5.7基于声呐图像划分海底底质类型通过海底声反射和声散射等手段可以进行海底底质的声学特征研究，海底底质声学特性一直是海洋地质、水下工程地质、海底矿产资源、海洋渔业和水下通讯等领域重要的研究内容。......
2023-11-29
声波与海底底质的相互作用
【摘要】：根据声能方程式，发射波束与海底的直接作用体现在BS项上。结合式(5-9)，海底对声波的散射强度不但与声波在海底的照射面积AE有关，还与海底物质的物理属性有关。根据BSB与海底物质的关系，则可反演海底不同地质类型的区域分布，即海底底质分类。声呐扫测设备也正是基于上述思想进行声呐测量和海底底质探测的。
5.1 声波与海底底质的相互作用
声波在水中的传播特性受控于海水介质、海底地貌以及底质特征等因素。若声波的源声级为SL，发射换能器的指向性指数为DIT，传播过程中产生的能量损失为TL，海洋噪声对声能造成的损失为NL，接收来自目标反射(散射)的信号能级为BS，接收换能器的声噪水平为EL，指向性指数为DIR，则波束传播过程中的声能变化可通过式(5-1)的声呐方程和图5-1来描述。
EL= SL-2TL+ BS-NL+DI R(dB) (5-1)
设Wa和We分别为输出声功率和输入声功率，根据指向性声强的定义，距声源R处的声强为:
图5-1 波束在传播过程中的声能变化
换能器的电转声效率η为: 
聚集系数d为: 
式中:I0和I分别为轴向声强和同一距离处的无指向性声强。
声强在轴上的另外一种计算模型为: 
式中:ρc为海水阻抗(ρ= 1000kg/m3，c= 1500m/s)，p为声压(Pa)，根据式(5-2)和式(5-5)有:
当R= 1m时，上式的分贝表达式为:
定义SL= 20lg p0，DI= 10lg d，μPa作为压力单位，则发射源能级的表达为:
SL= 107.8+ 10lg We+ 10lgη+ DIT (5-7)
波束在传播的过程中，随着球形扩展和海水的吸收，能量的减少量TL(传播损失)为:
TL= 20lg R+αR，(R(m)，α(dB/m)) (5-8)
式中:α为吸收系数，是声波频率、水浊度等参数的函数。
BS取决于海底底质类型、地形条件和波束在海底的投射面积AE，表达为:
BS= BSB+ 10lgAE (5-9)
设τ为脉冲宽度，ψT、ψR、θ分别为发射、接收波束宽度以及波束的入射角，则AE为: BS B是BS0(反映海底底质特征和粗糙度)项以及角度相关项的和，即
BSB= BS0+10lgcos kθ (5-11) (www.chuimin.cn)
当波束入射角θ位于15°～65°范围时，BS B与入射角的相关性用Lambert法则(k=2)可以很好地描述;当波束近乎垂直入射时，BSB(BSN)是比较复杂的，是海底类型和粗糙度的函数。只有回声水平高出噪声水平(NL)一定数量，接收换能器才能接收和检测到测量信号。一般情况下，高出NL 10dB时，采用相位检测;高出20dB时，采用振幅检测。
NL的能级水平为: NL=N0+ 10lgBW (5-12)
式中:N0为环境噪声的谱能级，单位为dB/
BW为接收机的带度，单位为Hz。
设换能器的活性面面积为A，则指向性指数的一般性描述为:
式中:DI的单位为dB;面积单位为m2;波长单位为m。
DI T，R为发射和接收波束模式的指向性指数，分别计算DI T、DI R并求和获得DI T，R，对于一般的线性孔径阵列，当L》λ时有:
DI= 10lg(2L/λ)
对于一个2°的发射和接收波束，长阵列轴上约有17dB的声能转化为指向性指数。
综合式(5-7)至式(5-13)，有
由式(5-14)和式(5-15)可知，声能方程具有计算系统探测距离的能力;根据式(5-11)，声能方程还能反映海底底质类型的变化，因而具有解释海底底质特征的作用。
根据海水中声波传播理论，声波遇到不连续界面时会产生反射、折射和散射现象(如图5-2)。在阻抗不同的分层介质中，设入射声压为pi，界面反射声压为pr，折射声压为pt，与之相对应的入射角、反射角和折射角分别为θi、θr和θt。讨论光滑界面上入射、反射和折射声压之间的关系时，需做如下两个假设:
图5-2 声波与介质面的作用
①界面上不存在剩余压力，即pi+ pr= pt。②界面上质点的法线方向运动速度为零，即
联合以上两个假设，则反射系数R为:
由此可知，声波在介质面处的反射特性与物质的密度相关:密度大，则反射系数也大。
上述模型是在假设海底为镜面情况下得出的结论，实际海床的起伏、底质的多变均会给回波强度带来一定的影响，研究其影响对于波束为非垂直入射的声呐系统具有重要意义。
根据声能方程式，发射波束与海底的直接作用体现在BS项上。结合式(5-9)，海底对声波的散射强度不但与声波在海底的照射面积AE有关，还与海底物质的物理属性(BS B)有关。BS B可表达为:
BSB= EL-SL+2TL+NL-DI-10lgAE (5-17)
若能够准确获得等式右边各项，便可获得BSB。根据BSB与海底物质的关系，则可反演海底不同地质类型的区域分布，即海底底质分类。声呐扫测设备也正是基于上述思想进行声呐测量和海底底质探测的。
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