海底的声学特性实验技术及地中海的若干实例

海底声学特性主要取决于海底分层沉积物的物理特性和海底、次海底的粗糙度。在过去的十年间,已取得很多样品和海底照片,并做了声学测量,从而,增进了我们对影响海底沉积物声特性的机理的了解。北大西洋组织大西洋最高同盟指挥部反潜武器研究中心(NATO SACLANT ASW)提供了在地中海不同区域的海底声学特性的研究结果,对其观察方法和数据分析也作了简单的讨论.给出了影响海底声学特性的沉积物特性之间的关系,并将结果与声学测量进行了比较.     

海底沉积物岩芯横向声学测量系统的标定

水平轴向测量技术相对成熟,但较难获取海底沉积物的无扰动分层声学特性,采用横向测量技术可以解决这一问题。文章研究了海底沉积物岩芯横向测量技术,将水作为海底沉积物测量的参考标准,进行测量系统的标定。提出了等效换能器的概念,将样品以外的声传播介质整合成等效换能器的一部分,标定测量等效换能器声延时和声传播初始能量。以水为标准介质,分别采用33、80、100 kHz三种频率的声学换能器,以及75、90、110 mm三种管径的聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride,PVC),测量所得的水中的声速与标准计算水中的声速具有一致性,其中以采用80 kHz频率声学换能器和90 mm管径PVC管测量时的声速误差最小,选用此状态进行标定,得出当隔水耦合测量法换能器相对距离为142.02 mm时,标定的等效换能器声延时为45.88±0.08 μs,等效换能器声传播初始能量(以接收换能器的接收电压表示)为0.86±0.03 V。应用标定的等效换能器声延时和声传播初始能量测量海底沉积物。计算得到声速和声衰减系数符合黏土质粉砂的声学特性。     

海底沉积物样品声衰减与温度关系的实验研究

不同海区海水温度不同,导致不同海区沉积物温度不同;实验室环境温度变化造成沉积物温度的变化。模拟沉积物的温度变化来研究沉积物声衰减的变化,分别从声衰减系数和本文提出的温变衰减系数描述声衰减。以原状样品和人工样品为例说明了在一定厚度的海底沉积物中,声波的传播能力受到沉积物本身分布的均匀度的影响,会出现不同的衰减趋势;通过定义温变衰减系数得到了海底沉积物对能量的传播能力随温度的升高而降低。     

在轴向应力应变下海底沉积物声速及其响应

对南沙群岛海域海底浅表层沉积物短柱状样所进行的轴向应力-应变/声学测量,结果表明纵波声速有着三种的变化结果,这些结果与海底浅表层沉积物的物理力学性质,颗粒接触状态,颗粒结构微结构等特征有关.本项研究可为深入认识南海南部各种海底沉积物作为承载界面的可靠程度,声遥测遥感海底沉积物的工程力学性质等科学目的作出理论贡献.     

沉积物声速现场测量装置

引言 关于海底沉积物声传播速度的测量方法,是多种多样的。为了尽可能减少样品的扰动和所处环境的差异,以获得可靠的测量数据,应采用现场测量技术。据报道,国外已开展这方面的研究,目前被认为较为完善的是Anderson和Shirley等人设计的可穿透9m的声管,以用于测量沉积物的声速和衰减。但是,由于重力取样管高速插入沉积物的摩擦和相对弱耦合的影响,会使表层(即泥-水界面)的测量精度降低。 一般地说,环鸣法和脉冲时延法,都是现场测量声速的有效方法。但是,声在浅海沉积物中的传播情况相当复杂,声速变化范围大;还有传播衰减和混响,使得接收信号…     

用声学三参数判别海底沉积物性质

通过用声速-波形-振幅三参数识别技术获得海底沉积物的声速和频谱分析结果,根据声速、波形、振幅认识海底沉积物物理状态和结构特征,结合沉积层的其他地质信息,综合来判别海底沉积物性质。实验结果表明:利用声速高低、波形包络、振幅形状大小与沉积物结构、微结构、层理、颗粒成分、矿物组成、物理力学参数之间的关系,可以判别实验海区浅表层海底沉积物基本性质和划分海底沉积物钻孔岩心中古海水进退事件痕迹的埋藏深度。为声遥感遥测海底沉积物的实践作出尝试和贡献。     

非絮凝状沉积物与絮凝状沉积物中的声衰减

海底沉积物中的声衰减机制,如果假设是其中的粒子与海水在声场中作相对运动时所产生的粘滞摩擦,所得理论虽然能够解释非絮凝状沉积物(如人工沉积物和一些松散的砂质沉积物)中的声衰减规律,但不能解释絮凝状沉积物中的声衰减正比于频率的一次方这一实验结果;如果假设是沉积物的内耗,所得理论就能解释絮凝状沉积物中声衰减的测量结果.在本文中,我们同时考虑了上述两种声衰减机制的贡献,导出了沉积物中的声衰减系数,所得理论能解释所有沉积物中声衰减系数的测量结果.     

采样时沉积物声学特性的现场测量方法

本文描述了一个联接到沉积物采样器上的测量系统,为的是当沉积物采样器工作时能在现场得到沉积的声速剖面。该系统使用了安装在采样器的探头里的二个电声换能器,以及相应的电路,以便测量声脉冲通过沉积物样品直径的时间;给出了实验室和野外的测量结果,亦进行了把测量声速的系统推广到测量沉积物的声衰减和沉积物内体积散射的可能性的研究.     

海底沉积物声学性质测量技术评述

由于资源勘探、军事应用、岩土特性声学调查和声波传播理论研究等的需要,多年来人们一直在进行海底沉积物声学性质的测量。对海底沉积物声学性质的取样测量技术和原位测量技术进行了叙述,分别总结了两种测量技术存在的问题,认为下一步有必要发展海底沉积物低频声学性质的直接测量技术,建议在原位测量海底沉积物声学性质参数的同时测量其他性质参数以便于对比研究,并设法提高原位测量的工作效率。     

海底沉积物声学测量中频谱分析方法应用研究

海底沉积物声学测量数据中包含着的频谱特征和信息,是区分和判别沉积物类型的重要依据。应用频谱分析方法,研究海底沉积物声学测量的频谱特征,分析声波探测仪器的性能,判断沉积物测量异常数据,研究温度变化下频漂现象,探寻到沉积物内在特征的一些规律性现象。并通过对两类沉积物的频谱分析结果比较,进一步论证区分沉积物的可行性。实测结果表明,频谱分析能够为声波探测仪器的性能测试及海底沉积物声学物理性质研究提供技术手段和分析方法。     

基于自组织神经网络的声学底质分类研究

研究利用多波束测深系统获取的反向散射强度数据,应用自组织(Self Organizing Map,简称SOM)神经网络分类方法实现了对海底泥、砂、砾石和基岩等底质类型的快速、有效识别。通过实验示例,将SOM神经网络的分类结果与传统海底地质取样获取的真实底质类型进行分析比较,表明该方法是可行和有效的。     

基于波束计算的水下声学探测设备声兼容传播过程分析

对于搭载多种声学探测设备的水下平台,不同设备的信号可能会产生相互干扰。因此,根据探测设备的波束特性,针对水下平台对海底的探测情形,来分析探测设备声兼容传播过程的特性。结合射线声学和海底散射模型,建立了声兼容分析中声传播的计算方法,并且分析了传播过程中各种因素对声兼容设计的影响。结果表明,在算例的波束条件下,声速剖面对声兼容性的影响较小,而特定类型的海底底质的影响较大。此外,水下平台距海底越高,或者波束偏转越大,声学设备间的相互干扰就越大。为了尽可能减小干扰信号的影响,应尽量避免干扰信号的发射波束和接收波束交叠,此外还给出了波束覆盖角阈值和干扰信号衰减的关系。     

多波束声呐海底底质半监督学习分类方法

多波束测深声呐的反向散射数据中包含海底表层的声学信息,可以用来进行海底表层底质分类。但实际中通过物理采样获得大范围的底质类型的标签信息所需成本过高,制约了传统监督分类算法的性能。针对实际应用中只拥有大量无标签数据和少量有标签数据的情况,文章提出了基于自动编码器预训练以及伪标签自训练的半监督学习底质分类算法。利用2018年和2019年两次同一海域实验采集的多波束测深声呐反向散射数据,对所提算法进行了验证。数据处理结果表明,相比仅利用有标签数据的监督分类算法,提出的半监督学习分类算法保证分类准确率的同时所需的有标签数据更少。自动编码器预训练的半监督学习分类方法在有标签样本数量极少时的准确率仍高于75%。     

基于深海声影区海底反射损失的地声参数反演方法

海底的声速、密度、衰减系数等地声参数,在声场预报、目标定位中十分重要。因地声参数原位测量和海底采样在深海中实施困难,需要寻找新的方法来获取地声参数。在深海声影区环境下,直达波会随着距离的增加而逐渐消失,一次反射波及多次反射波是对深海声影区声场起重要作用的多途信号。文章首先对声影区多途达到结构进行分析,利用多次比较法得到随掠射角变化的反射损失,并对海底地声参数进行反演,然后将反演的地声参数代入声场模型得到海底反射损失,将其与实验测量结果进行比较,结果吻合较好。并通过对反演过程的散点图和后验概率进行分析,证明了反演结果的可靠性。该方法可用于深海声影区的海底地声参数的反演。     

基于时-空离散化的海底混响时间序列仿真方法

以海底混响为研究对象,提出了一种混响仿真时通过时空离散化处理降低计算量的方法.以混响的点散射模型为基础,海底混响认为是海底散射体对发射信号的响应,用线性网络对其进行描述,得到冲击响应函数.通过对冲击响应函数时间离散射化处理,相应的对海底进行空间区域划分,进而把散射体散射信号叠加时的叠加总数转化为时间域离散化之后的时间段...     

聚焦参量阵原频声场抑制方法的研究

在近距离海底底质原位探测中,使用多阵元聚焦技术能弥补参量阵中差频信号能量较低的不足,但也会使得声焦点处的原频信号能量过高,导致接收系统信号波形限幅,引起波形失真,此外在声场测量时也容易造成传感器损坏.基于KZK(Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov)方程和Berktay包络自解调理论,以声焦点...     

一种用于多载波水声通信系统的频域均衡算法

自适应均衡器是水声通信克服信道多径衰退、消除码间干扰(ISI)的主要手段。为了在不减少数据传输速率的情况下,有效提高系统的抗多径能力,提出了一种用于水声多载波通信系统的多通道频域自适应均衡算法。利用频域LMS算法,按照最小化频域均方误差的准则调节均衡器,从而获得最优的频域权系数。该算法一方面解决了在频域求得估计误差的问题,另一方面,和采用信道编码的方式相比,在不降低数据传输速率的情况下,有效提高了系统的性能,通过仿真试验和湖试对其性能进行了验证。     

海底热流高精度测温仪的校准方法

针对海洋环境下温度参数的变化,结合海底热流测温特点,对海底测温仪测量精度的影响因素及其校准方法进行了研究。根据温盐深测量仪实验室的标定数据,对测温仪的零点漂移和温度漂移进行修正,并与海底测量仪海试原位数据进行比对校准。实际海上试验数据表明,在-2～+32℃温度范围内,海底测温仪的温度测量误差小于±0.002℃。