第39卷第7期 海洋学报 Vo.39,No.7 2017年7月 Haiyang Xuebao July 2017 刘保华,阚光明,裴彦良,等.海底声散射特性研究进展[J].海洋学报,2017,39(7):1-11,doi:10.3969/is.0253 4193.2017.07.001 Liu Baohua, Kan Guangming, Pei Yanliang, et al. A review on the progress of bottom acoustic scattering research[J]. Haiyang Xue- bao,2017,39(7):1-11,doi:10.3969/isn.0253-4193.2017.07.001 海底声散射特性研究进展 刘保华12,阚光明23,裴彦良23,杨志国,于凯本1,于盛齐 (1.国家深海基地管理中心,山东青岛266061;2.青岛海洋科学与技术国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室 山东青岛266237;3国家海洋局第一海洋研究所海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室,山东青岛266237) 摘要:海底是水下声场的重要边界,其声散射特性对水下声场空间结构及分布规律具有至关重要的 影响。对目前国际上海底声散射特性研究方面的进展进行了系统的分析和总结,从海底声散射测量 技术、海底声散射特性及机理、海底声散射预测模型3个方面进行了论述,并提出了未来研究的方向 研究重点与难点。该工作对于充分了解和认识海底声散射研究的目前现状和未来发展趋势具有很好 的借鉴和指导意义。 关键词:海底声散射特性;散射模型;海底混响;水下声场 中图分类号:P733.23;P736.21 文献标志码:A 文章编号:0253-4193(2017)07-0001-11 1引言 以及声波掠射角密切相关,对于不同的测量频率,其 相关性变化规律也不相同。而且,不同的海底环境条 水下声场空间结构及分布规律研究在水下日标件以及不同的声波频率,其声散射机理也不相同。因 探测、水下通讯和导航、水文测量和海底地形地貌勘此,深入认识海底声散射特性、影响机理以及预测模 测等军事、海洋科学及生产领域具有重要的应用价型,是进行水下声场空间结构研究、水下声场准确预 值。海底是水下声场的一个重要边界,包括海底声散报和水下目标精确探测的重要环节。鉴于海底声散 射特性在内的海底声学特性对水下声场的空间结构射特性的重要性,早在20世纪50年代,国外科学家 和分布规律具有至关重要的影响。海底声散射是海就开始了海底声散射特性的测量和研究[。之后,不 洋混响的重要来源,而海洋混响则是主动声呐探测的同研究者分别从测量技术、特性及机理分析、预测模 主要干扰源。因此,研究海底声散射有利于包括海底型等方面开展了大量的研究工作。与国外相比,目前 混响在内的海洋混响的准确预报,对于提高水下声呐国内无论是在海底声散射测量技术还是在散射机理 性能和目标探测的精度具有重要意义。另外,海底声和模型等方面开展的研究还非常少,存在很大的 散射研究还与浅海声场预报、匹配场定位、潜艇着底差距。 隐蔽地点选择等应用具有密切的关系。 本文对目前国际上海底声散射特性测量技术及 海底声散射特性与海底粗糙度、沉积物非均匀性机理和预测模型方面的研究成果进行了总结,阐述了 收稿日期:2016-08-04;修订日期:2016-12-12 基金项目:国家自然科学基金(41330965,41527809);青岛海洋国家实验室开放基金(QNLM20160RP209);海洋公益性科研专项资金项目 (201405032);泰山学者工程专项经费项目(TSPD20161007) 作者简介:刘保华(1960一),男,山东省嘉祥县人,研究员,博士生导师,主要从事海洋地球物理研究。E-mail: bhliula fio.org 通信作者:阚光明,男,副研究员,主要从事海底声学研究。 E-mail: kgmingl35@fo. org. en
第39卷 第7期 海 洋 学 报 Vol.39,No.7 2017年7月 HaiyangXuebao July2017 刘保华,阚光明,裴 彦 良,等.海 底 声 散 射 特 性 研 究 进 展 [J].海 洋 学 报,2017,39(7):1-11,doi:10.3969/j.issn.0253- 4193.2017.07.001 LiuBaohua,KanGuangming,PeiYanliang,etal.Areviewontheprogressofbottomacousticscatteringresearch[J].HaiyangXuebao,2017,39(7):1-11,doi:10.3969/ji.ssn.0253-4193.2017.07.001 海底声散射特性研究进展 刘保华1,2,阚光明2,3* ,裴彦良2,3,杨志国1,于凯本1,2,于盛齐1 (1.国家深海基地管理中心,山东 青岛266061;2.青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋地质过程与环境功能实验室, 山东 青岛266237;3.国家海洋局第一海洋研究所 海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室,山东 青岛266237) 收稿日期:2016-08-04;修订日期:2016-12-12。 基金项目:国家自然科学基金(41330965,41527809);青岛海洋国家实验室开放基金(QNLM20160RP0209);海 洋 公 益 性 科 研 专 项 资 金 项 目 (201405032);泰山学者工程专项经费项目(TSPD20161007)。 作者简介:刘保华(1960-),男,山东省嘉祥县人,研究员,博士生导师,主要从事海洋地球物理研究。E-mail:bhliu@fio.org.cn *通信作者:阚光明,男,副研究员,主要从事海底声学研究。E-mail:kgming135@fio.org.cn 摘要:海底是水下声场的重要边界,其声散射特性对水下声场空间结构及分布规律具有至关重要的 影响。对目前国际上海底声散射特性研究方面的进展进行了系统的分析和总结,从海底声散射测量 技术、海底声散射特性及机理、海底声散射预测模型3个方面进行了论述,并提出了未来研究的方向、 研究重点与难点。该工作对于充分了解和认识海底声散射研究的目前现状和未来发展趋势具有很好 的借鉴和指导意义。 关键词:海底声散射特性;散射模型;海底混响;水下声场 中图分类号:P733.23;P736.21 文献标志码:A 文章编号:0253-4193(2017)07-0001-11 1 引言 水下声场空间结构及分布规律研究在水下目标 探测、水下通讯和导航、水文测量和海底地形地貌勘 测等军事、海洋科学及生产领域具有重要的应用价 值。海底是水下声场的一个重要边界,包括海底声散 射特性在内的海底声学特性对水下声场的空间结构 和分布规律具有至关重要的影响。海底声散射是海 洋混响的重要来源,而海洋混响则是主动声呐探测的 主要干扰源。因此,研究海底声散射有利于包括海底 混响在内的海洋混响的准确预报,对于提高水下声呐 性能和目标探测的精度具有重要意义。另外,海底声 散射研究还与浅海声场预报、匹配场定位、潜艇着底 隐蔽地点选择等应用具有密切的关系。 海底声散射特性与海底粗糙度、沉积物非均匀性 以及声波掠射角密切相关,对于不同的测量频率,其 相关性变化规律也不相同。而且,不同的海底环境条 件以及不同的声波频率,其声散射机理也不相同。因 此,深入认识海底声散射特性、影响机理以及预测模 型,是进行水下声场空间结构研究、水下声场准确预 报和水下目标精确探测的重要环节。鉴于海底声散 射特性的重要性,早在20世纪50年代,国外科学家 就开始了海底声散射特性的测量和研究[1]。之后,不 同研究者分别从测量技术、特性及机理分析、预测模 型等方面开展了大量的研究工作。与国外相比,目前 国内无论是在海底声散射测量技术还是在散射机理 和模型 等 方 面 开 展 的 研 究 还 非 常 少,存 在 很 大 的 差距。 本文对目前国际上海底声散射特性测量技术及 机理和预测模型方面的研究成果进行了总结,阐述了
2 海洋学报39卷 国际上在海底声散射测量技术研发、海底声散射特性射测量装置(图1)。通过一个类似于球状万向节 测量及机理分析、海底声散射预测模型研究等方面的( balk-in- socket)的调节机构,将发射和接收合置的声 发展现状,并提出了目前研究工作中尚未解决的问题学换能器安装在拖曳平台上,调节机构可以方便实现 及未来研究的方向、研究重点与难点,以期能够对我换能器掠射角的调整,平台上还安装由测深和姿态传 国将来海底声散射特性的研究工作提供借鉴和指导。感器。 Jackson等[采用该设备对粉砂、砂质和砾石 2海底声散射特性测量技术研究进展 海底度进行了反向声散射测量,通过安装3个不同频 带的收发合置平面换能器获得了20~85kHz的频带 美国海底声散射测量开始于20世纪50年代。覆盖范围,换能器垂直方向发射和接收波束角为20° Trick将一收发合置的圆柱活塞换能器固定在木杆40°,水平波束角为100~20°,声源级为205dBre. 上,借助于驳船将换能器放置在靠近海底处,进行了Pa@1m,实验中平台的拖曳速度为2~5kn。Stan- 最早期的海底反向散射测量。测量的频率范围为10ic等研制出一种适用于浅水的坐底式海底声散射 60kHz,通过水平和垂直方向旋转木杆,来获得不系统(图2),整套系统由两个坐底式的塔式支架组成, 同方位角和掠射角的测量数据。Uik和 Saling2又两个支架安装由16个水听器组成的T型接收阵,其 采用炸药声源对水深为4400m的海底进行了反向中一个还安装有高频参量阵声源,声源的差频频率为 散射测量,声源的频带约为500~8000kHz,炸药的20~180kHz,差频声源级为187dBre.pPa@20kHz 爆炸深度和水听器沉放深度均为15m。Wong和和214dBre.pPa@a180kHz,该系统可进行高频的海 Chesterman采用一个磁致伸缩的换能器作为声源底反向声散射和前向声散射测量。除上述两套海底 和接收水听器,在香港的近岸海域进行了海底的反向声散射测量设备外, Boehme等将发射和接收换能 散射测量,测量的频率为48kHz,发射声波的脉冲宽器安装在一个高4m的三角架上,将该装置放置在海 度为0.4ms和2.8ms两种。总之,在20世纪50 底进行了频率范围为30~95kHz的海底反向声声散 60年代,海底声散射测量刚刚起步,实验所使用的均射测量。从上述的分析可以看出,在20世纪70-80 是非常简单的装置,还未开展专业的海底声散射测量年代,海底声散射测量技术得到快速发展,研发出了 技术研究。 多台套的专门用于海底声散射测量的专业设备,测量 20世纪70年代末,美国华盛顿大学应用物理实精度得到很大提高。本阶段的测量频率主要集中在 验室的Bry等研制出一种拖曳式海底反向声散0kHz以上的高频 可调节的换能 器安装机构 侧视图 拖曳式海底声 姿态测量 散射测量设备 测深 声散射测 波束 换能器 量波束 海底 仰视图 a拖曳式海底声散射测量示意图 b.设备结构简图 图1 Barry等研发的拖曳式海底声散射测量装置(改自文献[5-6]) Fig 1 Towed sonar system for bottom scattering measurement( modified from reference[5-6])
国际上在海底声散射测量技术研发、海底声散射特性 测量及机理分析、海底声散射预测模型研究等方面的 发展现状,并提出了目前研究工作中尚未解决的问题 及未来研究的方向、研究重点与难点,以期能够对我 国将来海底声散射特性的研究工作提供借鉴和指导。 2 海底声散射特性测量技术研究进展 美国海底声散射测量开始于20世纪50年代。 Urick [1]将一收发合置的圆柱活塞换能器固定在木杆 上,借助于驳船将换能器放置在靠近海底处,进行了 最早期的海底反向散射测量。测量的频率范围为10 ~60kHz,通过水平和垂直方向旋转木杆,来获得不 同方位角和掠射角的测量数据。Urick和Saling [2]又 采用炸药声源对水深为4400m 的海底进行了反向 散射测量,声源的频带约为500~8000kHz,炸药的 爆炸深度和水 听 器 沉 放 深 度 均 为 15 m。Wong和 Chestermax [3]采用一个磁致伸缩的换能器作为声源 和接收水听器,在香港的近岸海域进行了海底的反向 散射测量,测量的频率为48kHz,发射声波的脉冲宽 度为0.4ms和2.8ms两种。总之,在20世纪50- 60年代,海底声散射测量刚刚起步,实验所使用的均 是非常简单的装置,还未开展专业的海底声散射测量 技术研究。 20世纪70年代末,美国华盛顿大学应用物理实 验室的Barry等[4—5]研制出一种拖曳式海底反向声散 射测量装置(图1)。通过一个类似于球状万向 节 (ball-in-socket)的调节机构,将发射和接收合置的声 学换能器安装在拖曳平台上,调节机构可以方便实现 换能器掠射角的调整,平台上还安装由测深和姿态传 感器。Jackson等[6]采用该设备对粉砂、砂质和砾石 海底度进行了反向声散射测量,通过安装3个不同频 带的收发合置平面换能器获得了20~85kHz的频带 覆盖范围,换能器垂直方向发射和接收波束角为20° ~40°,水平波束角为10°~20°,声源级为205dBre. μPa@1m,实验中平台的拖曳速度为2~5kn。Stanic等[7]研制出一种适用于浅水的坐底式海底声散射 系统(图2),整套系统由两个坐底式的塔式支架组成, 两个支架安装由16个水听器组成的 T型接收阵,其 中一个还安装有高频参量阵声源,声源的差频频率为 20~180kHz,差频声源级为187dBre.μPa@20kHz 和214dBre.μPa@180kHz,该系统可进行高频的海 底反向声散射和前向声散射测量。除上述两套海底 声散射测量设备外,Boehme等[8]将发射和接收换能 器安装在一个高4m 的三角架上,将该装置放置在海 底进行了频率范围为30~95kHz的海底反向声声散 射测量。从上述的分析可以看出,在20世纪70-80 年代,海底声散射测量技术得到快速发展,研发出了 多台套的专门用于海底声散射测量的专业设备,测量 精度得到很大提高。本阶段的测量频率主要集中在 20kHz以上的高频。 图1 Barry等研发的拖曳式海底声散射测量装置(改自文献[5-6]) Fig.1 Towedsonarsystemforbottomscatteringmeasurement(modifiedfromreference[5-6]) 2 海洋学报 39卷
7期刘保华等:海底声散射特性研究进展 高频参 量阵声源 水听器 水听器 T型架 充气瓶 接收阵高频参量 接收阵 坐底式海底声散射测量示意图 b设备部分拆解示意图 图2 Stanic等研发的坐底式海底声散射测量系统(改自文献[7]) Fig 2 Bottom-mounted bottom scattering measurement system( modified from reference 7]) 20世纪90年代中, Greaves和 Stephen采用由量。SAX04项目使用的设备类似于STMS的固定式 10个低频弯张换能器组成的垂直线阵声源和由128换能器,但较SAX99具有如下两点改进:(1)测量频 个水听器组成的水平接收阵在大西洋中脊进行了海带拓宽为20~500kHz;(2)将声学测量设备安装在 底声散射测量。垂直线阵声源的弯张换能器的排放个长约28m的铺设在海底的导轨上,声学测量设备 间距为2.29m,通过各换能器的时延相控发射,声源在导轨上按照指定步长自动移动,以减少潜水员人工 可以形成俯角为9°的相控波束,在实验中,声源进行移动设备对测量产生的影响m。纵观20世纪90年 LMF扫频发射,扫频宽度为200~255Hz,信号长度代的海底声散射测量技术发展,主要有如下两个特 为5s。接收阵列的基元间距为2.5m,通过波束形成点:(1)新技术不断被应用到海底声散射测量,如:低 技术,产生了126个具有不同方向的接收波東,但0°频弯张换能器技术,时延相控发射技术,多基元接收 ~30°和150°~180°两个波束方向的数据因波束太宽波束形成技术,步进自动控制技术等;(2)同步开展海 且受接收阵姿态变化和船舶噪音的影响大而无法使底粗糙度、沉积物非均匀性等环境参数测量以及相关 用。20世纪90年代末和21世纪初,美国海军研究技术研发,以便能够建立精细的海底声散射预测 办公室联合华盛顿大学、 Scripps海洋研究所、意大利模型。 NATOSACLANT海底科学研究中心等科研机构开 进入21世纪,海底声散射测量及相关技术研发 展了两个综合的海底声学实验,分别为:SAX99(Sed-在很多国家得到广泛重视。2000年,意大利 ment Acoustic Experiment-1999和SAXO4(Sdi- SACLANT海底研究中心的Hond等[采用如图 ment Acoustic Experiment-2004)0-12。在SAX994所示垂直接收阵和组合换能器声源对400~400 实验中采用了BAMs( Benthic acoustic measurement Hz频带范围内的海底反向声散射进行了测量。实验 System)、STMS( Sediment Transmission measurement采用的ITC4001换能器声源由3个换能器组成,通过 System)、 XBAMS( Accelerated Benthic Acoustic meas-不同组合间隔产生频率分别为1200Hz、1800Hz urement System)3种系统进行海底声散射测3600Hz的指向性声波,弯张换能器声源由两个间距 0=1。BAM系统的工作频率为40kHz和300为1.25m的低频弯张换能器组合产生频率为600 kHz, XBAMS的工作频率为300kHz,二者的换能器Hz的指向性声波。接收采用间距为18cm的32基 均可以按一定的波束角在水平方向上步进旋转,以获元垂直接收阵。加拿大国防研究发展中心的 Hines 得不同方位角的海底声散射强度(图3)。STMS为 等研发了一种用于浅海中频小掠射角海底声散射 个可用于海底沉积物声衰减测量、海底声透射和海底测量的设备,对频率为4kHz和8kHz、掠射角为3 声散射测量的综合测量系统,其海底声散射测量的工~15°的砂质海底反向声散射特性进行了测量。系统 作频率为20~150kHz,换能器不能够自动旋转,需要主要由参量阵声源、超指向性线列阵、声强立体接收 潜水员通过移动设备来进行不同区域的海底散射测阵、安装平台等部分组成(图5)。参量阵声源由9个
图2 Stanic等研发的坐底式海底声散射测量系统(改自文献[7]) Fig.2 Bottom-mountedbottomscatteringmeasurementsystem(modifiedfromreference[7]) 20世纪90年代中,Greaves和Stephen [9]采用由 10个低频弯张换能器组成的垂直线阵声源和由128 个水听器组成的水平接收阵在大西洋中脊进行了海 底声散射测量。垂直线阵声源的弯张换能器的排放 间距为2.29m,通过各换能器的时延相控发射,声源 可以形成俯角为9°的相控波束,在实验中,声源进行 LMF扫频发射,扫频宽度为200~255Hz,信号长度 为5s。接收阵列的基元间距为2.5m,通过波束形成 技术,产生了126个具有不同方向的接收波束,但0° ~30°和150°~180°两个波束方向的数据因波束太宽 且受接收阵姿态变化和船舶噪音的影响大而无法使 用[9]。20世纪90年代末和21世纪初,美国海军研究 办公室联合华盛顿大学、Scripps海洋研究所、意大利 NATOSACLANT 海底科学研究中心等科研机构开 展了两个综合的海底声学实验,分别为:SAX99(SedimentAcousticExperiment-1999)和 SAX04(SedimentAcousticExperiment-2004)[10—12]。在 SAX99 实验中采用了 BAMS(BenthicAcousticMeasurement System)、STMS(SedimentTransmission Measurement System)、XBAMS(AcceleratedBenthicAcousticMeasurementSystem)3 种 系 统 进 行 海 底 声 散 射 测 量[10-11]。BAM 系 统 的 工 作 频 率 为 40kHz和 300 kHz,XBAMS的工作频率为300kHz,二者的换能器 均可以按一定的波束角在水平方向上步进旋转,以获 得不同方位角的海底声散射强度(图3)。STMS为一 个可用于海底沉积物声衰减测量、海底声透射和海底 声散射测量的综合测量系统,其海底声散射测量的工 作频率为20~150kHz,换能器不能够自动旋转,需要 潜水员通过移动设备来进行不同区域的海底散射测 量。SAX04项目使用的设备类似于STMS的固定式 换能器,但较SAX99具有如下两点改进:(1)测量频 带拓宽为20~500kHz;(2)将声学测量设备安装在一 个长约28m 的铺设在海底的导轨上,声学测量设备 在导轨上按照指定步长自动移动,以减少潜水员人工 移动设备对测量产生的影响[11]。纵观20世纪90年 代的海底声散射测量技术发展,主要有如下两个特 点:(1)新技术不断被应用到海底声散射测量,如:低 频弯张换能器技术,时延相控发射技术,多基元接收 波束形成技术,步进自动控制技术等;(2)同步开展海 底粗糙度、沉积物非均匀性等环境参数测量以及相关 技术研 发,以 便 能 够 建 立 精 细 的 海 底 声 散 射 预 测 模型。 进入21世纪,海底声散射测量及相关技术研发 在 很 多 国 家 得 到 广 泛 重 视。2000 年,意 大 利 SACLANT海底研究中心的 Holland等[12]采用如图 4所示垂直接收阵和组合换能器声源对400~4000 Hz频带范围内的海底反向声散射进行了测量。实验 采用的ITC4001换能器声源由3个换能器组成,通过 不同组合间隔产生频率分别为1200Hz、1800Hz、 3600Hz的指向性声波,弯张换能器声源由两个间距 为1.25m 的低频弯张换能器组合产生频率为600 Hz的指向性声波。接收采用间距为18cm 的32基 元垂直接收阵。加拿大国防研究发展中心的 Hines 等[13]研发了一种用于浅海中频小掠射角海底声散射 测量的设备,对频率为4kHz和8kHz、掠射角为3° ~15°的砂质海底反向声散射特性进行了测量。系统 主要由参量阵声源、超指向性线列阵、声强立体接收 阵、安装平台等部分组成(图5)。参量阵声源由9个 7期 刘保华等:海底声散射特性研究进展 3
海洋学报39卷 基元组成,4kHz和8kHz的发射响应分别为185dB浅水海域开展了频率为8kHz的海底声散射测 和192dB(测量距离为5m),水平和垂直波束宽度为量。 Manik等使用定量回声测深仪进行了海底 4°~γ°。超指向性接收阵由6个小型全向性水听器组反向散射测量。近几年的海底声散射测量的显著特 成,基元间距为16cm。安装参量阵和超指向性线列点是:研究人员将研究重点转向了10kHz以下的中 阵的支架可以360°旋转,水平和垂直转角的测量精度低频海底声散射的测量和研究,主要原因在于中低频 为±1°。2010年,韩国汉阳大学的Ia和Choi采用单声呐在水声通讯、水下探测等方面的广泛应用。 个的全向性声源和全向性水听器在韩国南部的近岸 40 kHz 太 300 kHz 150m BAMS38m-→ 20~150kHz Mobile Tower XBAMS 8m--+ STMS 图3SAX99实验海底声散射测量观测系统示意图(改自文献[11]) Fig 3 Geometry of bottom scattering in SAX99(modified from reference[11]) 监测水听器 浮球 超指向性接收阵 参量阵声源 32基元接收阵 扫描扇区 ITC4001声源 声强立体接收阵 器声源 图4中低频(400~4000Hz)海底声散射测量装置 (改自文献[12]) 图5浅海小掠射角海底反向散射测量实验 Fig 4 The device used for bottom scattering measurement (改自文献[13]) at low-mid frequency(400-4 000 Hz)(modified from rel Fig5 Geometry of bottom backscattering at low grazing erence[12]) angle in shallow water( modified from reference[13]) 在国内,金国亮等在放置于海底的支架上安接收,进行了频率为10kHz的海底声散射测量 装10个换能器,轮流以其中一个作为发射,其余作为近几年,宋磊和薛婷[研究了采用具有指向性平
基元组成,4kHz和8kHz的发射响应分别为185dB 和192dB(测量距离为5m),水平和垂直波束宽度为 4°~7°。超指向性接收阵由6个小型全向性水听器组 成,基元间距为16cm。安装参量阵和超指向性线列 阵的支架可以360°旋转,水平和垂直转角的测量精度 为±1°。2010年,韩国汉阳大学的 La和 Choi采用单 个的全向性声源和全向性水听器在韩国南部的近岸 浅水 海 域 开 展 了 频 率 为 8kHz的 海 底 声 散 射 测 量[14]。Manik等[15]使用定量回声测深仪进行了海底 反向散射测量。近几年的海底声散射测量的显著特 点是:研究人员将研究重点转向了10kHz以下的中 低频海底声散射的测量和研究,主要原因在于中低频 声呐在水声通讯、水下探测等方面的广泛应用。 图3 SAX99实验海底声散射测量观测系统示意图(改自文献[11]) Fig.3 GeometryofbottomscatteringinSAX99(modifiedfromreference[11]) 图4 中低频(400~4000Hz)海底声散射测量装置 (改自文献[12]) Fig.4 Thedeviceusedforbottomscatteringmeasurement atlow-midfrequency(400-4000Hz)(modifiedfromreference[12]) 图5 浅海小掠射角海底反向散射测量实验 (改自文献[13]) Fig.5 Geometryofbottombackscatteringatlowgrazing angleinshallowwater(modifiedfromreference[13]) 在国内,金国亮等[16]在放置于海底的支架上安 装10个换能器,轮流以其中一个作为发射,其余作为 接收,进行了频率为10kHz的海底声散射测量[16]。 近几年,宋磊[17]和薛婷[18]研究了采用具有指向性平 4 海洋学报 39卷
7期刘保华等:海底声散射特性研究进展 面换能器和T型接收阵进行海底散射系数的实验测如下:(1)海底声散射强度随掠射角的增大而增强,二 量方法,并在浅海进行了初步的实验测量。曹正良者关系可以采用 Lambert法则公式较好地拟合,即 等1采用T矩阵方法对平面海底界面上球体目标的BS=101g4+101g(in20),0为掠射角,10lgy为垂直 声散射建模进行了研究。总体来说,国内目前还没有射时的声散射{-2;(2)声散射存在微弱的频率依 用于海底声散射测量的专业设备,研究主要集中于理赖性,但不同研究者依据不同的底质类型和测量频率 论分析和数值仿真 分别给出了不同的变化关系,总体来说,声散射与声 3海底声散射特性及机理研究进展 波频率的关系很难用一个简单的函数来表述,其与海 底底质类型、海底粗糙度、测量频率等多个参数有 20世纪50-60年代,海底声散射特性研究主要关21-20;(3)开展了声散射强度与方位角关系的研 是分析海底反向声散射与掠射角、声波频率、发射脉究, Stanic等[2-21在 Panama城附近海域的砂质海底 冲长度、海底底质类型等参数的关系[-3:。主要结和 Jacksonville附近海域的含有粗贝壳层海底的测量 论如下:(1)海底声散射总体上随着掠射角的增大而数据均未显示出明显的方位角依赖性,而 Boehme 增加,但对于不同的海底类型和掠射角范围,二者的等2通过在水平方向上以不同的方位角扫描具有良 函数关系则不同;(2)绝大部分研究人员认为海底声好分界的细砂和粗砂海底,发现了在分界线处海底散 散射强度不存在明显的频率依赖性,或仅存在很弱的射强度的明显变化;(4)在开展海底声散射测量的同 频率依赖性;(3)海底声散射强度与发射脉冲长度不时,采用侧扫声呐、水下摄像、立体照相、高分辨率测 存在明显的相关性;(4)虽然散射强度与海底沉积物深、浅地层剖面、沉积物岩心分析等技术对海底粗糙 颗粒粒径不存在明显变化规律,但对于不同类型的海性和非均匀性等底质环境进行了测量,为深人研究散 底声散射强度还是存在一些普遍的趋势,即:砂质和射机理和模型奠定了基础[21;(5)虽然海底粗糙性是 岩石等硬质海底声散射强度一般大于黏土和粉砂等引起海底声散射的主要机制,但多个海区的数据表明 软质海底的声散射强度。在声散射机理方面,研究人海底散射强度与均方根高度没有明显的相关关系,这 员得出一些初步的认识,普遍认为海底声散射主要是说明对于海底声散射来说海底均方根粗糙度不是海 由海底的粗糙度或微起伏所引起的。但对于海底沉底粗糙性的有效表述参数,研究者开始采用海底粗糙 积物颗粒对声散射的贡献,不同研究者给出了不同的度谱来表征海底粗糙度t。在海底声散射机理研究 结论。Urck认为海底声散射主要由海底粗糙性方面,在目前研究的频率范围内(20~180kHz),颗粒 (即不规则性)引起,而不是沉积物颗粒对声波的散散射不是海底声散射的主要机制,这一点得到普遍共 射。Wong和 Chesterman则指出,对于48kHz的识。 Jackson等综合多种数据指出,对于颗粒粒径 声波,砂质或更大粒径的颗粒是小掠射角时海底声散大小相似的海底散射强度相差10~15dB。研究人员 射的主要散射体,在较大掠射角和近垂直入射时,海普遍认为,海底粗糙散射和体积散射是海底散射的主 底粗糙散射是主要机制。 McKinney和 Anderson2要机制,但对于两种散射机制对海底声散射的贡献程 指出沉积物的颗粒属性也是引起海底声散射的一个度及适用条件,不同研究研究人员给出了不同的结 重要方面,但颗粒和粗糙性并不是相互独立的两个方论: Nunchuk和 zhitkovskila认为在浅水区主要是体 面,沉积物颗粒堆积在一起形成与声波波长尺寸相当积非均匀性而不是界面粗糙性来主导海底声散射;而 的散射体,这是海底散射与颗粒具有一定相关性的原 Jackson等则认为,对于淤泥和粉砂等软质海底,在 因;另一方面,这些颗粒堆积体也正是形成海底微起除了很小和很大掠射角之外的中等掠射角范围内,体 伏(即粗糙性)或沉积层结构的重要因素。除此之外,积散射占主导作用,而对于粗砂等硬质海底,在很宽 Urick和 saling2基于中低频(500~8000H1z)声散射的掠射角范围内粗糙散射均占主导地位。 Jackson等 数据指出海底沉积物中沉积层反射可能是引起海底开发了包括粗糙散射和体积散射在内的复合粗糙度 声散射增加的一个因素 散射模型,但该模型并未给出体积散射强度的计算公 20世纪70-80年代,海底声散射测量主要集中式,而是采用一个自由变量来代替,需通过数据拟合 在浅海(水深小于50m)和高频(20~180kHz)反向来确定[。如何能够更好地揭示粗糙散射和体积散 声散射测量,海底底质包括淤泥、粉砂、细砂、含贝壳射两种机制,则需要更完善的模型以及更多的声学和 层、砾石和岩石等多种类型。此时期主要的研究进展底质参数测量数据
面换能器和 T型接收阵进行海底散射系数的实验测 量方法,并在浅海进行了初步的实验测量。曹正良 等[19]采用 T矩阵方法对平面海底界面上球体目标的 声散射建模进行了研究。总体来说,国内目前还没有 用于海底声散射测量的专业设备,研究主要集中于理 论分析和数值仿真。 3 海底声散射特性及机理研究进展 20世纪50-60年代,海底声散射特性研究主要 是分析海底反向声散射与掠射角、声波频率、发射脉 冲长度、海底底质类型等参数的关系[1—3,20]。主要结 论如下:(1)海底声散射总体上随着掠射角的增大而 增加,但对于不同的海底类型和掠射角范围,二者的 函数关系则不同;(2)绝大部分研究人员认为海底声 散射强度不存在明显的频率依赖性,或仅存在很弱的 频率依赖性;(3)海底声散射强度与发射脉冲长度不 存在明显的相关性;(4)虽然散射强度与海底沉积物 颗粒粒径不存在明显变化规律,但对于不同类型的海 底,声散射强度还是存在一些普遍的趋势,即:砂质和 岩石等硬质海底声散射强度一般大于黏土和粉砂等 软质海底的声散射强度。在声散射机理方面,研究人 员得出一些初步的认识,普遍认为海底声散射主要是 由海底的粗糙度或微起伏所引起的。但对于海底沉 积物颗粒对声散射的贡献,不同研究者给出了不同的 结论。Urick [1]认为海底声散射主要由海底粗糙性 (即不规则性)引起,而不是沉积物颗粒对声波的散 射。Wong和 Chestermax [3]则指出,对于48kHz的 声波,砂质或更大粒径的颗粒是小掠射角时海底声散 射的主要散射体,在较大掠射角和近垂直入射时,海 底粗糙散射是主要机制。McKinney和 Anderson [20] 指出沉积物的颗粒属性也是引起海底声散射的一个 重要方面,但颗粒和粗糙性并不是相互独立的两个方 面,沉积物颗粒堆积在一起形成与声波波长尺寸相当 的散射体,这是海底散射与颗粒具有一定相关性的原 因;另一方面,这些颗粒堆积体也正是形成海底微起 伏(即粗糙性)或沉积层结构的重要因素。除此之外, Urick和Saling [2]基于中低频(500~8000Hz)声散射 数据指出海底沉积物中沉积层反射可能是引起海底 声散射增加的一个因素。 20世纪70-80年代,海底声散射测量主要集中 在浅海(水深小于50m)和高频(20~180kHz)反向 声散射测量,海底底质包括淤泥、粉砂、细砂、含贝壳 层、砾石和岩石等多种类型。此时期主要的研究进展 如下:(1)海底声散射强度随掠射角的增大而增强,二 者关系可以采用 Lambert法则公式较好地拟合,即: BS=10lgμ+10lg(sin2θ),θ为掠射角,10lgμ为垂直 入射时的声散射[21—24];(2)声散射存在微弱的频率依 赖性,但不同研究者依据不同的底质类型和测量频率 分别给出了不同的变化关系,总体来说,声散射与声 波频率的关系很难用一个简单的函数来表述,其与海 底底质类型、海底粗糙度、测量频率等多个参数有 关[6,21—24];(3)开展了声散射强度与方位角关系的研 究,Stanic等[22—23]在Panama城附近海域的砂质海底 和Jacksonville附近海域的含有粗贝壳层海底的测量 数据均未显示出明显的方位角依赖 性,而 Boehme 等[21]通过在水平方向上以不同的方位角扫描具有良 好分界的细砂和粗砂海底,发现了在分界线处海底散 射强度的明显变化;(4)在开展海底声散射测量的同 时,采用侧扫声呐、水下摄像、立体照相、高分辨率测 深、浅地层剖面、沉积物岩心分析等技术对海底粗糙 性和非均匀性等底质环境进行了测量,为深入研究散 射机理和模型奠定了基础[21];(5)虽然海底粗糙性是 引起海底声散射的主要机制,但多个海区的数据表明 海底散射强度与均方根高度没有明显的相关关系,这 说明对于海底声散射来说海底均方根粗糙度不是海 底粗糙性的有效表述参数,研究者开始采用海底粗糙 度谱来表征海底粗糙度[23]。在海底声散射机理研究 方面,在目前研究的频率范围内(20~180kHz),颗粒 散射不是海底声散射的主要机制,这一点得到普遍共 识。Jackson等[6]综合多种数据指出,对于颗粒粒径 大小相似的海底散射强度相差10~15dB。研究人员 普遍认为,海底粗糙散射和体积散射是海底散射的主 要机制,但对于两种散射机制对海底声散射的贡献程 度及适用条件,不同研究研究人员给出了不同的结 论:Bunchuk和Zhitkovskii [24]认为在浅水区主要是体 积非均匀性而不是界面粗糙性来主导海底声散射;而 Jackson等[25]则认为,对于淤泥和粉砂等软质海底,在 除了很小和很大掠射角之外的中等掠射角范围内,体 积散射占主导作用,而对于粗砂等硬质海底,在很宽 的掠射角范围内粗糙散射均占主导地位。Jackson等 开发了包括粗糙散射和体积散射在内的复合粗糙度 散射模型,但该模型并未给出体积散射强度的计算公 式,而是采用一个自由变量来代替,需通过数据拟合 来确定[25]。如何能够更好地揭示粗糙散射和体积散 射两种机制,则需要更完善的模型以及更多的声学和 底质参数测量数据。 7期 刘保华等:海底声散射特性研究进展 5
海洋学报39卷 20世纪90年代,海底声散射特性测量和研究具外,剪切波速度非均匀性也是引起体积散射的主要因 有如下进展和特点:(1)除传统的高频(20~300kHz)素。总之,到目前为止,研究人员普遍认识到海底散 测量外,研究人员对1000Hz以下的低频海底声散射主要由海底界面散射和来自海底沉积物的声散射 射特性进行了测量和散射机理研究:Tang等2采用组成。海底的粗糙性是引起界面散射的主要机制,可 频率为250~650Hz的深拖地震技术测量了大西洋采用海底粗糙度谱来表征海底的粗糙性。海底沉积 中脊附近沉积物盆地的海底声散射特性; Greaves和物的声散射来源于多种机制,包括由海底沉积物非均 Stephen采用200~255Hz的声波对大西洋中脊地匀性(密度、孔隙度、声速剪切波速度等非均匀性)引 壳特征进行了测量,试图建立声散射强度与地壳倾角起的体积散射、海底气泡引起的声散射、海底沉积物 的相关关系以便能够采用声散射数据来识别具有不层(或基底)粗糙性引起的声散射、非连续沉积层引起 同倾角的地壳类型,但未能给出满意的结果。(2)测的体积散射等。因此,在进行海底声散射特性研究 量和研究了海底浅表层沉积物中存在的气泡所引起时,应针对不同的声波频率和特定的海底环境条件, 的声散射特性及模型:Tang等[2对比了砂质海底与认真分析引起声散射的机制,以便更好地对声散射特 含气泡层的粉砂海底的声散射特性,指出砂质海底的性进行建模。 声散射主要是由海底界面散射引起,而粉砂海底声散 21世纪以来,中低频的海底声散射特性测量和 射主要由浅表层沉积物中的气泡对声波的散射引起;研究获得广泛关注。 Holland等[1采用图4所示的 Chu等进一步建立了一个双层的模型来模拟由海方法分别在泥质和岩浆岩海底测量了频率为400 底气泡引起的双基地散射强度,模型假设气泡为扁圆4000Hz的海底反向散射强度,掠射角为10°~40°。 球形,且不同气泡散射不存在相干性,均为一次散射。测量结果表明,在该频段内岩浆岩海底的散射强度均 (3)开展了高频的收发分置的双基地海底声散射的测大于泥质海底。机理分析认为,泥质海底声散射主要 量和研究: Stanic等[采用如图2所示装置测量了频来自于海底之下沉积层的体积散射,而海底界面散射 率为20~180kHz的海底双基地散射特性; Williams非常小;岩浆岩海底声散射在低于临界掠射角时为海 和 Jackson分别测量了频率为40kHz的粗砂海底底界面散射,大于临界掠射角时主要为体积散射 和含气的粉砂海底前向散射强度,并将测量数据与基 Soukup和 gragg采用由全向性换能器组成的线性 于反向散射模型推导出的前向散射模型的预测结果声源阵和9基元垂直接收阵对石灰岩海底进行了频 进行了对比。(4)SAX99和SAX04综合声学实验开率为2~3.5kHz的海底反向声散射测量,并分析了 始实施,实验的最大特点是同步开展了精细的海底环此频率段内海底反向声散射强度与掠射角的关系 境特性测量和精确的高频海底声散射同步测量,对海 Hines等[]采用如图5所示装置在两个砂质海底站 底粗糙度和沉积物非均匀性特征进行了详细测量和位测量了频率为4kHz和8kHz的海底反向散射,掠 表征,为高频海底声散射特征及声散射模型综合研究射角为3°~15°。总体来说,目前中低频海底声散射 提供了大量的基础数据[-1:3-3。在声散射机理研特性测量逐步开始,但其散射机理及预测模型还未开 究方面,除海底粗糙界面引起的声散射之外,研究者展系统性的研究 开始关注海底之下沉积物特性引起的声散射,并给出 了多种海底之下声散射的机制2527-28,33。 Jackson 海底声散射模型研究进展 等建立的复合粗糙度散射模型虽然指出沉积物体积4. I Lambert模型 散射的存在,并没有分析引起沉积物体积散射的具体 Lambert模型(或称为 Lambert定律)能够很好 机制2; Hines认为海底沉积物孔隙度的波动是引起地描述粗糙面上反向散射强度以及在相对光滑界面 体积散射的重要机制;Ions等[将海底之下声上(组成界面的小散射体的几何尺度远小于入射声波 散射归结为两种机制:一是与Hine提出的孔隙度波波长)较小掠射角情况下的反向散射强度与掠射角的 动相类似的沉积物的非均匀性,另一种是海底沉积物关系[。但是, Lambert定律是半经验公式,缺乏具 层引起的粗糙界面声散射;Tang等2和Chu等认体的物理含义,而且, Lambert定律仅仅描述了散射 为,对于浅表层沉积物含气泡的粉砂质海底,气泡对强度与掠射角的关系,与海底粗糙度参数无关。通过 声波的散射是海底散射的主要机制; Jackson和Iva-该定律只能获得入射声线、散射声线及散射面法线位 kin351认为除了密度和纵波速度(声速)非均匀性之于同一平面时的散射强度。Eli3, Caruthers和
20世纪90年代,海底声散射特性测量和研究具 有如下进展和特点:(1)除传统的高频(20~300kHz) 测量外,研究人员对1000Hz以下的低频海底声散 射特性进行了测量和散射机理研究:Tang 等[26]采用 频率为250~650Hz的深拖地震技术测量了大西洋 中脊附近沉积物盆地的海底声散射特性;Greaves和 Stephen [9]采用200~255Hz的声波对大西洋中脊地 壳特征进行了测量,试图建立声散射强度与地壳倾角 的相关关系以便能够采用声散射数据来识别具有不 同倾角的地壳类型,但未能给出满意的结果。(2)测 量和研究了海底浅表层沉积物中存在的气泡所引起 的声散射特性及模型:Tang 等[27]对比了砂质海底与 含气泡层的粉砂海底的声散射特性,指出砂质海底的 声散射主要是由海底界面散射引起,而粉砂海底声散 射主要由浅表层沉积物中的气泡对声波的散射引起; Chu等[28]进一步建立了一个双层的模型来模拟由海 底气泡引起的双基地散射强度,模型假设气泡为扁圆 球形,且不同气泡散射不存在相干性,均为一次散射。 (3)开展了高频的收发分置的双基地海底声散射的测 量和研究:Stanic等[29]采用如图2所示装置测量了频 率为20~180kHz的海底双基地散射特性;Williams 和Jackson [30]分别测量了频率为40kHz的粗砂海底 和含气的粉砂海底前向散射强度,并将测量数据与基 于反向散射模型推导出的前向散射模型的预测结果 进行了对比。(4)SAX99和SAX04综合声学实验开 始实施,实验的最大特点是同步开展了精细的海底环 境特性测量和精确的高频海底声散射同步测量,对海 底粗糙度和沉积物非均匀性特征进行了详细测量和 表征,为高频海底声散射特征及声散射模型综合研究 提供了大量的基础数据[10—11,31—32]。在声散射机理研 究方面,除海底粗糙界面引起的声散射之外,研究者 开始关注海底之下沉积物特性引起的声散射,并给出 了多种海底之下声散射的机制[25,27—28,33—35]。Jackson 等建立的复合粗糙度散射模型虽然指出沉积物体积 散射的存在,并没有分析引起沉积物体积散射的具体 机制[25];Hines认为海底沉积物孔隙度的波动是引起 体积散射的重要机制[33];Lyons等[34]将海底之下声 散射归结为两种机制:一是与 Hine提出的孔隙度波 动相类似的沉积物的非均匀性,另一种是海底沉积物 层引起的粗糙界面声散射;Tang 等[27]和 Chu等[28]认 为,对于浅表层沉积物含气泡的粉砂质海底,气泡对 声波的散射是海底散射的主要机制;Jackson和Ivakin [35]认为除了密度和纵波速度(声速)非均匀性之 外,剪切波速度非均匀性也是引起体积散射的主要因 素。总之,到目前为止,研究人员普遍认识到海底散 射主要由海底界面散射和来自海底沉积物的声散射 组成。海底的粗糙性是引起界面散射的主要机制,可 采用海底粗糙度谱来表征海底的粗糙性。海底沉积 物的声散射来源于多种机制,包括由海底沉积物非均 匀性(密度、孔隙度、声速、剪切波速度等非均匀性)引 起的体积散射、海底气泡引起的声散射、海底沉积物 层(或基底)粗糙性引起的声散射、非连续沉积层引起 的体积散射等。因此,在进行海底声散射特性研究 时,应针对不同的声波频率和特定的海底环境条件, 认真分析引起声散射的机制,以便更好地对声散射特 性进行建模。 21世纪以来,中低频的海底声散射特性测量和 研究获得广泛关注。Holland等[12]采用图4所示的 方法分别在泥质和岩浆岩海底测量了频率为400~ 4000Hz的海底反向散射强度,掠射角为10°~40°。 测量结果表明,在该频段内岩浆岩海底的散射强度均 大于泥质海底。机理分析认为,泥质海底声散射主要 来自于海底之下沉积层的体积散射,而海底界面散射 非常小;岩浆岩海底声散射在低于临界掠射角时为海 底界面散射,大于临界掠射角时主要为体积散射。 Soukup和 Gragg [36]采用由全向性换能器组成的线性 声源阵和9基元垂直接收阵对石灰岩海底进行了频 率为2~3.5kHz的海底反向声散射测量,并分析了 此频率段内海底反向声散射强度与掠射角的关系。 Hines等[13]采用如图5所示装置在两个砂质海底站 位测量了频率为4kHz和8kHz的海底反向散射,掠 射角为3°~15°。总体来说,目前中低频海底声散射 特性测量逐步开始,但其散射机理及预测模型还未开 展系统性的研究。 4 海底声散射模型研究进展 4.1 Lambert模型 Lambert模型(或称为 Lambert定律)能够很好 地描述粗糙面上反向散射强度以及在相对光滑界面 上(组成界面的小散射体的几何尺度远小于入射声波 波长)较小掠射角情况下的反向散射强度与掠射角的 关系[37]。但是,Lambert定律是半经验公式,缺乏具 体的物理含义,而且,Lambert定律仅仅描述了散射 强度与掠射角的关系,与海底粗糙度参数无关。通过 该定律只能获得入射声线、散射声线及散射面法线位 于同 一 平 面 时 的 散 射 强 度。Ellis [38],Caruthers和 6 海洋学报 39卷
7期刘保华等:海底声散射特性研究进展 Navarin对 Lambert定律进行改进,给出了一种与底是由流体和固体骨架组成的两相多孔弹性介质, Lambert定律类似的三维散射强度计算模型 Williams等[将Biot模型与小粗糙度微扰近似相结 4.2基尔霍夫( Kirchhof近似模型 合来研究海底声散射问题,建立了小粗糙度微扰多孔 基尔霍夫近似模型适合粗糙界面起伏变化比较弹性模型。 Jackson和 Richardson'对该模型运算进 缓慢的情况(R》λ/πsin3θ,R。为界面的曲率半径,行了改进,采用矩阵方法来表示散射截面,从而降低 λ和θ为入射波局部掠射角和波长),而对海底起伏高代数运算的复杂性。 度和界面斜率没有要求。 Chart最早将基尔霍夫近44小斜率近似模型 似用于海面的声散射研究, Jackson等将基尔霍夫 小斜率近似模型最早为研究海面声散射而建立 近似用于镜面反射方向附近的频率为10~100kHz的,后来被广泛应用于海底声散射的研究,其表达式 的海底声散射的计算,并将近垂直的方向散射测量数是关于界面斜率的一系列展开式3。普遍认为 据与基尔霍夫模型预测进行了对比。 Moustier将小斜率近似比小粗糙度微扰近似和基尔霍夫近似更 基尔霍夫近似应用于多波束数据的近垂直入射时声为精确,且一种近似方法几乎可以涵盖几乎所有的掠 散射与海底底质属性关系的研究。 Acold曾将基尔射角范围(基尔霍夫近似适合镜像反射方向附近的散 霍夫近似用于具有随机粗糙特性的弹性海底的声散射,小粗糙度微扰近似适合镜像反射附近之外的散 射研究。 Williams和 Jacson0将基尔霍夫近似用于射)。 Broschat和 Torsos详细推导了适合 收发分置的双基地散射模型的研究。对于高频声散 Dirichlet边界条件的粗糙界面小斜率近似模型的散 射, Jackson和 Richardson[等给出了高频极限条件射截面表达式,并详细研究了小斜率近似用于海底声 下的基尔霍夫近似的散射截面表达式。基尔霍夫近散射计算时的精度,小斜率近似的精度与界面均方根 似中未考虑影区效应和多次散射,目前基尔霍夫近似倾角、界面相关长度和入射角有关。日前,小斜率近 主要用于倾角变化缓慢的粗糙海底近垂直方向附近似模型是应用最广泛的海底声散射模型。 gragg 的海底声散射场的计算 等[采用小斜率近似模型研究包含均匀散射体的随 4、3小粗糙度微扰近似模型 机粗糙海底的声散射,推导出此种条件下的双基地散 微扰近似理论适用于粗糙界面起伏很小(小于入射公式。 Soukup等5, Jackson{0将小斜率近似应用 射波波波长)且界面斜率足够小的情况,因此称为小于包含剪切效应的弹性海底声散射的研究, Jackson 粗糙度微扰近似模型。微扰理论认为当粗糙界面起将其推广到层状海底声散射研究。 伏比较小时,它对声场的影响比较小,可以将声场看45复合粗糙度近似模型 成由光滑界面产生的场和一个扰动散射场叠加组成 复合粗糙度近似模型的核心思想是将海底粗糙 小粗糙度微扰近似是在海底声散射场计算中得到广度划分为大尺度和小尺度两部分,充分利用基尔霍夫 泛应用的模型,根据导出散射截面表达式时所基于的近似和小粗糙度微扰近似在适用条件上的互补性,对 波动方程类型的不同,又可以分为小粗糙度微扰近似于大尺度粗糙度采用基尔霍夫近似计算海底散射,对 流体模型、小粗糙度微扰近似弹性模型以及小粗糙度于小尺度粗糙度采用小粗糙度微扰近似。早期主要 微扰近似多孔弹性模型。Kuo[给出了无损耗流体用于海面声散射的研究,后来被 Jackson应用于海底 沉积物情况下的小粗糙度微扰流体近似模型表达式,声散射研究,其将垂直入射附近的大尺度粗糙度采用 Jackson和 briggs40将表达式推广到有限衰减的情基尔霍夫近似计算海底散射,小粗糙度采用微扰近似 况,并将模型预测与砂和粉砂等不同类型的海底声散计算海底散射{2。复合粗糙度近似模型的问题在于 射测量数据进行了对比,但该模型假设沉积物各向同用于区分大小尺度粗糙的截止波数的选择很难十分 性,且不存在任何形式的分层或梯度。后来,Moe和清楚地确定,一般通过多次的试算和比较来确定 Jackson将微扰流体模型应用于具有声速梯度的海 Thorson指出,对于小掠射角的声散射计算,复合粗 底,给出了此种情况下的海底声散射强度和散射截面糙度近似模型的精度偏低。研究人员在早期的海底 的一般表达式。 Kuperman等研究人员将微扰流体模声散射模型研究中采用复合粗糙度模型,目前复合粗 型扩展至分层海底的情况,并将剪切效应纳入到海底糙度模型逐渐被小斜率近似模型代替。 声散射的研究,建立了各向同性小粗糙度微扰近似弹46其他模型 性模型,用于弹性海底声散射的研究[。实际海 针对具有分层的海底中低频声散射, Jackson
Novarini [39]对Lambert定律进行改进,给出了一种与 Lambert定律类似的三维散射强度计算模型。 4.2 基尔霍夫(Kirchhoff)近似模型 基尔霍夫近似模型适合粗糙界面起伏变化比较 缓慢的情况(Rc ≫λ/πsin3θ,Rc 为界面的曲率半径, λ和θ为入射波局部掠射角和波长),而对海底起伏高 度和界面斜率没有要求。Echart最早将基尔霍夫近 似用于海面的声散射研究,Jackson等[25]将基尔霍夫 近似用于镜面反射方向附近的频率为10~100kHz 的海底声散射的计算,并将近垂直的方向散射测量数 据与基尔霍夫模型预测进行了对比。Moustier [40]将 基尔霍夫近似应用于多波束数据的近垂直入射时声 散射与海底底质属性关系的研究。Dacol [41]曾将基尔 霍夫近似用于具有随机粗糙特性的弹性海底的声散 射研究。Williams和Jacson [30]将基尔霍夫近似用于 收发分置的双基地散射模型的研究。对于高频声散 射,Jackson和 Richardson [42]等给出了高频极限条件 下的基尔霍夫近似的散射截面表达式。基尔霍夫近 似中未考虑影区效应和多次散射,目前基尔霍夫近似 主要用于倾角变化缓慢的粗糙海底近垂直方向附近 的海底声散射场的计算。 4.3 小粗糙度微扰近似模型 微扰近似理论适用于粗糙界面起伏很小(小于入 射波波波长)且界面斜率足够小的情况,因此称为小 粗糙度微扰近似模型。微扰理论认为当粗糙界面起 伏比较小时,它对声场的影响比较小,可以将声场看 成由光滑界面产生的场和一个扰动散射场叠加组成。 小粗糙度微扰近似是在海底声散射场计算中得到广 泛应用的模型,根据导出散射截面表达式时所基于的 波动方程类型的不同,又可以分为小粗糙度微扰近似 流体模型、小粗糙度微扰近似弹性模型以及小粗糙度 微扰近似多孔弹性模型。Kuo [43]给出了无损耗流体 沉积物情况下的小粗糙度微扰流体近似模型表达式, Jackson和Briggs [44]将表达式推广到有限衰减的情 况,并将模型预测与砂和粉砂等不同类型的海底声散 射测量数据进行了对比,但该模型假设沉积物各向同 性,且不存在任何形式的分层或梯度。后来,Moe和 Jackson [45]将微扰流体模型应用于具有声速梯度的海 底,给出了此种情况下的海底声散射强度和散射截面 的一般表达式。Kuperman等研究人员将微扰流体模 型扩展至分层海底的情况,并将剪切效应纳入到海底 声散射的研究,建立了各向同性小粗糙度微扰近似弹 性模型,用于弹性海底声散射的研究[46—48]。实际海 底是由流体和固体骨架组成的两相多孔弹性介质, Williams等[49]将Biot模型与小粗糙度微扰近似相结 合来研究海底声散射问题,建立了小粗糙度微扰多孔 弹性模型。Jackson和 Richardson [42]对该模型运算进 行了改进,采用矩阵方法来表示散射截面,从而降低 代数运算的复杂性。 4.4 小斜率近似模型 小斜率近似模型最早为研究海面声散射而建立 的,后来被广泛应用于海底声散射的研究,其表达式 是关于界面斜率的一系列展开式[50—52]。普遍认为, 小斜率近似比小粗糙度微扰近似和基尔霍夫近似更 为精确,且一种近似方法几乎可以涵盖几乎所有的掠 射角范围(基尔霍夫近似适合镜像反射方向附近的散 射,小粗糙度微扰近似适合镜像反射附近之外的散 射)。Broschat 和 Thorsos [53] 详 细 推 导 了 适 合 Dirichlet边界条件的粗糙界面小斜率近似模型的散 射截面表达式,并详细研究了小斜率近似用于海底声 散射计算时的精度,小斜率近似的精度与界面均方根 倾角、界面相关长度和入射角有关。目前,小斜率近 似模 型 是 应 用 最 广 泛 的 海 底 声 散 射 模 型。Gragg 等[54]采用小斜率近似模型研究包含均匀散射体的随 机粗糙海底的声散射,推导出此种条件下的双基地散 射公式。Soukup等[55],Jackson [56]将小斜率近似应用 于包含剪切效应的弹性海底声散射的研究,Jackson 将其推广到层状海底声散射研究。 4.5 复合粗糙度近似模型 复合粗糙度近似模型的核心思想是将海底粗糙 度划分为大尺度和小尺度两部分,充分利用基尔霍夫 近似和小粗糙度微扰近似在适用条件上的互补性,对 于大尺度粗糙度采用基尔霍夫近似计算海底散射,对 于小尺度粗糙度采用小粗糙度微扰近似。早期主要 用于海面声散射的研究,后来被Jackson应用于海底 声散射研究,其将垂直入射附近的大尺度粗糙度采用 基尔霍夫近似计算海底散射,小粗糙度采用微扰近似 计算海底散射[23]。复合粗糙度近似模型的问题在于 用于区分大小尺度粗糙的截止波数的选择很难十分 清楚地确定,一般通过多次的试算和比较来确定。 Thorsos [57]指出,对于小掠射角的声散射计算,复合粗 糙度近似模型的精度偏低。研究人员在早期的海底 声散射模型研究中采用复合粗糙度模型,目前复合粗 糙度模型逐渐被小斜率近似模型代替。 4.6 其他模型 针对 具 有 分 层 的 海 底 中 低 频 声 散 射,Jackson 7期 刘保华等:海底声散射特性研究进展 7
海洋学报39卷 等建立了 GABIM模型。GABⅠM模型将海底视为散射模型在中低频段的适用性问题,通过数据和模型 多层的流体,综合运用基尔霍夫近似、一阶微扰近似对比,研究建立适合中低频海底声散射特性预测的地 和经验公式来计算海底界面粗糙散射,采用一阶微扰声模型 近似和经验公式来计算体积散射,该模型对100~5.2小掠射角和各向异性粗糙海底等特殊条件下的 10000Hz的中频声波海底散射强度具有较好的预测 声散射特性研究 效果。国内研究人员在海底声散射和海底混响计算 小掠射角(小于10°)声散射是引起远距离混响的 方法和模型方面也开展了卓有成效的研究,张仁和和重要因素,在远程声探测方面具有重要的应用价值 金国亮,李风华等采用简正波理论对浅海环境是在今后的研究中需要重点关注的研究课题。浅海 下的混响特性进行了研究。彭朝晖等结合 Rankin小掠射角声散射测量的难点在于海面散射和多途声 等提出的射线管积分法和 Hines的复射线法,推导出传播的影响。在散射机理研究方面,当声波以小于临 了一种计算随机非均匀海底和粗糙界面引起的平面界掠射角的小掠射角入射到海底时,有时在近海底沉 内海底散射模型,此模型中考虑了折射波和衰减波的积物中产生渐逝耗散波,这增加了小掠射角海底声散 贡献。 射机理的复杂性,也是小掠射角声散射研究的难点之 5发展趋势及研究难点 在模型研究方面,目前常用的散射模型在小掠射 角条件下的预测能力还未进行足够的测试,其适用性 5.1海底中低频声散射测量及模型研究 还有待研究。另外,目前海底声散射测量和研究往往 从上述分析来看,国内外对于海底声散射特性研将海底看成是统计意义上的各向同性粗糙海底,主要 究主要集中在大于10kHz的高频段,而对频率小于关注海底声散射随掠射角的变化。而当海底存在明 10kH的中低频声散射研究相对较少,目前所开展显方向性的地貌特征时(比如方向性的海底沙波或方 的相关测量也只是局限在中频段的几个离散频率点,向性明显的海底冲刷沟槽等),海底粗糙度表现出明 缺少系统性。中低频声散射硏究可以弥补目前海底显的各向异性特征。由各向异性粗糙海底引起的声 声散射研究在频段上的局限性。而且,中低频声波在散射强度,不仅与掠射角有关,还与方位角有关。各 海洋声场测量与预报、海底理藏物声学探测、水声通向异性粗糙海底声散射测量和模型研究主要难点在 讯以及海洋地球物理探测等领域具有重要的应用价于海底三维粗糙特性的测量和表征以及三维声散射 值。海底中低频声散射的系统性测量以及相关模型场的精确测量,这将会成为未来发展的方向。 研究已成为海底声散射研究发展的趋势和研究热点。5.3多层海底声散射模型研究 相对于高频声散射而言,海底中低频声散射无论是声 目前的海底散射模型一般将海底看作为未分层 散射特性测量,还是散射机理分析和预测模型研究,的半空间介质,而实际的海底沉积物中往往存在分层 均更为复杂。测量的复杂性在于常规中频换能器声结构。在与海底相互作用过程中,声波往往透射进入 源的指向性差,易受海面声散射的干扰,影响测量精海底界面之下(特别是对于中低频声波),被沉积物中 度;散射机理和模型的复杂性在于其可能同时受海底的非均匀体和粗糙沉积层界面再次散射。采用更接 粗糙界面散射和沉积物内非均匀体散射的共同作用,近实际海底条件的多层声散射模型进行海底声散射 从而导致其预测模型更为复杂。研发声学参量阵等特性预测将成为未来发展的趋势。虽然 Jackson等在 中低频高指向性声源和多基元接收阵列是解决中低多层声散射模型方面开展了一些研究,但建立的 频声散射精确测量的途径之一。在机理分析方面,与 GABIM模型将多层海底简化成流体模型,且模型的 中低频声散射相匹配的海底粗糙度和海底非均匀等预测结果未进行实际数据的验证[5。在多层海底散 参数的测量和表征是一个很大的挑战,也是今后需要射模型方面今后还需要开展大量的针对实际海底情 重点解决的难点之一。而且,海底中低频声散射受海况的多层散射模型普适化和模型验证工作。多层海 底粗糙面散射、海底体积散射、海底沉积层散射等多底声散射模型研究的难点一方面在于如何甄别海底 种机制共同作用,彻底弄清各种机理及其对声散射的界面粗糙散射、沉积物中体积散射、海底沉积层界面 影响和贡献,也是今后海底声散射机理研究的难点和粗糙散射、沉积物声传播衰减等多种机制对散射总场 需要重点关注的研究课题。在中低频模型研究方面,的影响,另一方面是如何测量和表征海底以下多个沉 需要重点解决经过高频声散射数据验证了的高频声积层界面粗糙度特性和界面之间沉积物的体积非均
等[58]建立了 GABIM 模型。GABIM 模型将海底视为 多层的流体,综合运用基尔霍夫近似、一阶微扰近似 和经验公式来计算海底界面粗糙散射,采用一阶微扰 近似和经验公式来计算体积散射,该模型对100~ 10000Hz的中频声波海底散射强度具有较好的预测 效果。国内研究人员在海底声散射和海底混响计算 方法和模型方面也开展了卓有成效的研究,张仁和和 金国亮[59],李风华等[60]采用简正波理论对浅海环境 下的混响特性进行了研究。彭朝晖等[61]结合Ivankin 等提出的射线管积分法和 Hines的复射线法,推导出 了一种计算随机非均匀海底和粗糙界面引起的平面 内海底散射模型,此模型中考虑了折射波和衰减波的 贡献。 5 发展趋势及研究难点 5.1 海底中低频声散射测量及模型研究 从上述分析来看,国内外对于海底声散射特性研 究主要集中在大于10kHz的高频段,而对频率小于 10kHz的中低频声散射研究相对较少,目前所开展 的相关测量也只是局限在中频段的几个离散频率点, 缺少系统性。中低频声散射研究可以弥补目前海底 声散射研究在频段上的局限性。而且,中低频声波在 海洋声场测量与预报、海底埋藏物声学探测、水声通 讯以及海洋地球物理探测等领域具有重要的应用价 值。海底中低频声散射的系统性测量以及相关模型 研究已成为海底声散射研究发展的趋势和研究热点。 相对于高频声散射而言,海底中低频声散射无论是声 散射特性测量,还是散射机理分析和预测模型研究, 均更为复杂。测量的复杂性在于常规中频换能器声 源的指向性差,易受海面声散射的干扰,影响测量精 度;散射机理和模型的复杂性在于其可能同时受海底 粗糙界面散射和沉积物内非均匀体散射的共同作用, 从而导致其预测模型更为复杂。研发声学参量阵等 中低频高指向性声源和多基元接收阵列是解决中低 频声散射精确测量的途径之一。在机理分析方面,与 中低频声散射相匹配的海底粗糙度和海底非均匀等 参数的测量和表征是一个很大的挑战,也是今后需要 重点解决的难点之一。而且,海底中低频声散射受海 底粗糙面散射、海底体积散射、海底沉积层散射等多 种机制共同作用,彻底弄清各种机理及其对声散射的 影响和贡献,也是今后海底声散射机理研究的难点和 需要重点关注的研究课题。在中低频模型研究方面, 需要重点解决经过高频声散射数据验证了的高频声 散射模型在中低频段的适用性问题,通过数据和模型 对比,研究建立适合中低频海底声散射特性预测的地 声模型。 5.2 小掠射角和各向异性粗糙海底等特殊条件下的 声散射特性研究 小掠射角(小于10°)声散射是引起远距离混响的 重要因素,在远程声探测方面具有重要的应用价值, 是在今后的研究中需要重点关注的研究课题。浅海 小掠射角声散射测量的难点在于海面散射和多途声 传播的影响。在散射机理研究方面,当声波以小于临 界掠射角的小掠射角入射到海底时,有时在近海底沉 积物中产生渐逝耗散波,这增加了小掠射角海底声散 射机理的复杂性,也是小掠射角声散射研究的难点之 一。在模型研究方面,目前常用的散射模型在小掠射 角条件下的预测能力还未进行足够的测试,其适用性 还有待研究。另外,目前海底声散射测量和研究往往 将海底看成是统计意义上的各向同性粗糙海底,主要 关注海底声散射随掠射角的变化。而当海底存在明 显方向性的地貌特征时(比如方向性的海底沙波或方 向性明显的海底冲刷沟槽等),海底粗糙度表现出明 显的各向异性特征。由各向异性粗糙海底引起的声 散射强度,不仅与掠射角有关,还与方位角有关。各 向异性粗糙海底声散射测量和模型研究主要难点在 于海底三维粗糙特性的测量和表征以及三维声散射 场的精确测量,这将会成为未来发展的方向。 5.3 多层海底声散射模型研究 目前的海底散射模型一般将海底看作为未分层 的半空间介质,而实际的海底沉积物中往往存在分层 结构。在与海底相互作用过程中,声波往往透射进入 海底界面之下(特别是对于中低频声波),被沉积物中 的非均匀体和粗糙沉积层界面再次散射。采用更接 近实际海底条件的多层声散射模型进行海底声散射 特性预测将成为未来发展的趋势。虽然Jackson等在 多层声 散 射 模 型 方 面 开 展 了 一 些 研 究,但 建 立 的 GABIM 模型将多层海底简化成流体模型,且模型的 预测结果未进行实际数据的验证[58]。在多层海底散 射模型方面今后还需要开展大量的针对实际海底情 况的多层散射模型普适化和模型验证工作。多层海 底声散射模型研究的难点一方面在于如何甄别海底 界面粗糙散射、沉积物中体积散射、海底沉积层界面 粗糙散射、沉积物声传播衰减等多种机制对散射总场 的影响,另一方面是如何测量和表征海底以下多个沉 积层界面粗糙度特性和界面之间沉积物的体积非均 8 海洋学报 39卷
7期刘保华等:海底声散射特性研究进展 匀性。 尝试试验,但总体研究水平较低,特别是目前还没有 54双基地和前向声散射特性研究 开展中低频海底前向声散射测量。对于中低频前向 目前国内外研究主要集中在收发合置(单基地)声散射测量,研发满足测量要求的指向性声源和指向 海底散射强度的测量和建模。相对于单基地声呐,双性接收换能器或接收阵列是需要解决的关键技术 (多)基地声呐具有探测范围大、隐蔽性好、抗干扰能对于浅海中低频前向海底声散射测量,如何避免海面 力强等优点。随着双(多)基地声纳的广泛应用,研究声散射影响和声波的多途传播,是未来研究的难点, 不同入射和散射掠射角以及不同入射和散射方位角在散射模型研究方面,目前的海底声散射模型是否还 时的海底双基地前向散射成为一种十分迫切的需要。适用于海底前向声散射特性的计算和预测,还需要开 研究人员在高频海底前向声散射测量方面做了一些展大量的研究工作。 参考文献 1] Urick J. The Backscattering of sound from a harbor bottomUJI. The Journal of the Acoustical Society of America, 1954, 26(2): 231-235 [2] Urick R J, Saling D. Backscattering of explosive sound from the deepsea bedLJ. The Journal of the Acoustical Society of America, 1962.34(6): 1721-1724. [3] Wong H K, Chestermax W D. Bottom backscattering near grazing incidence in shallow water[J]. The Journal of the Acoustical Society of Americ 1968,44(6):1713-1718. [4 Barry W, Jackson D, Schultz J. A flexible towed sonar for ocean acoustic measurements[Cl//Proceedings of IEEE International Conference on A coustics, Speech, and Signal Processing, Tulsa, OK, USA, 1978:152-154. [5] Barry W A, Jackson D R. Split-beam towed sonar for ocean acoustic measurement [C]//OCEANS'80 Conference Proceedings, Seattle, WA UsA,1980:267-271 [6] Jackson DR, Baird A M, Crisp JJ, et al. High-frequency bottom backscatter measurement in shallow water]. The Journal of the Acoustical So- ciety of America,1986,80(4):1188-1199 [7] Stanic S, Eckstein B E, Williams R L, et al. A highfrequency shallow water acoustic measurement systemLJ. IEEE Journal of Oceanic Engineer- ing,1988,13(3):155-161 [8] Boehme H, Chotiros N P, Rolleigh L D, et al. Acoustic backscattering at low grazing angles from the ocean bottom. Part 1. Bottom backscattering strengthLJI. The Journal of the Acoustical Society of America, 1985,77(3):962-974. [9] Greaves R J, Stephen R A. Seafloor acoustic backscattering from different geological provinces in the Atlantic Natural Laboratory LJ]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1997, 111(1): 193-208. 10] Thorsos E L, William K L, Chotiros N P, et al. An overview of SAX99: acoustic measurements[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2001 26(1):4-25. [11] Williams K L, Jackson DR, Tang DJ, et al. Acoustic backscattering from a sand and a sand/ mud environment experiments and data/ model comparisons[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2009, 34(4):388-398 [12] Holland C W, Hollett R, Troiano L Measurement technique for bottom scattering in shallow water]. The Journal of the Acoustical Society of [13] Hines P C, Osler J C, MacDougald D J. Acoustic backscatter measurements form littoral seabeds at shallow grazing angles at 4 and 8 kHD].The Journal of [14] La H, Choi J W. 8kHz bottom backscattering measurements at low grazing angles in shallow waterDI. The Journal of the Acoustical Society of (4):160-165 [15] Manik H M, Furusawa M, Amakasu K. Measurement of sea bottom surface backscattering strength by qu ve echo sounder. Fisheries [16]金国亮,吴承义,张国华,等.浅海二维海底散射系数的测量[.声学学报,1987,12(3):227-231. Jin Guoliang, Wu Chengyi, Zhang Guohua, et al. The measurement of twodimensional bottom backscattering coefficients at shallow water[J]. Acta Acustica,1987,12(3):227-231. 17]宋磊.海底散射系数测量方法研究[D.哈尔滨:哈尔滨工程大学,2007 Song Lei. Study on measurement method of ocean bottom acoustic scattering coefficient [D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2007. [18]薛婷.基于T型乘积阵的海底散射系数测量方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2008 Xue Ting. Study on met bod of ocean bottom scattering coefficient based on T-type multiplicative arrays[D]. Harbin: Harbin [19]曹正良,杜栓平,周土弘,等.平面海底界面上球体目标的声散射建模研究[.地球物理学报,2010,53(2):401-410. Cao Zhengliang, Du Shuanping, Zhou Shihong, et al. Modeling of acoustic scattering by sphere on a planar seabedCJI. Chinese Journal of Geophys- ics2010,53(2):401-410
匀性。 5.4 双基地和前向声散射特性研究 目前国内外研究主要集中在收发合置(单基地) 海底散射强度的测量和建模。相对于单基地声呐,双 (多)基地声呐具有探测范围大、隐蔽性好、抗干扰能 力强等优点。随着双(多)基地声纳的广泛应用,研究 不同入射和散射掠射角以及不同入射和散射方位角 时的海底双基地前向散射成为一种十分迫切的需要。 研究人员在高频海底前向声散射测量方面做了一些 尝试试验,但总体研究水平较低,特别是目前还没有 开展中低频海底前向声散射测量。对于中低频前向 声散射测量,研发满足测量要求的指向性声源和指向 性接收换能器或接收阵列是需要解决的关键技术。 对于浅海中低频前向海底声散射测量,如何避免海面 声散射影响和声波的多途传播,是未来研究的难点。 在散射模型研究方面,目前的海底声散射模型是否还 适用于海底前向声散射特性的计算和预测,还需要开 展大量的研究工作。 参考文献: [1] UrickRJ.TheBackscatteringofsoundfromaharborbottom[J].TheJournaloftheAcousticalSocietyofAmerica,1954,26(2):231-235. [2] UrickRJ,SalingDS.Backscatteringofexplosivesoundfromthedeep-seabed[J].TheJournaloftheAcousticalSocietyofAmerica,1962,34(6): 1721-1724. [3] WongH K,ChestermaxWD.Bottombackscatteringneargrazingincidenceinshallowwater[J].TheJournaloftheAcousticalSocietyofAmerica, 1968,44(6):1713-1718. [4] BarryW,JacksonD,SchultzJ.Aflexibletowedsonarforoceanacousticmeasurements[C]//ProceedingsofIEEEInternationalConferenceonAcoustics,Speech,andSignalProcessing,Tulsa,OK,USA,1978:152-154. [5] Barry W A,JacksonDR.Split-beamtowedsonarforoceanacousticmeasurement[C]//OCEANS’80ConferenceProceedings,Seattle,WA, USA,1980:267-271. [6] JacksonDR,BairdA M,CrispJJ,etal.High-frequencybottombackscattermeasurementinshallowwater[J].TheJournaloftheAcousticalSocietyofAmerica,1986,80(4):1188-1199. [7] StanicS,EcksteinBE,WilliamsRL,etal.Ahigh-frequencyshallowwateracousticmeasurementsystem[J].IEEEJournalofOceanicEngineering,1988,13(3):155-161. [8] BoehmeH,ChotirosNP,RolleighLD,etal.Acousticbackscatteringatlowgrazinganglesfromtheoceanbottom.PartI.Bottombackscattering strength[J].TheJournaloftheAcousticalSocietyofAmerica,1985,77(3):962-974. [9] GreavesRJ,StephenRA.SeaflooracousticbackscatteringfromdifferentgeologicalprovincesintheAtlanticNaturalLaboratory[J].TheJournal oftheAcousticalSocietyofAmerica,1997,111(1):193-208. [10] ThorsosEI,WilliamKL,ChotirosNP,etal.AnoverviewofSAX99:acousticmeasurements[J].IEEEJournalofOceanicEngineering,2001, 26(1):4-25. [11] WilliamsKL,JacksonDR,TangDJ,etal.Acousticbackscatteringfromasandandasand/mudenvironment:experimentsanddata/model comparisons[J].IEEEJournalofOceanicEngineering,2009,34(4):388-398. [12] HollandC W,HollettR,TroianoL.Measurementtechniqueforbottomscatteringinshallowwater[J].TheJournaloftheAcousticalSocietyof America,2000,108(3):997-1011. [13] HinesPC,OslerJC,MacDougaldDJ.Acousticbackscattermeasurementsformlittoralseabedsatshallowgrazinganglesat4and8kHz[J].The JournaloftheAcousticalSocietyofAmerica,2005,117(6):3504-3516. [14] LaH,ChoiJW.8-kHzbottombackscatteringmeasurementsatlowgrazinganglesinshallowwater[J].TheJournaloftheAcousticalSocietyof America,2010,127(4):160-165. [15] ManikH M,FurusawaM,AmakasuK.Measurementofseabottomsurfacebackscatteringstrengthbyquantitativeechosounder[J].Fisheries Science,2006,72(3):503-512. [16] 金国亮,吴承义,张国华,等.浅海二维海底散射系数的测量[J].声学学报,1987,12(3):227-231. JinGuoliang,WuChengyi,ZhangGuohua,etal.Themeasurementoftwo-dimensionalbottombackscatteringcoefficientsatshallowwater[J]. ActaAcustica,1987,12(3):227-231. [17] 宋磊.海底散射系数测量方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2007. SongLei.Studyonmeasurementmethodofoceanbottomacousticscatteringcoefficient[D].Harbin:HarbinEngineeringUniversity,2007. [18] 薛婷.基于 T型乘积阵的海底散射系数测量方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2008. XueTing.StudyonmeasurementmethodofoceanbottomacousticscatteringcoefficientbasedonT-typemultiplicativearrays[D].Harbin:Harbin EngineeringUniversity,2008. [19] 曹正良,杜栓平,周士弘,等.平面海底界面上球体目标的声散射建模研究[J].地球物理学报,2010,53(2):401-410. CaoZhengliang,DuShuanping,ZhouShihong,etal.Modelingofacousticscatteringbysphereonaplanarseabed[J].ChineseJournalofGeophysics,2010,53(2):401-410. 7期 刘保华等:海底声散射特性研究进展 9
10 海洋学报39卷 [20 McKinney C M, Anderson C D. Measurements of backscattering of sound from the ocean bottom[J]. The Journal of the Acoustical Society of a erica,1964,36(1):158-163. [21] Boehme H, Chotiros N P, Rolleigh L D, et al. Acoustic backscattering at low grazing angles from the ocean bottom. Part I. Bottom backscattering strength[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1985, 77(3): 962-974 [22] Stanic S, Briggs K B, Fleischer P, et al. Shallow-water highfrequency bottom scattering off Panama City, Florida[j]. The Journal of the Acous- tical Society of America, 1988. 83(6): 2134-2144 [23 Stanic S, Briggs K B, Fleischer P, et al. Highfrequency acoustic backscattering from a coarse shell ocean bottom]. The Journal of the Acous- tical Society of America, 1989, 85(1): 125-136. [24] Bunchuk A V, Zhitkowskii Y Y. Sound scattering by the ocean bottom in shallow-water region( review)[J]. Soviet Physics Acoustics, 1980,26: [25] Jackson DR, Winebrenner D P, Ishimaru A. Application of the composite roughness model to high-frequency bottom backscattering[J].The ournal of the Acoustical Society of America, 1986, 79(5): 1410-1422. [26] Tang D J, Frisk G V, Sellers C J, et al. Low-frequency acoustic backscattering by volumetric inhomogeneities in deepr-ocean sediments [J].The ournal of the Acoustical Society of America, 1995, 98(1): 508-518 [27] Tang DJ, Jin G L, Jackson DR, et al. Analyses of high-frequency bottom and subbottom backscattering for two distinct shallow environments J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1994, 96(5): 2930-2936 [28] Chu D Z, Williams K L, Tang D J, et al. High-frequency bistatic scattering by sub-bottom gas bubbles[J. The Journal of the Acoustical Societ of america,1997,102(2):806-814 [29] Stanic S, Kennedy E, Ray R L. Variability of shallow-water bistatic bottom backscattering. The Journal of the Acoustical Society of America 1991,90(1):547-553 [30] Williams K L, Jackson DR. Bistatic bottom scattering: Model, experiments, and model/data comparison]. The Journal of the Acoustical Socie- ty of America,1998,103(1):169-181 [31] Briggs K B. Tang D J, Williams K L. Characterization of interface roughness of rippled sand off fort Walton Beach, FloridaLJ. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2002, 27(3): 505-514. [32] Wang C C, Hefner B T, Tang D J. Evaluation of laser scanning and stereo photography roughness measurement systems using a realistic model bed surfaceD]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2009,34(4):466-475 [33] Hines P C. Theoretical model of acoustic backscatter from a smooth seabed]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1990, 88(1): 324-334 [34] Lyons A P, Anderson A L, Dwan F S. Acoustic scattering from the seafloor i modeling and data comparisonLJ]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1994, 95(5): 2441-2451. [35] Jackson DR, Ivakin A N. Scattering from elastic sea beds: First-order theoryDJI. The Journal of the Acoustical Society of America,1998.103 [36] Soukup R ], Gragg R F. Backscatter from a limestone seafloor at 2-3. 5 kHz: measurements and modeling]. The Journal of the Acoustical So- ety of America,2003,113(5):2501-2514. [37]胡剑忠.海底三维散射强度的测量和模型计算[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2009. Hu Jianzhong. Measurement and model calculation of sea bottom three-dimensional scattering strengthLD]. Harbin: Harbin Engineering Universi ty,2009. [38] Ellis D D. Bistatic reverberation calculations using a three-dimensional scattering functionLJ]. The Journal of the Acoustical Society of America 1991,89(5):2207-2214 [39] Caruthers J W, Novarini J C. Modeling bistatic bottom scattering strength including a forward scatter lobe]. IEEE Journal of Oceanic Engineer- g,199 [40] Moustier C D. Beyond bathymetry mapping acoustic backscattering from the deep seafloor with sea beamuJ]. The Journal of the Acoustical Socie- ty of America,1986,79(2):316-331. [41] Dacol D K. The kirchhoff approximation for scattering from a rough fluid-elastic solid interfaceLJ]. The Journal of the Acoustical Society [42] Jackson DR, Richardson M D. High-frequency seafloor acoustics[M. New York: Springer Science+Business Media, LLC, 2007. [43] Kuo E Y. Wave scattering and transmission at irregular surfacesDJ]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1964, 36(11):2135 [44] Jackson D R, Briggs K B. High-frequency bottom backscattering: roughness versus sediment volume scatteringLJ]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1992, 92(2): 962-977. [45] Moe J E, Jackson DR. First-order perturbation solution for rough surface scattering cross section including the effects of gradients. The Journal of the Acoustical Society of America, 1994, 96(3): 1748-1754 [46] Kuperman W A, Schmidt H. Rough surface elastic wave scattering in a horizontally stratified ocean]. The Journal of the Acoustical Society of America,1986,79(6):1767-197
[20] McKinneyCM,AndersonCD.Measurementsofbackscatteringofsoundfromtheoceanbottom[J].TheJournaloftheAcousticalSocietyofAmerica,1964,36(1):158-163. [21] BoehmeH,ChotirosNP,RolleighLD,etal.Acousticbackscatteringatlowgrazinganglesfromtheoceanbottom.PartI.Bottombackscattering strength[J].TheJournaloftheAcousticalSocietyofAmerica,1985,77(3):962-974. [22] StanicS,BriggsKB,FleischerP,etal.Shallow-waterhigh-frequencybottomscatteringoffPanamaCity,Florida[J].TheJournaloftheAcousticalSocietyofAmerica,1988,83(6):2134-2144. [23] StanicS,BriggsKB,FleischerP,etal.High-frequencyacousticbackscatteringfromacoarseshelloceanbottom[J].TheJournaloftheAcousticalSocietyofAmerica,1989,85(1):125-136. [24] BunchukAV,ZhitkovskiiYY.Soundscatteringbytheoceanbottominshallow-waterregion(review)[J].SovietPhysicsAcoustics,1980,26: 363-370. [25] JacksonDR,WinebrennerDP,IshimaruA.Applicationofthecompositeroughnessmodeltohigh-frequencybottombackscattering[J].The JournaloftheAcousticalSocietyofAmerica,1986,79(5):1410-1422. [26] TangDJ,FriskGV,SellersCJ,etal.Low-frequencyacousticbackscatteringbyvolumetricinhomogeneitiesindeep-oceansediments[J].The JournaloftheAcousticalSocietyofAmerica,1995,98(1):508-518. [27] TangDJ,JinGL,JacksonDR,etal.Analysesofhigh-frequencybottomandsubbottombackscatteringfortwodistinctshallowenvironments [J].TheJournaloftheAcousticalSocietyofAmerica,1994,96(5):2930-2936. [28] ChuDZ,WilliamsKL,TangDJ,etal.High-frequencybistaticscatteringbysub-bottomgasbubbles[J].TheJournaloftheAcousticalSociety ofAmerica,1997,102(2):806-814. [29] StanicS,KennedyE,RayRI.Variabilityofshallow-waterbistaticbottombackscattering[J].TheJournaloftheAcousticalSocietyofAmerica, 1991,90(1):547-553. [30] WilliamsKL,JacksonDR.Bistaticbottomscattering:Model,experiments,andmodel/datacomparison[J].TheJournaloftheAcousticalSocietyofAmerica,1998,103(1):169-181. [31] BriggsKB,TangDJ,WilliamsKL.CharacterizationofinterfaceroughnessofrippledsandofffortWaltonBeach,Florida[J].IEEEJournalof OceanicEngineering,2002,27(3):505-514. [32] WangCC,HefnerBT,TangDJ.Evaluationoflaserscanningandstereophotographyroughnessmeasurementsystemsusingarealisticmodel seabedsurface[J].IEEEJournalofOceanicEngineering,2009,34(4):466-475. [33] HinesPC.Theoreticalmodelofacousticbackscatterfromasmoothseabed[J].TheJournaloftheAcousticalSocietyofAmerica,1990,88(1): 324-334. [34] LyonsAP,AndersonAL,DwanFS.Acousticscatteringfromtheseafloor∶modelinganddatacomparison[J].TheJournaloftheAcoustical SocietyofAmerica,1994,95(5):2441-2451. [35] JacksonDR,IvakinAN.Scatteringfromelasticseabeds:First-ordertheory[J].TheJournaloftheAcousticalSocietyofAmerica,1998,103 (1):336-345. [36] SoukupRJ,GraggRF.Backscatterfromalimestoneseafloorat2-3.5kHz:measurementsandmodeling[J].TheJournaloftheAcousticalSocietyofAmerica,2003,113(5):2501-2514. [37] 胡剑忠.海底三维散射强度的测量和模型计算[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2009. HuJianzhong.Measurementandmodelcalculationofseabottomthree-dimensionalscatteringstrength[D].Harbin:HarbinEngineeringUniversity,2009. [38] EllisDD.Bistaticreverberationcalculationsusingathree-dimensionalscatteringfunction[J].TheJournaloftheAcousticalSocietyofAmerica, 1991,89(5):2207-2214. [39] CaruthersJW,NovariniJC.Modelingbistaticbottomscatteringstrengthincludingaforwardscatterlobe[J].IEEEJournalofOceanicEngineering,1993,18(2):100-107. [40] MoustierCD.Beyondbathymetry:mappingacousticbackscatteringfromthedeepseafloorwithseabeam[J].TheJournaloftheAcousticalSocietyofAmerica,1986,79(2):316-331. [41] DacolDK.Thekirchhoffapproximationforacousticscatteringfromaroughfluid-elasticsolidinterface[J].TheJournaloftheAcousticalSociety ofAmerica,1990,88(2):978-983. [42] JacksonDR,RichardsonM D.High-frequencyseaflooracoustics[M].NewYork:SpringerScience+BusinessMedia,LLC,2007. [43] KuoEY.Wavescatteringandtransmissionatirregularsurfaces[J].TheJournaloftheAcousticalSocietyofAmerica,1964,36(11):2135- 2142. [44] JacksonDR,BriggsKB.High-frequencybottombackscattering:roughnessversussedimentvolumescattering[J].TheJournaloftheAcoustical SocietyofAmerica,1992,92(2):962-977. [45] MoeJE,JacksonDR.First-orderperturbationsolutionforroughsurfacescatteringcrosssectionincludingtheeffectsofgradients[J].TheJournal oftheAcousticalSocietyofAmerica,1994,96(3):1748-1754. [46] KupermanW A,SchmidtH.Roughsurfaceelasticwavescatteringinahorizontallystratifiedocean[J].TheJournaloftheAcousticalSocietyof America,1986,79(6):1767-1977. 10 海洋学报 39卷