声学与海洋沉积学交叉领域的研究
水声技术杨坤德等深海声传播信道和目标被动定位研究现状
水声技术▏杨坤德等：深海声传播信道和目标被动定位研究现状冷战结束之后，国际水声界的理论和实验研究偏重于浅海，国内水声界的工作也主要集中在我国周边近海的大陆架浅海环境。
但是最近十几年，为了争夺海洋资源，国际上的“蓝色圈地”运动深入深海。
我国海洋科技特别是深海领域起步较晚，与发达国家相比，在装备和技术体系的建设方面存在巨大差距。
《“十三五”海洋领域科技创新专项规划》将深海探测技术研究列为重点任务之一，深海环境中的目标远程探测已经成为当前的研究热点。
研究基于水声传播物理特征的信号处理技术是推动水声装备进一步创新发展的重要途径。
只有将海洋环境复杂性考虑在内，新型声呐才有可能达到最优的技术性能。
从这个角度来说，深海声呐技术取得跨越式发展的重要途径之一，在于对深海环境水声传播特性的深入挖掘。
总而言之，水声物理模型、信号处理技术与海洋环境紧密结合是水声技术发展的必然趋势。
一、深海声传播信道深海最大的特点是其独有的海洋分层现象及其产生的不同声传播模式，这些声传播模式与声呐的工作原理密切相关。
图1为低纬度地区一个典型深海声速剖面下声传播路径示意图。
声速剖面为典型的3层结构：表面等温层（形成表面波导）、温跃层和深海等温层。
在深海等温层，当某深度上的声速与海面声速相同时，该深度称为临界深度。
声线由表面波导底部出射，出射角度为0º～5º，传播路径如图1中所示。
下面分析每种深海信道及其在目标探测中的应用。
图1 低纬度地区典型深海声速剖面下声传播路径示意图⒈表面波导表面波导是由海洋表面等温层导致声速剖面微弱正梯度形成的，表面波导可实现水声的远距离传播，因此，表面波导特性及其声传播受到了广泛关注。
Baker和Schulkin基于实验数据给出了表面波导中近距离声传播损失的经验公式；Duan等分析了声呐在表面波导中主动发射和被动接收时的最优深度，以及表面波导中声波的波达角问题。
夏季的表面波导层很薄并且不稳定，存在强烈的时空变异性，是不稳定的信道。
深水沉积及海底扇相模式研究进展
深水沉积及海底扇相模式研究进展刘喜玲;刘君荣【摘要】随着全球油气勘探与开发技术的不断推进，海洋深永区逐渐成为油气勘探的新热点。
海底扇作为深水区油气主要储集体，其独特的深水沉积相模式一直是业内人士关注的焦点，而其沉积相模式的复杂性也是研究者久攻不克的难点。
从“深水沉积”研究历史及进展着手，分析不同时期“海底扇”理论的成因机理、沉积模式的异同点，总结了深水沉积研究的不断发展与逐步深入的历程，深水海底扇的成因机理、沉积模式仍是需要继续探索解决的海洋石油地质科学中的难点问题，对深水扇沉积内幕结构的认识已经从早期对现象的描述发展到探究其沉积的动力学机理。
同时，基于大量岩心、测井与地震资料，越来越多的接近实际的深水海底扇模型得以建立，为深水油气勘探中海底扇储层的有效预测奠定了基础。
【期刊名称】《长江大学学报：农学卷》【年(卷),期】2013(010)005【总页数】4页(P30-33)【关键词】深水沉积;海底扇;成因机理;沉积模式【作者】刘喜玲;刘君荣【作者单位】;;【正文语种】中文【中图分类】TE121.31 “深水”和“深水沉积”的概念“深水”和“深水沉积”的概念在海洋石油勘探中使用多年，但是长期以来对它们的定义和看法存在一定分歧。
目前看来，深水有地质和工程2个方面的定义。
地质意义的深水是陆棚边缘朝海的区域内储集砂岩沉积时的水深，不一定是现今油气勘探开发中的深水；工程意义的“深水”是钻井工程师用来表示深水钻探深度，无论埋藏的储层是否属于深水起源［1－2］。
目前，水深400～500m以下海域的勘探技术比较成熟，因而常称之为浅水区；公认的深水定义为500～2000m，超过2000m为超深水［1］。
“深水沉积”是指在重力搬运作用下沉积在深水环境下的沉积物，或称之为“海底扇”［3］。
2 “深水沉积”Forel于1885年第一次提出了密度流（浊流）的概念［4－5］，从此揭开了深水沉积研究的序幕。
直到19世纪末，传统的观点都一直认为在宁静的深海中仅仅包含远洋泥沉积［4－5］。
地声反演综述
浅海环境参数尤其是海底地声参数（包括海底的声速、密度、衰减系数和分层特征等）的获取，除采用海底采样、钻孔等方法进行局部测量外，利用声学方法进行海底参数遥感（地声反演），具有成本低、速度快、范围广等优点。
在深海，反演常通过多径传播的到达时间不同来进行，而在浅海，由于声信号与海水边界作用，使得传播变得十分复杂，通过多径到达结构来进行反演己不太合适。
比较可行的方法是通过阵列获取声信号在时域、频域、空域的幅度和相位信息，并通过有效的寻优过程，得到与接收数据匹配的环境信息。
因此，很多研究者将目光投向了匹配场处理研究。
1973年，Ingenito （1973）进行了模式分离实验，其在浅海中使用垂直阵对简正波模式进行分离和识别，同时利用模式衰减与海底沉积层衰减特性相联系的理论，通过简单的数据拟合确定了海底吸收系数，这是首次将匹配场处理理论应用于海底参数的反演。
而利用声场确定海洋声速的海洋声层析概念，首先是由Munk 和Wunsch（1979）提出的，他们考察了水声信号到达时间与传播路径声速分布的关系。
进入上世纪80年代以后，反演理论有了快速的发展，各种研究成果和实验结果不断涌现。
Rubano（1980）利用不同位置的爆炸声源测量了群速分布、模式形状和传播损失，并通过匹配方法得到了三层海底地声模型的参数。
Zhou （1985）采用与Rubano类似的实验情况，通过群速分布特性和简正波测量结果（80-120Hz）得到了远黄海局部海域的地声参数。
Rajan等（1987）和Lynch 1991）采用群速度分布曲线来反演海底地声属性，并采用线性扰动反演技术比较了窄带和宽带（20-120Hz）反演结果。
Tolsoty等（1991）利用模拟数据，考虑全三维海洋变化性，提出并设计了一种海洋声层析的新方法，即沿感兴趣的海洋体积周围从飞机上投放爆炸物（低频宽带声源），用傅里叶分量与波动方程的解相匹配进行反演。
Diachok等（1995）将宽带全场反演的其它方法和实验处理结果收集在关于海洋环境参数反演的专著中。
水声探测技术的未来发展方向研究
水声探测技术的未来发展方向研究在人类探索海洋的进程中，水声探测技术一直扮演着至关重要的角色。
从早期简单的声纳系统到如今高度复杂的水下声学监测网络，水声探测技术不断发展和进步，为我们揭示了海洋深处的奥秘。
随着科技的飞速发展，水声探测技术正面临着新的机遇和挑战，其未来的发展方向也备受关注。
一、多传感器融合与协同探测在未来，水声探测技术将更加注重多传感器的融合与协同工作。
单一的水声传感器往往存在局限性，无法全面、准确地获取水下目标的信息。
例如，传统的声纳系统可能在分辨率、探测范围或目标识别能力方面存在不足。
通过将不同类型的传感器，如声学传感器、光学传感器、电磁传感器等进行融合，可以充分发挥各自的优势，实现更高效、更精确的探测。
多传感器融合并非简单地将不同传感器的数据叠加，而是需要进行复杂的信息处理和融合算法设计。
通过对来自多个传感器的数据进行实时分析和综合判断，可以有效降低噪声干扰，提高目标检测和定位的准确性。
同时，协同探测还可以实现对不同类型目标的全方位监测，包括潜艇、水雷、海洋生物等。
此外，多传感器融合与协同探测还可以应用于分布式水下监测网络。
多个传感器节点分布在广阔的海域，通过无线通信技术实现数据的共享和协同处理，从而构建起一个覆盖范围广、监测能力强的水下探测体系。
二、智能化与自主化随着人工智能技术的不断发展，水声探测技术也将朝着智能化和自主化的方向迈进。
智能化的水声探测系统能够自动对采集到的声学信号进行分析和处理，实现目标的自动识别、分类和跟踪。
通过机器学习算法对大量的水声数据进行训练，系统可以学习到不同目标的声学特征，从而提高目标识别的准确性和效率。
自主化则意味着水声探测系统能够在无需人工干预的情况下，根据预设的任务和环境条件自主进行探测和决策。
例如，自主水下航行器（AUV）可以携带水声探测设备，在广阔的海域自主执行探测任务，根据实时获取的信息调整探测策略和路径。
这种自主化的能力不仅可以提高探测效率，还可以降低人力成本和风险。
南海深海典型海深环境下声场分析
式中，c 为声速，f为温度，s 为盐度，A 为深度。 数 据 选 取 2003~2007年 1 月 份 （冬 季 ）的历史
数据平均值，三个位置处的声速剖面（Sound Speed Profile，SSP)如图2〜4所示，分 别 代 表 了 约 1500 m 、 2500 m 和 4500 m 的典型海深情况。从声速剖面看， 三处声速剖面结构较为相似，主 要 包括以下几点：
Y
CQp/Y/运
7O 8o
荦
把
9o
S0
30 60 90 120 150 180
扑 离 /k m
( a ) 位置①
昨 與 /k m
( b ) 声源 300 m 图 7 传 播 损 失 二 维 图 （位 置 ③ ）
对 比 图 7 (a) 和 图 6 (a ) 可以发现，位置③处 己经初具会聚区现象，海表面附近会聚信号区宽度 较大，可利用性提高；对 比 图 7 (b ) 和 图 6 (b ) 可以发现，位 置 ③ 处 300 m 深声源信号可形成较完 整的会聚区，从而其声影区结构也较为明显。
4 总结
围越小。 (4) 海 深 2500 m 情况下，近场探测范围较小，
第 一 会 聚 区 （声线反转与海底反射同时存在）可探 测范围很大，可 达 20 k m 以上；
( 5 ) 海 深 4000 m 以上时，近场探测范围较小， 第 一 会 聚 区 探 测 范 围 也 不 大 ，对装备探测深度提出 了较高的要求。
图 4 位 置 ③ 的 SSP
2 声场分析
利用声场射线模型，对三处典型海深环境进行声传 播分析，并总结其声场特征规律。仿真频率取1000 H z 。 2. 1 海 深 1500 m
针 对 深 海 水 下 目 标 ，其 工 作 深 度 通 常 较 大 ，本 文 以 100 m 、300 m 作为典型目标深度进行分析， 分别仿真不同深度下的传播损失结构，如 图 5 所示， S S P 见 图 2 。从仿真结果看，在位置①，当声源较 浅 时 （S l O O m 的情况），表面声道作用明显，声信 号 除 了 与 海 底 海 面 反 射 外 ，存 在 一 部 分 沿 表 面 声 道 传 播 的 声 能 量 。仿 真 结 果 表 明 ，表面声道 的 传播距 离较远，若 以 80 d B 的传播损失为参考，表面声道 传 播 距 离 可 达 20 k m 以上。深海表面声道传播可用 30
海洋渔业声学装备关键技术研究进展
第3期
宗艳梅等:海洋渔业声学装备关键技术研究进展
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了长足 的 发 展。 近 年 来,以 日 本 FURUNO 公 司 和挪威 SIMRAD 公司为代表的渔业电子装备厂 商开始了新一代的多波束探鱼仪系统的研制工 作。 日本古野旗下的 FSV-35 最大量程达 5 000 m,且实现了水平 360° 全向探测。 挪威 SIMRAD 旗下的多波束探鱼仪 SIMRAD SX90 最大探测距 离为 4 500 m,可以实现 360° 水平全向探测,垂 直方向发射波束倾角达 - 10° ~ + 90°,大大提高 了探测到鱼群的概率。 SIMRAD EK80 采用宽频 覆盖结合先进的信号处理技术是目前渔业领域 较为先进的分裂波束回声探测仪,可同时发射
窄( 探测范围小) 较小 短
2. 3 分裂波束系统 分裂波束技术能够测量目标在波束中的三维
位置,并可直接测定自然状态下鱼体的目标强度 及观测鱼类个体的行踪[17] 。 分裂波束探测系统 具有很宽的频带范围,可同时在不同频段上对海 洋生物、海底资源进行探测,因此有足够的分辨率 来处理较小的浮游动物及较大的鲸类声音信 号[18-19] 。 该系统运用 4 个象限的换能器,通过发 射电路将电信号转换为脉冲并发射到水中,声波 在传播过程中遇到海洋生物反向散射到换能器。 接收时每个象限换能器独立接收,通过比较各象 限接收到的信号确定目标方向[18,20] 。 在实际海 洋渔业探测中,利用分裂波束技术确定目标在波 束中的位置,并根据波束的指向性对偏离声轴的 回声信号进行补偿,从而实现对鱼类目标强度的 客观估测,其工作原理如图 3 所示。 运用目标跟 踪技术可对海洋生物的运动轨迹、游动速率及方 向等参数进行测算[18,20-22] 。
海洋沉积学
一 海洋沉积学的发展
• （1）沉积物调查初期 • （2）独立学科确立时期 • （3）蓬勃发展时期
研究简史
• （1）沉积物调查初期 1872～1876年英国“挑战者”号考察，揭开了海洋沉 积物调查研究的序幕，特别是有关深海沉积物的分类至今 仍有重要意义。1899～1900年，荷兰船“西博加”号进行 的调查在沉积物的分布及组成等方面也取得重要成果。 • 第二次世界大战后，随着军事的需求和海底石油等矿 产资源的勘探开发，海洋沉积物的研究获得长足进展。人 们开始对特定海域和重大理论课题开展专题调查研究。40 年代末期，F.P.谢泼德和M.B.克列诺娃的海洋地质学专著 相继问世，系统地总结了当时对海洋沉积的认识。
石 油 地 质
海相组的相带划分及沉积特征
1．滨岸相
SHORES AND COASTAL PROCESSES Very dynamic settings. Affected by tides, waves and nearshore currents. Change can be rapid and dramatic.
• 海洋沉积物记录了海洋物理和化学过程以及全球气候和环境变 化历史的信息。
• 近年来的研究表明，占沉积物组分一定比例的粘土矿物组合的 变化与长期气候演变存在一定的关系，粘土周期性沉积响应与地球轨道 驱动因子作用有关，陆源粘土通量既受大陆冰盖厚度和海平面变化以及 环流强度的控制，同时又受源区物理、化学风化程度的影响。 • 因此，粘土矿物组合的变化反映了源区气候冷、暖周期性旋回， 记录了搬运、再沉积和环境演化的重要信息，为古环境再造、古季风变 迁以及海陆对比提供了有力证据，同时也为洋盆及其边缘海形成、地球 演化及重建中生代以来古海洋演变模式的研究提供了新思路。
海洋声学
（3）海洋声学技术和仪器。各种不同类型的声纳设备正 是海洋学技术中的佼佼者。海洋声学的研究不仅解开了许 多海洋之谜，也为人类开发海洋、利用海洋提供了许多有 效的途径。
观测要素
海水声速 声速梯度 声速跃层 水下声道
声速梯度
海洋中声速的基本结构 典型深海声速剖面： （4）深海等温层：
在深海内部，水温比 较低而且稳定，特征是正 声速梯度。
在主跃变层（负）和深海 等温层（正）之间，有一 声速极小值—声道轴。
声速梯度
海洋中声速的基本结构 浅海声速剖面：
浅海声速剖面分 布具有明显的季节特 征。在冬季，大多属 于等温层的声速剖面 ，夏季为负跃变层声 速梯度剖面。
声音在海洋中是怎样衰减的？
实验表明，声波在海水中的吸收比在淡水中要大 得多，而且频率越高，吸收就越大。这主要是因 为海水中含有丰富的盐类，特别是硫酸镁。当声 波通过海水时，一部分声能转化为硫酸镁分子的 化学能，最后又变成了热能。除此以外，海底沉 积物对声波也有吸收作用，并且要比海水的吸收 作用大几百倍。进一步研究还发现，海底沉积物 对声波的吸收还与声波频率有关，频率越高，吸 收越大。所以，在海底沉积物中只有频率很低的 声波，才能穿透很大的深度，或传播很远的距离。
科学家们终于找到了直接测量海水中声速的方法，并根
据这一方法设计制造了声速测量器。很快声速测量器就
成为人们迅速、准确测量水下声速的重要工具。
声速测量仪
用来测量海水中声波传播速度，提供海洋声速剖面图的水 声仪器。亦称声速梯度仪。装备于潜艇、反潜水面舰艇、 反潜直升机和海洋调查船等。由声速－深度探头和电子收 发装置组成。声速－深度探头，包括一对距离固定的收、 发换能器和一个压力计。电子收发装置产生电信号，激励 探头内的发射换能器发出声波，声波传到接收换能器后， 再由收发装置进行处理测出声速。常用声速测量方法，有 相位法与环鸣法两种。相位法使用连续波，通过测量发射 与接收声波之间的相位差，推算出发射与接收换能器之间 海水的声速。环鸣法使用短脉冲，接收换能器每收到一个 脉冲，即触发发射换能器再发射一个脉冲，如此反复，根 据脉冲重复频率推算出声速。使用时，声速－深度探头在 水中下沉，在下沉过程中不断测量声速，同时用压力计测 量相应深度，得到测量点声速随深度变化的分布曲线，即 海洋声速剖面图。海洋声速剖面图可用于计算声线轨迹 (见声线轨迹仪)，也可直接用来选择声纳的有利工作状态 和潜艇的最佳航行深度。
中国东南近海海底沉积物声学物理性质及其相关关系
中国东南近海海底沉积物声学物理性质及其相关关系卢博;李赶先;孙东怀;黄韶健;张福生【期刊名称】《热带海洋学报》【年(卷),期】2006(25)2【摘要】在获得的数据资料基础上,发现了中国东南近海海底沉积物声学物理参数的平面分布规律,通过对这些参数的回归分析以及对声速和沉积物密度的估计,建立了经验公式.结果显示,中国东南近海海底沉积物的基本声学物理特性如下:沉积物类型多样而且复杂,从黏土到砂砾有13个颗粒组分组合;沉积物物理力学参数变化范围较大;沉积物声学性质相对于附近海域的数据变化范围更大.这些都与海底沉积环境、沉积物来源、沉积条件和沉积作用过程有关.该项研究有助于建立海底地声模型及开展应用.【总页数】6页(P12-17)【作者】卢博;李赶先;孙东怀;黄韶健;张福生【作者单位】中国科学院南海海洋研究所、中国科学院边缘海地质重点实验室,广东,广州,510301;中国科学院南海海洋研究所、中国科学院边缘海地质重点实验室,广东,广州,510301;中国科学院南海海洋研究所、中国科学院边缘海地质重点实验室,广东,广州,510301;中国科学院南海海洋研究所、中国科学院边缘海地质重点实验室,广东,广州,510301;中国科学院南海海洋研究所、中国科学院边缘海地质重点实验室,广东,广州,510301【正文语种】中文【中图分类】P733.23【相关文献】1.中国黄海、东海和南海北部海底浅层沉积物声学物理性质之比较 [J], 卢博;李赶先;黄韶健;张福生2.南海三海区海底沉积物物理性质及声学特性 [J], 唐永禄3.南黄海中部海底沉积物原位声速与物理性质相关关系 [J], 阚光明;苏元峰;李官保;刘保华;孟祥梅4.海南岛东南外海海底沉积物特征及其声学物理性质研究 [J], 卢博;李赶先;刘强;黄韶健;张福生5.菲律宾海深海海底沉积物声学特性与物理性质相关关系 [J], 孙志文;孙蕾;李官保;阚光明;郭常升;王景强;孟祥梅因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
海洋锋现象及其对水声传播的影响
海洋锋现象及其对水声传播的影响郭婷婷;高文洋【摘要】为了研究海洋锋对声传播的影响,借鉴黑潮引起的台湾海峡南部海洋锋的历史水文观测资料,提出并建立了适合描述台湾海峡南部海洋锋的数学模型及其声速表达式.通过与实测资料对比,建立的海洋锋模型能准确反映客观实际情况,表现出较好的效果.同时,在借鉴了前人研究经验的基础上,采用Argo实测资料,建立了台湾海峡南部海洋锋的数学模型及其声速表达式,利用MMPE水下声场模型进行了海洋声场数值模拟试验,对目标海区典型的声场结构进行了声线路径模拟和传播损失的计算仿真,并将实验结果通过与前人进行的实际大洋声场实验的结果比较,证实了本文的模拟结果是准确可信的,提高了水声数值模拟试验的准确有效性.【期刊名称】《海洋预报》【年(卷),期】2015(032)005【总页数】9页(P80-88)【关键词】海洋锋;声传播;影响【作者】郭婷婷;高文洋【作者单位】海军海洋水文气象中心,北京100161;海军海洋水文气象中心,北京100161【正文语种】中文【中图分类】P733.21海洋锋一般指在海洋中特性明显不同的两种或几种水体之间的狭窄过渡带，其间存在强烈的湍流混合交换、水平辐合（辐散）和垂直运动。
可用海水的温度、盐度、密度、速度、颜色、叶绿素等要素的水平梯度来确定锋带的位置[1]。
海洋锋的规模可以小至几分之一米，大至全球范围的所有空间尺度。
锋存在于海洋的表层、中层和近底层，可分为八类：1.行星尺度锋；2.强西边界流的边缘锋，由于热带的高温高盐水向高纬度侵入而形成，如黑潮、湾流的边缘锋；3.陆架坡折锋；4.上升流锋；5.羽状锋；6.浅海锋；7.河口锋；8.岬角锋。
这些锋都具有持续性，持续时间为数小时至数月。
此外，锋区异常的水文状况，又将直接或间接的影响水下声学通讯，因此，海洋锋对潜艇活动、水声探测、水下通信等影响很大[1]。
本文研究选择的区域—台湾海峡，位于东海和南海之间，是南北沟通我国近海的重要水道，海峡南部地形较为复杂，大致以200m等深线为界，西北方为宽阔的陆架，东南方则属南海海盆，其间为狭窄的陆坡架；在海峡中间有一系列的水下沙洲发育，形成台湾浅滩，其水深小于20m，将海峡一分为二；在浅滩以东100m等深线向北深入海峡，形成澎湖水道，在浅滩西侧另有一水道，水深约40m；在浅滩和澎湖水道以南有一狭窄的坡折带。
海洋信息获取、传输、处理及融合前沿研究评述（上）
海洋信息获取、传输、处理及融合前沿研究评述（上）海洋信息技术涉及海洋信息的获取、传输、处理和融合,不仅在海洋科学研究、环境调查、资源开发、权益维护与安全防卫中发挥越来越重要的作用,也是信息科学研究的热点方向。
海洋信息获取通过光、声、电、磁等物理手段以及生物、化学等传感机制获取目标或海洋动力、生态、地质、气象等环境信息。
信息有线传输为海底光缆的方式,无线传输在水面主要采用电磁波,水下则主要依赖声波这一载体,光波在特定环境条件下也有重要应用。
海洋信息处理包含时频分析,信号滤波、增强、变换,参数估计,检测、定位、跟踪、识别、分类,数据压缩,场景成像,系统辨识等几乎所有常规信息理论与方法研究的内容。
信息融合对从多个信息源获取的数据和信息通过融合算法进行关联、相关和综合,以得到目标和环境完整的状态和精确的判定,以及进行快速全面的态势和场景估计。
随着现代传感器网络的发展,海洋信息的获取、传输、处理和融合越来越以一种综合的方式呈现。
从表面的描述来看,海洋信息似乎是信息理论与技术在海洋中的应用;实质上因为这一应用环境的变化,海洋信息技术有着许多与陆上不同的特点,采用常规的信息方法无法获得预期的效果,众多新的信息理论与方法正是在水下应用中得以滋生和发展。
以声波为例,作为水下信息的主要载体,海洋是“声透明”的,声传播是水下信息感知、辨识和通讯的主要手段,用作目标的探测与定位、海洋物理和生物现象的观察、海洋与地声参量的估计,以及通信与数据传输等。
由于水下信道的复杂性,迄今尚不存在成熟的水声相干通信产品,水声通信网络的试验研究还极为有限,正在吸引更多的通信领域学者。
水下目标探测面临着“干扰强度为目标的1000倍、干扰数目为目标的1000倍”这样的“两个1000”问题,正是1973年美国国防部资助的声纳信号处理系统项目开启了信息融合理论的发展。
声学方法作为水下目标和环境参数大范围测量的主要手段,近三十年的研发历程凸显出水声技术与水声物理、信号处理以及海洋环境的紧密关系。
海洋水声物理方向的国内学科建设情况调研
海洋水声物理方向的国内学科建设情况调研海洋水声物理学是研究海洋中声波的传播、反射、吸收、散射等特性，以及利用声波技术开展海洋资源勘探、海洋环境监测、海洋通信、海洋生物学研究等领域的一门学科。
随着海洋资源开发利用的不断深入和海洋环境保护监测的日益重要，海洋水声物理学的研究和应用也越来越受到人们的关注。
本文将对国内海洋水声物理学领域的学科建设情况进行调研，以了解其发展现状和未来发展趋势。
一、学科发展历程二、学科研究方向目前，国内的海洋水声物理学研究主要集中在以下几个方向：1. 海洋声波传播与影响机理研究。
海洋中的声波传播受到海洋环境的复杂影响，因此需要深入研究海洋中声波的传播特性，包括声速、声衰减、反射、散射等。
还需要探讨海洋中声波与海洋生物、海底地形、海洋环境等因素之间的相互作用机理。
2. 海洋资源勘探与开发利用。
海洋水声物理学可以利用声波技术进行海洋资源的勘探，包括油气资源、矿产资源、生物资源等。
利用声波技术可以实现对海底地质结构的高分辨率成像，为海洋资源的勘探和开发提供重要技术支持。
3. 海洋环境监测与海洋灾害预警。
海洋水声物理学可以利用声波技术对海洋环境进行监测，包括海水质量、海洋生物、海底地貌等方面的监测。
利用声波技术还可以实现对海洋灾害（如海啸、风暴潮等）的预警和监测，为海洋环境保护和海洋灾害防范提供技术支持。
4. 海洋通信与定位导航。
海洋水声物理学可以利用声波技术实现海洋通信和定位导航，包括水下通信、水下定位、声纳导航等方面的研究。
海洋通信与定位导航技术对于海洋资源勘探、海洋环境监测、海洋工程施工等具有重要意义。
三、学科建设现状目前，我国的海洋水声物理学研究主要由一些高校和科研院所承担，其中包括中国科学院海洋研究所、中国海洋大学、哈尔滨工程大学、上海交通大学、南京大学等。
这些高校和科研院所在海洋水声物理学领域开展了一系列重要的研究工作，取得了一些具有重要意义的科研成果。
我国还成立了一些专门从事海洋水声物理学研究的实验室和研究中心，包括声学研究所、声学工程研究中心、深海声学实验室等。
海洋技术研究 多波束声学底质分类研究进展与展望
海洋论坛▏多波束声学底质分类研究进展与展望海底作为一个具有重要意义的地质界面，一直都是海洋科学研究的热点。
海底底质研究是海底研究的基础，除此之外，海底底质作为海洋环境的重要组成部分、海洋测绘调查的主要内容，在海洋地质、海洋工程、海洋环境科学、海道测量及海洋资源开发利用中发挥重要作用，得到国内外专家学者的高度重视。
传统的海底底质分类通常采用箱式取样、重力取样、可视抓斗等方式，按一定网格离散现场取样，并通过室内测试分析后进行底质类型划分。
该方法虽能直观进行底质判断，但效率低、取样有限、作业成本较高、在深水区实施困难，且格网节点间沉积物类型受各种因素影响可靠度不高，无法满足现代海洋科研和开发需要。
随着海上工程建设、海洋资源开发活动的开展，迫切需要更新、更高效、更便捷的技术手段对海区底质类型及其分布情况进行全面、系统的掌握。
水声学技术不断发展，出现了单波束、多波束、侧扫声呐等一系列海底勘测设备，这使得海底底质探测从传统的现场底质取样法发展到非接触式声学底质探测法，其中多波束测深系统（MBES）不仅可以得到高精度的水深地形数据，还能获取丰富的反向散射强度数据。
反向散射强度与海底底质的粗糙度、沉积物粒径、孔隙度、饱和度等物理属性及入射角有极强的相关性，两者的有效结合使得多波束测深系统在底质分类研究中被更多的科研工作者使用，其凭借全覆盖、高采样率、高效率和低成本等优势，逐渐成为海洋声学底质探测的重要方法和手段。
基于多波束测深系统获取的反向散射强度数据和海底声像图，结合海底底质取样获取的真实海底沉积物样品数据，并以多种分类方法，实现海底底质类型自动分类识别。
多波束底质自动分类识别与应用是常规海洋底质调查的有益补充，能快速、准确获取海底沉积物分类状况，将在海洋资源调查、海洋工程建设、海洋科学考察和国防建设等方面发挥越来越重要的角色。
多波束海底底质分类涉及数字信号处理、水声学、高性能计算机、高分辨显示、高精度导航定位、数字化传感器、数字图像处理、机器学习等多学科，经过近30a的发展取得了丰硕成果。
海洋声学海洋环境对声纳系统的影响研究
海洋声学▏海洋环境对声纳系统的影响研究一、水声环境的复杂性⒈季节性特点季节因素对海洋中水声传播具有一定的影响，由于各个季节海洋中日照程度、气温、海流方向和海洋中风浪大小各不相同，因此声音的传播和声速的变化具有强烈的季节性特点。
在这些影响因素中，气温对声音传播的影响程度最大。
通常来说，在冬季海洋中海水表面的温度较低，声速分布上看呈正梯度分布，声线向海面方向弯曲，因此在冬季声纳的探测距离相对较远，探测效果相对较好。
在夏季，白天海面的日照时间较长海水的温度变化较大，海水的水温情况较复杂；具体形容为海水表层的温度较高，但随着水深的增加海水的温度逐渐下降，此时温度分布由上至下呈现倒梯形分布，声速的传播同样也是由上向下呈现倒梯形分布，声线传播的路径由海面弯向海底，因此相对于冬季来说，夏季声纳的探测距离较近，探测效果相对较差。
第二，不同的季节风向和风力程度不同，举个例子海水表层如果受到台风的影响，台风会在短时间内将一定深度以内的海水搅拌成为等温层，这导致在一定深度之内海水的温度都是相同的，而在等温层以下海水的温度会大幅度下降出现温度的极度跳跃，这个温度跳跃层可能很薄但是会将海水划分为两个区域，这个温度的跳跃对高频声波有极强的屏蔽作用，声波穿越的时候声线会发生急剧的弯曲对声波的传递造成严重影响。
第三，一些时候遇到昼夜温差较大的海域，对声音的传播也会造成较大的影响进而影响声纳的探测效果；在白天海洋的日照时间较长日照较充分，海水表面的温度较高，上文已经说过，这时候温度的变化由上至下成为倒梯形，而在夜晚海水表层的温度下降，温度低于深海温度这时温度由上至下形成正梯形分布，这就是我们知道的“午后效应”，根据季节性的特点，夏季的这种“午后效应”要比冬季的更为明显。
⒉区域性特点在海洋上划分可以将海域分为深海区域和浅海区域，这两种区域对水声的传播也具有不同的影响。
在深海区域，声音传播的声速可以分为表面层、跃变层、主跃层和深海等温层，其中主跃层和深海等温层构成了深海声道，这时候声道附近的声波在声道轴上下反复传播，声波主要被聚集在这一范围摘要：声纳系统对海洋中目标的探测依赖于海面、水下和海底等海洋环境，声纳系统作用的距离也与海洋的水文环境密切相关，内传播，很少的一部分能够经过海面和海底的反射，因此声波的聚集程度较高损失量较小，声波可以在这一范围之内传播很远。
水声工程在海洋资源勘探中的技术发展
水声工程在海洋资源勘探中的技术发展嘿，咱今天就来好好聊聊水声工程在海洋资源勘探中的技术发展这事儿。
你知道吗，我有一次去海边玩，那海浪拍打着礁石，发出的声音“哗哗”响。
我就想啊，这声音背后是不是藏着什么大秘密呢？其实啊，这水声可不简单，在海洋资源勘探中，水声工程那可是大功臣！先来说说水声工程是啥。
简单说，就是研究水里声音的一门学问。
这声音在海洋里可太重要啦，就像我们在黑暗中走路需要手电筒一样，海洋里的探索者们就得靠水声来了解情况。
比如说，通过声波的反射、折射，就能知道海底的地形是啥样，有没有珍贵的矿产啥的。
过去啊，咱们的技术可没现在这么厉害。
那时候的设备就像个“近视眼”，看不远也看不清楚。
但随着科技的发展，现在可大不一样啦！现在的水声设备就像是给海洋勘探者装上了“千里眼”和“顺风耳”。
比如说，多波束测深系统，这玩意儿可牛了！它能同时向多个方向发射声波，然后接收反射回来的信号，一下子就能把一大片海底的地形给测出来。
想象一下，就好像给海底做了个超级详细的“CT”扫描。
还有侧扫声呐，它就像个海洋里的“摄影师”，能把海底的地貌、沉船啥的都拍得清清楚楚。
再讲讲水声通信技术。
在深深的海洋里，要想把探测到的数据传回来可不容易。
但有了先进的水声通信技术，就像给海洋里的设备装上了“手机”，能把信息快速又准确地传回来。
而且啊，现在的水声工程技术还越来越智能了。
能够自动识别和分析各种声音信号，把有用的信息筛选出来，省了不少人力和时间。
有一次，我在新闻里看到，因为有了先进的水声工程技术，科学家们在一片之前没被发现的海域里找到了丰富的石油资源。
这可真是太让人兴奋了！这不仅为国家的能源供应做出了贡献，也让我们更加认识到海洋这个巨大宝库的潜力。
不过呢，虽然现在水声工程技术发展得很快，但还是有一些挑战的。
比如说，海洋里的环境太复杂啦，声音传播会受到很多因素的影响，有时候就像信号不好的电话，声音变得模糊不清。
还有啊，一些新的资源勘探需求也对技术提出了更高的要求。
水声工程专业就业方向及前景分析
水声工程专业就业方向及前景分析引言水声工程是一门专注于应用水声技术解决各种问题的学科，其涉及声学、电子工程、通信和海洋科学等领域。
本文将探讨水声工程专业的就业方向及未来的前景。
就业方向海洋科研机构许多海洋科研机构致力于海洋环境监测、海洋资源勘探等方面的工作，水声工程专业的毕业生可以在这些机构从事研究和项目管理等工作，负责设计和实施水声相关的技术和设备。
航海技术和海洋工程航海技术和海洋工程是水声工程专业的重要就业领域之一。
毕业生可以在船舶制造和维护公司、海洋工程公司或港口管理机构等单位从事设备维护、水声设备安装和测试等工作。
水声设备制造和销售随着水声技术和设备的不断发展，水声设备制造和销售领域提供了很多就业机会。
毕业生可以在水声设备制造商或代理商从事产品设计、生产、销售和技术支持等工作。
环境监测与保护随着环境保护的重视和对海洋生态系统的研究需求增加，水声工程专业的毕业生可以在环境保护机构或环境咨询公司从事水声环境监测、水声生态研究和保护计划的编制等工作。
前景分析国内外市场需求增加随着我国海洋经济的快速发展，对水声工程专业的人才需求不断增加。
同时，随着全球海洋资源的逐渐开发和利用，国际市场对水声工程专业的需求也在增加。
因此，水声工程专业的就业前景广阔。
技术发展带来变革水声技术在海洋勘探、海洋工程和环境监测等领域发挥着重要作用。
随着科技的不断进步和创新，水声工程专业的毕业生将面临更多的机会和挑战。
需要不断学习和了解最新的技术进展，以保持竞争力和应对行业发展的变化。
行业合作与创新水声工程涉及多个领域的交叉合作，包括声学、电子工程和海洋科学等。
未来，这种跨学科的合作将更加密切，带来更多的新技术和应用。
毕业生应具备跨学科的综合素质和团队合作精神，适应快速变化的行业环境。
结论水声工程专业具有丰富的就业方向和广阔的前景。
海洋科研机构、航海技术和海洋工程、水声设备制造和销售、环境监测与保护等领域都需要水声工程专业的人才。
海洋声学与声学信号处理
海洋声学与声学信号处理引言海洋声学是研究海洋中声波传播和相应物理过程的学科，声学信号处理是对声音信号进行分析、识别和处理的技术。
海洋声学与声学信号处理的结合为我们提供了深入了解海洋环境和海洋生物的独特机会。
本文将介绍海洋声学的基本原理、声学信号处理的方法以及海洋声学与声学信号处理在海洋科学研究和生物学研究中的应用。
一、海洋声学的基本原理声波在海洋中的传播受到水的性质以及海洋中存在的各种物体的影响。
水的密度和压缩性使得声波在海洋中传播速度较大，但衰减也较大。
海洋中存在的物体（如海底地形、海洋生物等）会散射、吸收和反射声波，从而影响声波传播的路径和特性。
海洋声学可以利用声波传播的这些特性来获取海洋中的信息，如测量海底地形、检测海洋生物等。
二、声学信号处理的方法声学信号处理是对声音信号进行数字化处理的技术。
声音信号具有时域和频域两个方面的特性，声学信号处理可以通过时域和频域分析来提取信号的特征并进行处理。
常用的声学信号处理方法包括滤波、谱分析、特征提取和模式识别等。
滤波是对声音信号进行频率选择性处理的方法。
通过滤波可以去除信号中的噪声和干扰，突出信号中的有用信息。
常用的滤波方法有低通滤波、高通滤波、带通滤波等。
谱分析是对声音信号进行频谱分析的方法。
频谱分析可以将信号转换为频率分布的形式，从而观察信号的频率分布特性。
常用的谱分析方法有傅里叶变换、短时傅里叶变换、小波变换等。
特征提取是对声音信号进行特征提取的方法。
通过提取信号的特征可以用来描述信号的性质和特点。
常用的特征提取方法有时域特征提取（如时长、能量等）、频域特征提取（如频率、频谱形状等）和时频域特征提取（如短时能量、短时频率等）。
模式识别是对声音信号进行分类和识别的方法。
通过建立模型和算法，可以将声音信号与已知的模式进行比较和匹配，从而实现对声音信号的分类和识别。
常用的模式识别方法有模板匹配、神经网络、支持向量机等。
三、海洋声学与声学信号处理的应用海洋声学与声学信号处理在海洋科学研究和生物学研究中有着广泛的应用。
水下声学技术在海洋生物多样性保护中的应用研究
水下声学技术在海洋生物多样性保护中的应用研究海洋生物多样性是维持海洋生态系统健康的必要条件。
然而，随着人类活动的增加以及环境变化的影响，海洋生物多样性正面临严重的威胁。
为了保护海洋生物的多样性，研究人员开始利用水下声学技术来进行监测和研究。
本文将探讨水下声学技术在海洋生物多样性保护中的应用研究。
一、水下声学技术简介水下声学技术是一种利用声波在水下传播的原理来实现远距离通信、目标探测和信号定位的技术。
在海洋中，声波传播的速度远远快于光波和电磁波，而且相对于其他传感技术而言，水下声学技术的成本较低，适用于远距离和实时监测。
因此，水下声学技术成为了海洋生物多样性研究领域的重要工具。
二、水下声学技术在海洋生物监测中的应用1. 声纳探测技术声纳探测技术是一种利用声波回波来识别和跟踪海洋动物的方法。
通过将声波发射到海洋中，然后接收回波信号并分析其特征，可以判断出水下目标的种类、数量和位置。
这对于海洋生物多样性的监测和保护具有重要意义。
例如，利用声纳探测技术可以追踪座头鲸等大型海洋哺乳动物的迁徙路径，以及监测渔业活动对海洋生态系统的影响。
2. 声纳定位技术声纳定位技术是一种利用声音信号的传播时间和强度差异来确定海洋生物位置的方法。
通过在不同位置上部署多个声源和接收器，可以实现对海洋生物的定位追踪。
这对于海洋保护区的管理和海洋生态系统研究至关重要。
例如，在鲨鱼保护项目中，声纳定位技术可以帮助研究人员追踪鲨鱼的迁徙路径，了解它们的栖息地和迁徙习性，从而为其保护提供科学依据。
三、水下声学技术在海洋生物行为研究中的应用1. 声纳标签技术声纳标签是一种携带声学传感器的装置，可以将其固定在海洋生物身上，用于记录和分析其行为和环境信息。
声纳标签技术可以帮助研究人员了解海洋生物的迁徙、觅食和交配行为，以及其对环境变化的适应能力。
例如，利用声纳标签技术可以研究海龟在孵化后的迁徙路径和生活习性，为海龟保护和管理提供数据支持。
2. 水下声学传感网络水下声学传感网络是一种基于水下声学通信的多节点传感器网络，可以实现对海洋生物和环境参数的实时监测。
【精品】海洋声学基础讲义吴立新
【关键字】精品海洋声学基础——水声学原理绪论各种能量形式中，声传播性能最好。
在海水中，电磁波衰减极大，传播距离有限，无法满足海洋活动中的水下目标探测、通讯、导航等需要。
声传播性能最好，水声声道可以传播上千公里，使其在人类海洋活动中广泛应用，随海洋需求增大，应用会更广。
§0-1节水声学简史01490年，意大利达芬奇利用插入水中长管而听到航船声记载。
11827年，瑞士物理学家D.colladon法国数学家c.starm于日内瓦湖测声速为每秒。
21840年焦耳发现磁致伸缩效应1880年居里发现压电效应31912年泰坦尼克号事件后，L.F.Richardson提出回声探测方案。
4第一次世界大战，郎之万等利用真空管放大，首次实现了回波探测，表示换能器和弱信号放大电子技术是水声学发展成为可能。
（外装甲板，远潜艇）5第二次世界大战主被动声呐，水声制导鱼雷，音响水雷，扫描声呐等出现，对目标强度、辐射噪声级、混响级有初步认识。
（二战中被击沉潜艇，60%靠的是声呐设备）6二、三十年代——午后效应，强迫人们对声音在海洋中的传播规律进行了大量研究，并建立起相关理论。
对海中声传播机理的认识是二次大战间取得的最大成就。
7二战后随着信息科学发展，声呐设备向低频、大功率、大基阵及综合信号处理方向发展，同时逐步形成了声在海洋中传播规律研究的理论体系。
81、1945年，Ewing发现声道现象，使远程传播成为可能，建立了一些介质影响声传播的介质模型。
2、1946年，Bergman提出声场求解的射线理论。
3、1948年，Perkeris应用简正波理论解声波导传播问题。
4、50-60年代，完善了上述模型（利用计算技术）。
5、1966年，Tolstor和Clay提出声场计算中在确定性背景结构中应计入随机海洋介质的必要性。
§0-2 节水声学的研究对象及任务1、水声学：它是声学的一个重要分支，它基于四十年代反潜战争的需要，在经典声学的基础上吸收雷达技术及其它科学成就而发展起来的综合性尖端科学技术。
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第24卷第3期2006年7月海洋科学进展ADVANCES IN M ARINE SCIENCEV ol.24N o.3July,2006声学与海洋沉积学交叉领域的研究*杜德文1,2,王宁3,周兴华1,2(1.国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛266061; 2.海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室,山东青岛266061;3.中国海洋大学,山东青岛266003)摘要:声学与海洋沉积学交叉领域研究可分为/沉积层声学特性的研究0、/海底高频声散射或低频声反射与底质类型之间关系的研究0、/回声参数反演海底类型技术0和/海底回声图象识别海底沉积类型技术04个方面的研究,较详细论述了4个方面的国内外研究现状,最后提出了该领域进一步研究的战略思路。
关键词:海底沉积物;声学参数;底质分类中图分类号:P733.23文献标识码:A文章编号:1671-6647(2006)03-0392-05声学与海洋沉积学交叉领域的研究,至少可在下列领域获得应用:海上钻井井位和海底管线路由调查、渔业资源管理、海洋生物习性评估、海洋环境监测、海岸带管理、航道疏浚和码头港口建设、扫雷、布雷和潜艇航行等军事应用以及河道、内陆湖泊的相关工程应用。
例如,传统海底沉积类型调查办法是利用机械装置进行海底表层取样或柱状取样,它的效率较低,成本高,而利用现代声纳技术在获得测深数据的同时有可能获得海底沉积类型的估计结果,使调查效率提高,成本降低。
这些领域的研究工作可能带来技术革新,所以正掀起国内外学者的研究高潮。
归纳起来,声学与海洋沉积学相关的领域的研究可分为4个方面。
第1方面,沉积层声学特性的研究,由此带来的应用技术构成第2方面,回声参数反演海底类型技术;第3方面,海底高频声散射或低频声反射与底质类型之间关系的研究,与之对应的技术研究构成第4方面,海底回声图象识别海底沉积类型技术。
下面分别论述各方面的研究进展,最后探讨该领域进一步研究的战略思路。
1沉积层声学特性的研究海底沉积层的声学特性研究由来已久。
早在20世纪50)60年代,Liberm ann和M ackenzie用脉冲声源和水下炸弹对不同类型海底的垂直反射损失进行实测。
之后,H amilton,Anderso n及Robin等在这方面的工作尤为突出。
其中关于密度与声速,P波速度与横波速度比的研究非常有意义。
他们总结了大量实验结果,给出经验公式。
表1和表2分别给出了大陆架与大陆坡及声阻抗反射系数和深海平原沉积物声学特性之间的关系参数。
H am ilto n通过大量实验数据分析与统计得到声速与孔隙率、孔隙率与平均密度以及密度与孔隙率之间的经验公式[1,2]:c=2475.5-21.764n p+0.123n2p(1)n p=34.84+5.028m U(2)Q=2.6-1.6n p(3)*收稿日期:2005-12-10基金项目:国家高技术发展研究计划项目)))海底底质分类的多参数识别技术(2001AA613040)作者简介:杜德文(1966-),男,安徽寿县人,研究员,博士生导师,主要从事海洋地质、数学地质、海底探测及信息技术研究工作。
E-mail: dw du@(杜素兰编辑)表1 浅海沉积物声学特性参数T able 1 A coust ic physical propert ies of sha llo w sea sediments类型密度/g #cm -3孔隙率/%波速/m #s -1吸收系数/dB #mk Hz -1阻抗/@106N #s #m -3穿透深度/m 反射系数/dB #mk Hz -1粗砂 2.02338.6 1.2010.47 2.4300.6380.417细砂 1.95745.6 1.1450.51 2.2410.5880.381极细砂 1.86650.0 1.1150.68 2.0810.4410.351粉砂砂 1.80655.3 1.0780.69 1.9470.4350.321砂质粉砂 1.78754.1 1.0800.76 1.9300.3950.317粉砂1.76756.3 1.0570.68 1.8700.4410.303砂-粉砂-粘土 1.58366.3 1.0330.11 1.6352.7300.241粘土质粉砂 1.46971.6 1.0140.08 1.4903.7500.197粉砂质粘土1.42175.90.9940.071.4134.2860.171表2 深海平原沉积物声学特性参数T able 2 Aco ustic pro per ties of deep sea plain sediments类型密度/g #cm -3孔隙率/%波速/m #s -1吸收系数/dB #mkH z -1粉砂质砂 1.80655.3 1.0780.69砂质粉砂 1.78754.1 1.0800.76粉砂 1.76756.3 1.0570.68砂-粉砂-粘土 1.58366.3 1.0330.11粘土质粉砂 1.45474.20.9990.08粉砂质粘土1.34870.50.9910.07粘土1.35280.50.9830.007受H amilton 工作的启发,20世纪70年代后大量实验与理论工作集中在多孔介质的弹性模量研究上,试图从理论上确定声速等参数同沉积层成分、粒度、孔隙度等的关系。
典型的模型有Gassmann 模型[3],Bio t 模型[4,5]等。
如在Gassmann 模型中:Q =(1-U )Q S +U [S Q l +(1-S)Q g ](4)式中,U 为孔隙度;S 为液体饱和度;Q s ,Q l ,Q g 分别为构成固体、液体和气体的密度。
以上研究说明利用声学方法估计沉积层底质类型是可行的。
通过声速、阻抗和声吸收系数等参数的测量可以估计海底浅层底质类型。
2 回声参数反演海底类型技术在石油和天然气工业中已普遍应用的地震AVO 方法可认为是阻抗剖面反演的原型。
然而地震探测主要是利用频率较低、波长较大的声波对地层进行探测,根据测不准原理,它只能探测较大尺度的地层结构。
声阻抗剖面反演利用频率大、高波长短(毫米级)的声波,探测浅层地层微结构或表层沉积类型。
20世纪70年代始,地球物理界和声学界开始研究阻抗剖面反演方法。
根据所使用声源频率(几百赫兹到几千赫兹)和测量设置的不同可以实现几米到百米海底以下的地层剖面参数反演。
直接离散求逆法最早由Go upillaud [6]提出,并由许多学者进一步发展,该方法是根据层状介质系统的响应逐层求反射系数,再由反射系数计算出各层的阻抗。
Gjevikk 等[7]提出了频域的连续迭代法,该方法的基本思想与直接离散求逆法一致,只是在推导过程中使用的是连续函数,Nilson 和Gjv eik[8]将该方法推广至含衰减、近似垂直传播的情形。
Gr ay[9]则分析了Go upillaud 方法和Gjveik 等的连续迭代法之间的关系,Ursin 等[10]比较了5种典型的离散与连续反演方法。
War e 和Aki 基于Marchenko 积分方程法研究了层状声介质的声阻抗的反演问题[11]。
Ber ryman 和Gr eene [12]研究表明,Ware 等的离散反散射方法与Goupillaud 和Kunetz 的直接离散方法是等价的。
Symes [13,14],Santosa 等[15]进一步研究了G-L 方法在声阻抗重建中的理论问题和数值求解方法。
反散射方法在理论研究上颇有特色,线性积分方程的数值求解方法稳定性也较好,但计算量大且对未知参数的光滑性3933期杜德文,等:声学与海洋沉积学交叉领域的研究394海洋科学进展24卷要求高。
因此,目前更多的人注重建立计算方法,以便将理论引向实用。
特征线方法是时域反演方法,利用了双曲型方程(组)的经典理论研究,Bude和Burridg e的特征线积分差分法和直接离散等价非线性第二类Volterra型积分方程组的方法[16]。
Kunetz基于特征线理论,将波动方程做差分近似后导出递推公式,由上向下逐层递推求得介质声阻抗剖面,也就是所谓的层剥法。
Rob-inso n[17]和Clarebout[18]的方法是在Kunetz方法的基础上改进而来的。
3海底高频声散射或低频声反射与底质类型之间关系研究国内外在研究海底性质与回声的关系上做了许多有意义的探索,Baldw in等[19]研究了3.5kH z声波的海底反射与柱状样沉积物物理性质的关系,发现声阻抗与沉积物体积密度、孔隙度及含水量密切相关。
Preston等[20]认为海底水声反射强度与海底沉积物的剪切强度密切相关,其次与中粒径颗粒含量相关。
谈振藩等[21]从水下超声波传播和反射理论出发,推导海底声反射模型,并将计算结果与实验海底数据进行了对比。
唐应吾[22]假设海底为松散湿颗粒介质,推导了声反射系数的表达式。
Jackson认为海底的粗糙度对砂质海底的声散射影响大。
卢博等[23,24]研究了浅层沉积物声传播速度和沉积物工程物理参数之间的关系。
Pace等[25]和H ughes[26]从海底宽频回波信号中提取特征来识别海底底质类型。
上述研究的共同特点是,涉及的海底类型不是沉积学类型,这是关注水声学正问题的结果。
虽然获得了很好的认识,但是这些认识在被使用时遇到了问题,由于许多有关海底性质的资料是海洋地质学家调查得到的沉积类型数据,而这些认识很少针对海底沉积类型,认识与宝贵的调查资料发生了脱离,影响了研究结论的使用。
可喜的是,已有学者在关注海底沉积学类型与回声之间的关系问题了。
王正垠等[27]比较了海底砂、砾石、岩石的宽带回波信号的频谱特征,认为三者区别明显。
但是象这样的研究工作并不多见。
为了研究浅海表层沉积物类型与声纳回声的关系,我们在多种沉积类型集中的海域进行调查工作,获取大量多波束声纳测量数据,并提取了海底回声强度信息,利用箱式取样器获取了55个站位沉积物表层样品,并分析了它们的沉积学类型,将沉积物类型与回声强度进行相关性分析,得到一些新认识,即声纳回散强度与砂含量成正比,生物壳的含量较多时,明显增加声反射强度。
这些成果将于近期发表。
4海底回声图象识别海底沉积类型技术20世纪70年代初,开始用回声测深仪记录的信号进行海底纹理制图。
测扫声纳的出现为获取海底回声图像提供了工具,用于获得海底形态,并对海底物质的纹理特征进行定性描述。
海底大致的类别(如基岩、砾石、砂和泥等)通常可以从侧扫声纳的声图上作描述性的区分,但不能精确地确定沉积物类型。
20世纪80年代后期和90年代初期,研究的重点开始转移到以数字技术来分析测深仪的回声信号,定量描述海底表面物质的各种属性。
同时,提取海底回声信号的海底类型特征及基于声纳回声参数的海底分类算法得到发展,例如谱分析[25,28]、统计方法以及神经网络技术等。