此，首先引入二维粗糙度谱的概念对不平整海面的描述：

(2)

γ2=γ1+1

(3)

(4)

ω1=(2π)γ1-1φ1

(5)

其中：F为空间频率；K为水中波束；h0为参考高度，取为1cm；ω2，γ2为二维谱强度和谱指数；W(K)为二维粗糙度谱。

模型所需输入参数有：沉积层中平均声速与海水中的声速比ν；沉积层密度与海水密度之比ρ；声波中虚波束与实波束之比，即损失参数δ

(6)

在此基础上定义复向量为

(7)

2.1界面散射

Jackson散射模型中、界面散射采用了Kirchhoff近似模型和复合粗糙度模型计算散射系数[6]。当掠射角接近垂直入射(θ>70°)时采用Kirchhoff近似模型计算散射系数；在普通掠射角(θ<70°)时采用复合粗糙度模型计算散射系数。总的散射系数由上述两种计算方法内插计算而得[7]。

Kirchhoff近似模型可以应用于粗糙界面散射计算，其反向散射截面表达式为

(8)

其中：

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

复合粗糙度近似由两部分组成：一部分由海底大尺度均方根坡度近似获得；一部分利用小尺度微扰横截面对超过均方根坡度平均值的部分进行阴影修正。复合粗糙度的界面可定义如下

(16)

式中S(θ,s)为阴影修正函数

(17)

(18)

(19)

(20)

式中：erf(t)为误差函数；s为大尺度均方根坡度。函数F(θ,σpr,s)为微扰横截面偏离均方根坡度的平均值、可以通过对高斯——厄米特多项式[8]的前3项近似

(21)

函数σpr(θ)是海底散射截面在小粗糙度下的微扰近似[9]，可表示为：

P(θ)表达式见式(28)，对两种散射强度进行插值

(24)

其中：

2.2沉积物体积散射

沉积物体积散射由沉积层中声速和密度的起伏引起，表示透射声波在沉积物内部发生的散射[10]。其表达式如下

(29)

(30)

其中各参数的含义已在第2节开头及2.1节中解释，这里不再赘述。

3仿真分析

根据第2节中所表述的散射模型，在本节中设定参数对该模型进行仿真分析，研究散射模型中各参数变化对散射强度的影响。仿真过程采用控制变量法实现对单一因素的影响分析。

根据上节中海底散射模型的表达式，本节选取计算参数为声波频率 f=34kHz；海水中的声速c0=1 512m/s；取掠射角θi=10,30,70；声阻抗系数取1.541；体积模量取6～50；沉积物成分主要为钠～钙～长石(斜长石)为主；海深在1 500～3 000m；海况为3级；沉积物深度不超过1.5m；对各种底质数据进行仿真分析。

由图2可以看出，散射强度与平均粒径开始呈微弱的负相关，后在4～3粒径范围附近呈正相关，可能是平均粒径较小的如淤泥和黏土类的体积散射占主导地位，其散射强度有一定的提升，而粒径大的如砾石类、其表面粗糙度的界面散射较强。

由图3可以看出，孔隙度对散射强度的影响不大，在一定的精度范围内，可以忽略其影响。

由图4可以看出，散射强度与密度比变化的相关性并不大。

由图5可以看出，散射强度与声速比呈一定的负相关，可能是声速越大，声波的衰减越大。

图2　散射强度随平均粒径的增大而变化的仿真结果

图3　散射强度随孔隙度的增大而变化的仿真结果

图4　散射强度随密度比的增大而变化的仿真结果

图5　散射强度随声速比的增大而变化的仿真结果

由图6可以看出，散射强度与粗糙度斜率变化的相关性不大。

由图7可以看出，散射强度与粗糙度截距呈一定的正相关。

图6　散射强度随粗糙度斜率的增大而变化的仿真结果

图7　散射强度随粗糙度截距的增大而变化的仿真结果

综合以上仿真结果可以知道，影响散射强度的主要参数为平均粒径，声速比和粗糙度截距，而声速比在0.7～1.3的范围内下降了7～8dB，平均每0.1个声速比下降1.1dB左右，而典型底质的声速比在0.9～1.2，代表了绝大多数底质的性质，其误差范围在3～4dB之内。故以声速比的变化来讲，这6种底质完全可以代表绝大多数底质类型。粗糙度截距的相关性更小，更能说明以上问题。只有平均粒径的误差可能会稍微增大至5～6dB。

4结论

本文所介绍的6种底质类型，可以代表大多数的典型海底底质类型，可以此为基本依据将目前数据库中的底质类型分类，将数据库中原始数据归为6种底质类型，再选择相应的散射模型即可计算出对应底质的散射强度。

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[9]URICKRJ.水声学原理[M].洪申,译.哈尔滨:哈尔滨船舶工程学院出版社,1985.

(责任编辑杨继森)

收稿日期：2016-01-10；修回日期：2016-02-24

基金项目：国家自然科学基金(61271444)

作者简介：金中原(1991—)，男，硕士研究生，主要从事水声工程研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.034

中图分类号：O427.2

文献标识码：A

文章编号：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

【基础理论与应用研究】