基于反射法的海底淺層沉積物聲學(xué)原位測(cè)量方法

李 琦，劉 頡，黃 翠

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

基于反射法的海底淺層沉積物聲學(xué)原位測(cè)量方法

李 琦，劉 頡，黃 翠

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

開(kāi)展基于反射法的海底淺層沉積物聲學(xué)原位測(cè)量方法研究，針對(duì)實(shí)際海洋環(huán)境中具有分層結(jié)構(gòu)的沙或泥質(zhì)沉積物，建立了具有粗糙界面的層狀介質(zhì)中球面波的三維反射模型，根據(jù)特點(diǎn)優(yōu)化算法并建立海底沉積物特性參數(shù)快速反演方法，設(shè)計(jì)了海底淺層沉積物聲學(xué)原位測(cè)量裝置，該研究結(jié)果將為海底淺層沉積物快速實(shí)時(shí)原位精確觀測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。

淺層沉積物；三維反射模型；快速反演；原位

海底淺層沉積物聲學(xué)參數(shù)是決定海洋聲場(chǎng)環(huán)境的關(guān)鍵因素，是海水中聲波傳播損失、海洋聲場(chǎng)組成、水聲學(xué)等研究的重要組成部分，是海洋底質(zhì)調(diào)查、海洋聲場(chǎng)研究和海洋地球科學(xué)研究不可缺少的研究?jī)?nèi)容，在海洋工程建設(shè)、軍事海洋安全以及海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有重要的研究?jī)r(jià)值[1]。在軍事方面，艦艇的選址等與海底聲學(xué)環(huán)境有密切關(guān)系，海洋底質(zhì)聲學(xué)基礎(chǔ)參數(shù)及聲學(xué)特性是軍事海洋學(xué)的重要研究對(duì)象。在民用方面，海洋聲學(xué)定位、海洋人工建筑設(shè)施、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋地質(zhì)構(gòu)造研究、海底礦產(chǎn)資源的勘探與開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域需要進(jìn)行海底沉積物聲學(xué)特性研究，便于更合理的規(guī)劃和利用海洋。

沉積物聲學(xué)模型主要可以分為三類(lèi)：流體模型、彈性體模型和孔隙彈性體模型。大多理論將海底視為流體或彈性體，然而實(shí)際海洋環(huán)境中的沉積物是多孔的，所以同時(shí)考慮了沉積物的多孔性和彈性的孔隙彈性體模型成為一種可能更加準(zhǔn)確描述沉積層性質(zhì)的主流理論。自Biot于1956年首先建立了流體飽和多孔介質(zhì)中的聲學(xué)模型 (簡(jiǎn)稱(chēng)Biot模型)[2]，在此研究基礎(chǔ)上，國(guó)外，Stoll、Chotiros、Buckingham和Williams分別在Biot研究基礎(chǔ)上建立Biot-Stoll模型[3]、BICSQS模型[4]、非固結(jié)海底沉積層結(jié)構(gòu)模型[5]和等效密度流體近似模型 (Effective Density Fluid Model，EDFM)[6-7]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者們不僅開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究，修正了孔隙彈性理論，并在此基礎(chǔ)上，針對(duì)不同地貌單元，開(kāi)展了具有復(fù)雜分層結(jié)構(gòu)的海底沉積物特性分布特征的研究。國(guó)外，DUNCAN AJ討論了澳大利亞碳酸鹽大陸架內(nèi)不同沉積環(huán)境下細(xì)分的沉積物分層結(jié)構(gòu)對(duì)淺海聲傳播的影響[8]，SALEH M等[9]利用海底淺層剖面設(shè)備數(shù)據(jù)，對(duì)具有分層結(jié)構(gòu)的淺層沉積物進(jìn)行聲學(xué)分類(lèi)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室樣品分析證明其具有可行性。國(guó)內(nèi)，廣州工業(yè)大學(xué)鄒大鵬、盧博[10]等通過(guò)分析海底沉積物垂直聲速梯度，運(yùn)用沉積物聲傳播模型校正表層沉積物聲速特征來(lái)計(jì)算和解釋地聲模型。海洋一所的王景強(qiáng)、郭常升等[11]總結(jié)了國(guó)內(nèi)理論研究和實(shí)測(cè)工作，認(rèn)為需要分析聲波傳播模型在復(fù)雜沉積環(huán)境聲學(xué)參數(shù)預(yù)測(cè)中的適用性，提出模型參數(shù)的選擇需按照沉積物類(lèi)型和沉積環(huán)境等進(jìn)行更為精細(xì)的分類(lèi)。綜上所述，國(guó)內(nèi)外在分析海底沉積物特性參數(shù)三維空間分布研究工作剛剛起步，尤其是在分析不同沉積環(huán)境等單元聲學(xué)參數(shù)變化模式、構(gòu)建準(zhǔn)確的地聲模型等方面，缺少相應(yīng)的精細(xì)而真實(shí)的具有分層結(jié)構(gòu)的沉積物聲學(xué)數(shù)據(jù)，急需開(kāi)展針對(duì)層狀海底淺層沉積物特性參數(shù)聲學(xué)測(cè)量方法研究。

目前，海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量基本采用基于透射式和折射式兩類(lèi)侵入式海底沉積聲學(xué)原位測(cè)量方法為主[12]，這兩種方法對(duì)海底沉積物仍有一定擾動(dòng)，而基于聲反射法的聲學(xué)原位測(cè)量技術(shù)作為一項(xiàng)可快速獲取海底信息的新興技術(shù)，具有非接觸、易于維護(hù)、測(cè)量精度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用小尺度空間海底淺層沉積物特性參數(shù)的測(cè)量，在海洋工程地質(zhì)勘探、海洋地形地貌、水聲傳播等方面具有較好的應(yīng)用前景，可滿(mǎn)足未來(lái)地球科學(xué)發(fā)展對(duì)高分辨率聲學(xué)觀測(cè)海底淺層沉積物特性研究的迫切需要。如圖1所示，本文在國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究基礎(chǔ)上，開(kāi)展基于反射法的海底淺層沉積物聲學(xué)原位測(cè)量方法研究，通過(guò)建立對(duì)基于海底沉積物聲學(xué)模型的聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行定量評(píng)估的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)特點(diǎn)優(yōu)化算法并建立海底沉積物特性參數(shù)快速反演方法，利用接收信號(hào)的波形、傳播時(shí)間和功率，通過(guò)使實(shí)測(cè)和建模的聲信號(hào)之間的差異最小化，分析具有復(fù)雜分層結(jié)構(gòu)的海底淺層沉積物特性分布特征，實(shí)現(xiàn)海底淺層沉積物快速實(shí)時(shí)原位精確觀測(cè)。

圖1 研究方法示意圖

1 原理與方法

1.1 海底淺層沉積物聲波傳播理論

1.1.1 等效密度流體近似聲學(xué)模型 基于海底沉積物的聲學(xué)理論建立合理的聲反射模型，是利用反射信號(hào)反演沉積物特性參數(shù)的前提，Biot理論需要個(gè)輸入13參數(shù)，并且部分參數(shù)難于直接測(cè)量，于是William提出了基于 Biot理論的 EDFM模型，基于1999年的沉積物聲學(xué)實(shí)驗(yàn)(Sediment Acoustics Experiment—1999，SAX99)聲學(xué)試驗(yàn)，其模型的有效性得到了聲學(xué)實(shí)測(cè)的分析和驗(yàn)證，比較了理論模型預(yù)測(cè)值與海底沉積物聲學(xué)實(shí)測(cè)值，結(jié)果表明Buckingham理論較準(zhǔn)確表述了衰減隨頻率的變化趨勢(shì)，而等效流體近似理論與完整的Biot理論預(yù)測(cè)的結(jié)果基本相同，不僅能夠匹配聲速的頻散特征，并且很大程度上簡(jiǎn)化了Biot模型，該模型適用于細(xì)沙或泥等軟質(zhì)沉積物，其反射模型相比于任何聲傳播模型或聲散射模型要簡(jiǎn)單運(yùn)算量小，使得基于聲反射的海底參數(shù)反演方法在運(yùn)算速度上會(huì)體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。其中，如表1所示，Biot-Stoll模型除孔隙水密度、顆粒密度、孔隙度等主要參數(shù)外，還需要輸入更多的參數(shù)，其中顆粒密度、孔隙度、濕密度、粒徑等參數(shù)可通過(guò)物理性質(zhì)測(cè)試獲取，其余參數(shù)均需要利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算或從文獻(xiàn)資料中獲得。而EDFM模型根據(jù)沉積物的框架模量（體積彈性模量和剪切模量）相對(duì)于顆粒和流體的模量很小，并接近為零的特點(diǎn)，將Biot-Stoll模型的孔隙介質(zhì)簡(jiǎn)化為了由等效密度描述的流體介質(zhì)，將相對(duì)彈性理論新添4個(gè)模量歸一為等效流體模量，其增添了溫度和粒度因素的聲速和聲衰減公式如下[7]：

式中：KDM(T)表示為等效流體模量；ρeff(T)表示為等效密度；d表示為粒徑，r0=1 m；cw表示為孔隙水的聲速；ω表示為聲波角頻率。利用相應(yīng)的流體模型公式，就可以得到基于等效密度流體近似的海底反射損失，其反射損失δp與聲衰減系數(shù)αp關(guān)系為αp= (40πfδp)/[vpcwIn(10)]，其中cw為海水聲速，vp為實(shí)際測(cè)量海底沉積物中相速度與海水聲速之比，按照反射損失定義為RL=-20lg|R|，單位為dB/m。

1.1.2 層狀介質(zhì)中球面波的三維反射模型 海底沉積物通常假定由多個(gè)具有平坦界面的層的堆疊而成，此假定于實(shí)際并不相符，導(dǎo)致實(shí)測(cè)后分析的結(jié)果不太理想，為了與實(shí)際海洋環(huán)境中沙或泥質(zhì)沉積物情況更接近，減弱粗糙度對(duì)聲速分布測(cè)量的影響，需考慮界面粗糙度散射中的三維效應(yīng)，有必要建立具有粗糙界面的分層介質(zhì)的反射模型。關(guān)于粗糙度散射的文獻(xiàn)是非常豐富的，但是在用于具有粗糙界面的介質(zhì)球面波反射模型中，現(xiàn)有大多數(shù)是采用統(tǒng)計(jì)法評(píng)估散射強(qiáng)度，通常僅限于單個(gè)界面或具有高計(jì)算量。為了可以在具有粗糙界面的分層介質(zhì)上模擬波反射，進(jìn)行海底聲學(xué)特性分析，本文介紹一種基于射線理論與基爾霍夫近似組合的三維聲反射模型。如圖2所示，來(lái)自位于具有粗糙界面的分層介質(zhì)上rA處聲源的球面波反射，可以近似為每個(gè)界面上的積分和，在頻率ω和坐標(biāo)rB處的響應(yīng)為[13]：

式中：S表示當(dāng)頻率為ω時(shí)的聲源振幅；G0(rB,rA)=；l表示從0(海水)開(kāi)始的層編號(hào)表示為粗糙面的平均值為面積的元素；rSL表示位置；Rl-1l表示為在l-1層和l層之間l層的平面波反射系數(shù)分別為在rA和之間的幅度因素和在rB和之間的幅度因素分別表示是在rA和之間和在rB和之間的射線傳播時(shí)間和分別是在位置從rA至和從rB至rSL的單位向量；n=(nx,ny,nz)為正常的粗糙界面；ζ表示為坐標(biāo)為的粗糙值；cl-1是層聲速。如果定義m=ρl/ρl-1，n=cl-1/cl，界面入射角余弦值cosθ=|ul-1·n|，平面波的反射系數(shù)為Rl-1l=本文不考慮沉積層層間多次聲反射，而球面波反射系數(shù)被定義為Rs其中i=，zt=2H-(z+zS)，H為水深，，θ=tan-1(zt/r)為掠射角(入射角余角)，k=ω/cw，ω為角頻率，cw為水中聲速，kr=kcosφ和kz=ksinφ分別為水平和垂直的波數(shù)，J0(·)為零階第一類(lèi)貝塞爾函數(shù)，Gω= irte-ikrt，RP(kz,ω)為獨(dú)立角度和頻率的平面波系數(shù)。

圖2 具有分層結(jié)構(gòu)的海底淺層沉積物示意圖

1.2 海底沉積物特性參數(shù)快速反演方法

1.2.1 基于EDFM的模型輸入?yún)?shù)選擇 Williams

在SAX99實(shí)驗(yàn)期間中，結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與原位測(cè)量的沉積物性質(zhì)數(shù)據(jù)，確定或約束B(niǎo)iot多孔彈性模型的幾乎所有物理輸入?yún)?shù)的值，并給出了每個(gè)輸入?yún)?shù)的實(shí)測(cè)值變化范圍，如表1，之后通過(guò)聲學(xué)模型預(yù)測(cè)與測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可知以下結(jié)論：EDFM模型和Biot-Stoll模型不能準(zhǔn)確表述衰減隨頻率的變化趨勢(shì)，但兩者預(yù)測(cè)能夠匹配聲速的頻散特征，且兩者反射損失與吻合得很好。雖然等效密度流體近似將復(fù)框架模量設(shè)為零，減少了4個(gè)參數(shù)，但要保證同時(shí)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行精確反演還是十分困難的，通過(guò)一些近似和物理關(guān)系式，可將獨(dú)立的參數(shù)減少為4個(gè)，分別為孔隙度、平均顆粒粒度、顆粒質(zhì)量密度和顆粒體積彈性模量。如表1所示，分析了不同參數(shù)取值對(duì)Biot-Stoll模型計(jì)算聲速和聲衰減結(jié)果影響，總結(jié)了淺海至深海等各種海洋沉積環(huán)境下模型達(dá)到最佳預(yù)測(cè)時(shí)的參數(shù)取值，各參數(shù)形式為單一數(shù)值，而Schock參數(shù)[14]在Stoll參數(shù)[14]基礎(chǔ)上對(duì)一些參數(shù)根據(jù)沉積物實(shí)際情況進(jìn)行了修改，把滲透率看作孔隙度的函數(shù)，孔隙曲折度看作顆粒粒徑的函數(shù)，骨架體積模量和剪切模量為有效壓力的函數(shù)，為本文模型輸入?yún)?shù)主要參考Schock參數(shù)。另外，孔隙水特性可以近似地認(rèn)為與上覆海水特性相同，而海水的相關(guān)參數(shù)是易于測(cè)量的，考慮實(shí)驗(yàn)測(cè)量是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行的，這里選取獻(xiàn)中淡水的參數(shù)作為知值。本文為了便于比較分析，擬參考Williams模型使用的參數(shù)值如下所示：孔隙度N=0.394，孔隙水密度ρf=1 023 kg/m3，孔隙水體積模量Kf=2.395×109Pa，固體顆粒密度ρg=2 664 kg/m3，固體顆粒體積模量Kγ= 3.2×1010Pa，流體黏滯系數(shù)η=0.001 05 kg/ms，滲透率κ=2.5×10-11m2，孔隙曲折度c=1.2，比熱比γ= 1.012(26℃)，水的熱擴(kuò)散系數(shù)ν=1.455×10-7m2/s (26℃)，平均粒徑d=0.43×10-3m。

1.2.2 基于快速數(shù)值計(jì)算算法的Bayesian反演方法

靠近海洋底部研究淺層沉積物特性參數(shù)分布特征，在模型預(yù)測(cè)和反演海底特性參數(shù)中，需要計(jì)算具有分層結(jié)構(gòu)的海底沉積物球面波反射系數(shù)，針對(duì)由多層泥砂質(zhì)層沉積物組成的高分辨率反射信號(hào)的高效地聲學(xué)反演，本課題采用一種快速計(jì)算聲反射系數(shù)數(shù)學(xué)方法，聯(lián)合Bayesian反演方法，建立的海底淺層沉積物聲學(xué)參數(shù)反演方法。該數(shù)學(xué)方法利用球面波反射系數(shù)的Sommerfeld積分表示式，當(dāng)作與平面波反射系數(shù)成比例函數(shù)的Hankel變換，并且將Levin積分應(yīng)用于一個(gè)快速振蕩被積函數(shù)，作為一個(gè)（預(yù)計(jì)算）介質(zhì)無(wú)關(guān)的矩陣和一個(gè)包含多角度稀疏采樣的平面波反射系數(shù)的矢量的乘積?；贚evin技術(shù)的快速積分方法為[15]：

表1 海底沉積物聲學(xué)模型輸入?yún)?shù)

S(φ)為關(guān)于φ的平滑函數(shù)，w(φ)=eikrzt[J-1(rksinφ) J0(rksinφ)]T。球面波反射系數(shù)變換后的結(jié)果為RS(θ) =Iφ0φ1+Iφ1φ2+…+IφQ-2φQ-1+IφQ-1φQ

，公式中任何一對(duì)(φQ-1和φQ)之間空間角度都是相等的，φ0=0，φQ-1=π/2，φQ= π/2-iΦ為函數(shù)有效量值。而B(niǎo)ayesian反演方法是一種可用于估計(jì)強(qiáng)非線性反演問(wèn)題參數(shù)不確定性的方法。在Bayesian反演方法中，所有問(wèn)題的解是后演概率密度描述的，后演概率密度結(jié)合了有關(guān)模型參數(shù)的先驗(yàn)信息和觀測(cè)數(shù)據(jù)中所蘊(yùn)含的信息，根據(jù)Bayesian準(zhǔn)則為P(κ,mκ|d)∝[P(d|mκ,κ)P(mκ|κ)P(κ)]/Z，κ表示（未知）沉積層界面編號(hào)，Z為一個(gè)常數(shù)，mκ為地聲模型參數(shù)，P(κ,mκ|d)后驗(yàn)概率密度；條件概率密度P(d|mκ,κ)作為某一(固定)測(cè)量數(shù)據(jù)d下mκ的函數(shù)定義為似然函數(shù)L(κ,mκ;d)，代表數(shù)據(jù)提供的信息，用于衡量模型參數(shù)下模型預(yù)報(bào)結(jié)果和數(shù)據(jù)匹配的好壞；P(m)為先驗(yàn)概率密度，表示獨(dú)立于數(shù)據(jù)的可用模型參數(shù)先驗(yàn)信息；d是一個(gè)矢量，包括入射角度變化和頻率變化下反射系數(shù)值。其中除地聲學(xué)參數(shù)外，對(duì)于測(cè)量參數(shù)誤差也影響反射系數(shù)的計(jì)算，本文不做更進(jìn)一步分析，另外，對(duì)于非線性問(wèn)題，必須利用數(shù)值計(jì)算求解，通常是用采樣(把時(shí)間域或空間域的連續(xù)量轉(zhuǎn)化成離散量的過(guò)程)的方法。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 層狀介質(zhì)的原位測(cè)量信號(hào)處理方法

基于模型的研究方法需要利用接收信號(hào)的波形、傳播時(shí)間和功率，通過(guò)使實(shí)測(cè)和建模的聲信號(hào)之間的差異最小化，來(lái)分析未知海底沉積物聲學(xué)參數(shù)，而海底聲反射測(cè)量是一種測(cè)量沉積物特性參數(shù)的有效方法，聲波反射信號(hào)攜帶了有關(guān)海底沉積物的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的信息，該方法可以從反射信號(hào)中提取出有效的分類(lèi)特征，再結(jié)合反射模型，可綜合分析層狀沉積物特性分布特征?；谖锢淼姆瓷淠Ｐ兔枋隽嗣}沖能量、傳播損失和海底反射模型的接收回波能量，本文通過(guò)從聲學(xué)原位測(cè)量裝置的記錄中提取信號(hào)，計(jì)算從時(shí)間窗接收的能量值得到反射系數(shù)，之后與建模值相比較以反演出沉積物特性參數(shù)。在給定方向發(fā)射與接收系統(tǒng)中，聲源發(fā)射一定脈寬發(fā)射脈沖能量ETX和接收回波能量ERX，可得僅適用于高頻段接收信號(hào)功率公式為ERX=e4αHR2ETX/ (4H2)。H為聲源到海底界面的距離，由海水中聲傳播時(shí)間和速度計(jì)算得到；R為海底界面的反射系數(shù)，1/4H2為球形擴(kuò)展因子；e4αH為吸水率?？紤]到層狀沉積物信號(hào)由多次反射組成，需進(jìn)一步考慮吸收、透射、反射等物理過(guò)程，聲波由于水吸收和球形擴(kuò)散作用，在水中傳播期間其脈沖能量會(huì)變?nèi)?，之后脈沖在海底界面處出現(xiàn)第一次反射 (最高分量)，剩余能量將穿透第一層沉積物內(nèi)部，并相應(yīng)該層厚度的二次球面波傳播損失，因此接收信號(hào)功率為ERX=為第一層沉積物的聲傳播損失，d1是第一層的厚度，Tws1= 1+Rws1為水與沉積物界面的透射系數(shù)，Rs1s2為第一層和第二層的邊界處的反射系數(shù)，Tsw1=Tws1是沉積物與水界面處的透射系數(shù)，公式中所需的參數(shù)數(shù)量取決于層數(shù)（N）。傳播中每層分布的能量通過(guò)以下等式描述[9]：

t1=tw+Σni=-

11dtn，t2=t1+dtn，tw為垂直方向聲波傳播時(shí)間，dtn為第n個(gè)樣本窗口。樣本窗口的大小對(duì)于局部反射系數(shù)的合理計(jì)算是非常重要的。樣本窗口太短，基本上不會(huì)捕獲到期望局部層能量的正確值，而太大的樣本窗口，因其將與下一層的能量重疊，計(jì)算了多個(gè)層的反射能量，就會(huì)高估反射系數(shù)，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不適當(dāng)、不合理，需要選擇適當(dāng)?shù)臉颖敬翱冢鴺颖敬翱诘拇笮】梢酝ㄟ^(guò)應(yīng)用功率譜分析方法選擇，一般為傳輸脈沖長(zhǎng)度的一倍或兩倍，本文選擇樣本大小為脈沖長(zhǎng)度的兩倍。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了海底淺層沉積物實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)，該裝置采用反射法聲學(xué)原位測(cè)量方式，主要包括二維防水級(jí)控制單元及臺(tái)架和聲學(xué)測(cè)量單元，如圖3。防水級(jí)控制單元包括4個(gè)電機(jī)和不銹鋼臺(tái)架，臺(tái)架的寬度為2 m，深度為2 m，高度為0.5～0.7 m(換能器距底部高度0.3～0.5 m，默認(rèn)0.4 m)，該平臺(tái)通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行機(jī)電控制，移動(dòng)最大距離1.8，在X和Y方向上移動(dòng)精度為0.001 m，換能器轉(zhuǎn)動(dòng)精度0.2°；聲學(xué)測(cè)量單元由一個(gè)寬帶換能器(直徑約0.06 m，中心頻率為100 kHz，方波脈沖)、兩個(gè)水聽(tīng)器(水聽(tīng)器1為聲反射測(cè)量傳感器，水聽(tīng)器2為聲源級(jí)檢測(cè)傳感器)和一套電子系統(tǒng)組成，分別可獲取反射快縱波、直達(dá)波等，入射聲波的掠射角范圍:90°(垂直)，90°～75°(間隔2°)，60°，50°，30°，20°，15°。

測(cè)量裝置中聲學(xué)測(cè)量單元的電子系統(tǒng)硬件部分主要由寬帶換能器及水聽(tīng)器、聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，基于PC104模塊和2通道同步采集卡的硬件系統(tǒng)目前非常成熟，簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，可用于前期實(shí)驗(yàn)室調(diào)試，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)和ARM處理器(Advanced RISC Machine，ARM)組成的硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有集成度高、功耗低和性能高的優(yōu)點(diǎn)，可滿(mǎn)足后期自容式裝置的需求。在實(shí)驗(yàn)室條件允許情況下，也可以直接使用實(shí)驗(yàn)室信號(hào)源、功率放大器、聲學(xué)信號(hào)采集卡等代替本課題中電子系統(tǒng)部分進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。(1)寬帶換能器采用了一個(gè)(中心頻率為100 kHz)的壓電換能器，發(fā)射換能器輸入端電壓的峰峰值為120 V，在聲學(xué)測(cè)量單元的發(fā)射換能器輸入端，增加聲源發(fā)射功率記錄功能，用于提高測(cè)量精度。(2)聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)包括超聲波發(fā)射與接收電路和聲學(xué)采集系統(tǒng)，其中驅(qū)動(dòng)電路一般由超聲電源、匹配電路等構(gòu)成；聲學(xué)采集電路采用FPGA，完成海底聲反射信號(hào)的采集與存儲(chǔ)，具有40 dB放大增益、16位分辨率和1 MHz采樣率；PC104模塊或FPGA同時(shí)完成控制接數(shù)字式頻率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)發(fā)射聲波信號(hào)。(3)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)硬件部分主要基于PC104模塊完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理，實(shí)驗(yàn)室調(diào)試階段可以由計(jì)算機(jī)完成，今后還可以由ARM處理器構(gòu)成的低功耗微處理系統(tǒng)代替。數(shù)字信號(hào)處理器 (Digital Signal Processor，DSP)可滿(mǎn)足未來(lái)對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)量的需求，而傳感器數(shù)據(jù)不僅可直接作為模型的輸入?yún)?shù)，還可評(píng)估裝置測(cè)量精度，如溫鹽深傳感器(簡(jiǎn)稱(chēng)CTD)可得海水聲速。(4)船臺(tái)(便攜式計(jì)算機(jī))作為原位測(cè)量裝置的監(jiān)控平臺(tái)，可以完成讀取、存儲(chǔ)和處理測(cè)量數(shù)據(jù)，設(shè)置裝置工作參數(shù)，控制聲學(xué)測(cè)量裝置工作。測(cè)量系統(tǒng)平臺(tái)在2D區(qū)域（X軸和Y軸）中的移動(dòng)可以預(yù)先設(shè)置，具有自動(dòng)測(cè)量功能。

3 結(jié)論

圖3 海底淺層聲學(xué)原位測(cè)量裝置示意圖

圖4 聲學(xué)原位裝置電子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

本文研究了基于三維反射模型的海底沉積物特性參數(shù)反演方法，得到以下認(rèn)識(shí)：（1）本文針對(duì)實(shí)際海洋環(huán)境中沙或泥質(zhì)沉積物，研究了從海水入射到具有粗糙界面的層狀介質(zhì)海底的球面波的反射和透射問(wèn)題，將其近似為每個(gè)界面上的積分和，建立了層狀介質(zhì)中球面波的三維反射模型，該模型減弱粗糙度對(duì)聲速分布測(cè)量的影響。（2）采用了基于Levin技術(shù)的數(shù)值算法以及Bayesian反演方法，可快速計(jì)算層狀海底的球面波反射系數(shù)而完成沉積物參數(shù)反演，其較高計(jì)算效率可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)計(jì)算的要求。（3）在確定對(duì)等效密度流體近似模型輸入?yún)?shù)進(jìn)行優(yōu)化，研究了基于EDFM的三維反射模型快速反演方法的可行性，該方法在描述沉積物聲學(xué)特性方面更準(zhǔn)確，且更便于應(yīng)用。（4）闡述了層狀沉積物的原位測(cè)量信號(hào)處理方法，并設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下原位測(cè)量裝置，利用該裝置測(cè)量數(shù)據(jù)，由反演算法可以得到海底沉積物特性參數(shù)分布特征。

今后為了解決更為復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題，可收集與歸納不同類(lèi)型的海洋沉積物的關(guān)于物理特性、聲學(xué)特性、沉積特征等方面實(shí)測(cè)資料，合理選擇模型參數(shù)，開(kāi)展聲速與其他因素之間的相關(guān)性研究（如聲速與天然氣水合物含量、聲速與碳酸鈣含量等關(guān)系，聲速的橫向變化特征與冷泉、熱液、天然氣滲漏或擴(kuò)散等活動(dòng)存在的密切聯(lián)系，聲速在深度方向上變化與由幾種類(lèi)型互層組成的淺層沉積物更細(xì)分層結(jié)構(gòu)的關(guān)系等），并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的聲學(xué)原位測(cè)量試驗(yàn)和結(jié)果分析，進(jìn)一步改進(jìn)聲學(xué)原位測(cè)量裝置，使其更具穩(wěn)定性、適用性。

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Study on In-Situ Acoustic Measurement of Seafloor Shallow Sediments Based on the Reflection Method

LI Qi,LIU Jie,HUANG Cui
National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China

In this paper,a study is conducted on the method of in-situ acoustic measurement of seafloor shallow sediments based on the reflection method.According to a stratified porous medium seafloor including unconsolidated sediments composed of sand and mud in the marine environment,a 3D model of a spherical wave reflection on layered media with rough interfaces is developed by referencing relevant study results both at home and abroad.The algorithm and inversion method are optimized for the characteristic parameters of seafloor sediments,a quick inversion method is developed for the parameters of seabed shallow sediments,and a seabed acoustic in-situ measurement device will be designed according to the features of the model.The research results are of significance as a reference to implementing the scientific standards designed in the precise in-situ acoustic system for measuring seafloor shallow sediments.

shallow sediments;three-dimensional reflection model;rapid inversion;in-situ measurement

TB566

A

1003-2029（2017）03-0027-07

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.03.006

2017-03-12

國(guó)家海洋技術(shù)中心創(chuàng)新基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助（Z-17005）

李琦（1985-），男，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)槁晫W(xué)技術(shù)、信息檢測(cè)與智能控制。E-mail：331922129@163.com