·588· 智能系统学报 第15卷 求，海底科学理论水平与探测技术亟需得到进 海底声反射特性对海底底质类型进行识别成为海 步提升。海底科学的主要研究内容包括海底形 底探测的重要手段。 态、组成、结构、地球物理场及其演化历史、海底 声学海底底质分类以声呐系统获取的反向散 各圈层间及海底与其他海洋圈层之间的相互作用四。 射强度数据为基础，结合机械取样方法获得的真 海底探测的目标则是利用一定的技术手段获取海 实海底底质样品数据，利用多种分类算法建立底 底地质的空间分布特性及其随时间的变化规律， 质类型自动分析模型，进而实现高效、准确的海 是一种基于连续时空系统的模式研究。由于海底 底底质分类。从20世纪60年代起，以Hamilton 圈层中不同的岩层介质在密度、弹性、磁性等方 为代表的国外研究学者首先从海底的力学结构特 面存在差异，通过综合运用声、光、电、磁、重力 性、声传播特性以及海底地声模型等多个角度开 等多种技术手段来观测地球物理场的变化，能够 展了相关研究与测试，奠定了声学海底底质探测 有效地掌握地层的物理特性、内部构造等信息口。 技术的物理学基础-20。此后，国内外研究学者 声波在海水中具有非常优越的传播特性，逐渐成 尝试利用多种方法构建海底反向散射强度与底质 为海底探测的主要技术手段。在现代海底科学研 类型之间的相关性模型，主要研究焦点可以归结 究中，已经发展出多种海底声学探测技术，如海 为海底物理参数反演模型川、海底回波空间分布 洋地震仪、多波束测深仪、侧扫声呐、海底地 关系模型22)、海底回波波形关系模型。 层剖面仪、水下声学定位等m,快速发展的水下 1.1海底物理参数反演模型 声学技术为探测海底浅部剖面乃至深部地层结构 海底底质是具有多重物理属性、特征变化明 发挥了重要的作用。 显的固体层，反映力学结构特性的参量包括孔隙 海底底质是海洋环境的要素之一，主要指海 度、密度、粒径、饱和度等，反映声学特性的参量 底表面的组成物质，包括海底岩石和水动力作用 有声速、声衰减系数、声反射系数、声阻抗等，力 过程中沉积下来的表层沉积物。研究海底底质物 学结构参量与声学结构参量之间具有很强的相关 理特性，探索高效、精确的海底底质分类方法，对 性。Biot等2s-2提出了以流体饱和多孔介质为基 于提升海上活动的环境信息保障能力具有十分重 础的声传播模型，该模型利用分析力学的方法给 要的意义。声学海底底质分类是一种高效的海底 出了流体饱和多孔介质的声波方程，建立了介质 探测技术，涉及海洋地质、海洋测绘、水声学、模 声速、声衰减、频率和孔隙度等参数之间的关 式识别等学科的庞大的知识体系，国内外研究学 系。Hamilton2-2通过研究海底声波在一定频段 者相继提出了许多新颖的算法和研究思路，本文 上的反射和折射特性，构建了水深、沉积层密度 从模式识别的角度出发对现有的声学海底底质识 声速和声衰减系数等参量之间的关系，以海洋沉 别方法进行梳理和归纳，对基于声呐图像的海底 积层弹性和黏弹性模型为基础提出了浅海和深海 底质分类技术的未来发展趋势进行分析和展望。 地声模型。Jackson等Bo提出的高频海底散射模 型中将反向散射强度的计算归结为粗糙界面散射 1声学海底底质探测技术 和沉积物体积散射两部分，为海底反向散射的物 理过程提供了合理精确的描述。经过众多研究学 早期的海底底质探测主要采用直接法8)，通 者的发展和完善313，海底物理结构参数与声学 过站点式的机械取样获得底质样本，再经过实验 参数之间的数学关系模型逐步建立。基于该关系 室测定9或原位分析0)确定底质类型。常用的 模型演化出的海底底质分类方法，首先利用单波 取样方法包括重力取样器、冲击式取样器、原位 束和多波束测深仪的回波强度数据反演底质的地 采样器等，普遍存在效率低、成本高、无法在深水 声参数33，如根据回声振幅计算的反射系数3可 区取样、作业点离散等弊端，难以满足现代大面 以及根据多层介质声学理论估计的各层沉积物的 积海洋调查的需求。随着声呐信号处理技术的 声阻抗等，然后依据海底底质物理特性参数的 快速发展，利用声学方法探测海底底质信息展现 分布区间或经验公式推断海底底质类型。以该关 出巨大的潜力和优势，利用多波束、侧扫声呐、浅 系模型为基础的海底底质分类方法的优点是：有 地层剖面等勘测设备不仅可以获取高精度水深测 确定的物理学模型，计算的模型参数具有实际的 量数据，还能采集到海底反向散射强度数据，为 物理意义，分类规则具有可解释性。其缺点是： 精确推断海底地质结构提供了丰富的观测信息3。 地声模型理论复杂，底质物理参数分布和经验计 由于不同类型底质的声吸收系数、反射系数、表 算公式有较强的区域性，声学参量计算存在一定 面粗糙度等参数具有显著差异性，从多角度利用 误差。求，海底科学理论水平与探测技术亟需得到进一 步提升。海底科学的主要研究内容包括海底形 态、组成、结构、地球物理场及其演化历史、海底 各圈层间及海底与其他海洋圈层之间的相互作用[1]。 海底探测的目标则是利用一定的技术手段获取海 底地质的空间分布特性及其随时间的变化规律， 是一种基于连续时空系统的模式研究。由于海底 圈层中不同的岩层介质在密度、弹性、磁性等方 面存在差异，通过综合运用声、光、电、磁、重力 等多种技术手段来观测地球物理场的变化，能够 有效地掌握地层的物理特性、内部构造等信息[2]。 声波在海水中具有非常优越的传播特性，逐渐成 为海底探测的主要技术手段。在现代海底科学研 究中，已经发展出多种海底声学探测技术，如海 洋地震仪[3] 、多波束测深仪[4] 、侧扫声呐[5] 、海底地 层剖面仪[6] 、水下声学定位等[7] ，快速发展的水下 声学技术为探测海底浅部剖面乃至深部地层结构 发挥了重要的作用。 海底底质是海洋环境的要素之一，主要指海 底表面的组成物质，包括海底岩石和水动力作用 过程中沉积下来的表层沉积物。研究海底底质物 理特性，探索高效、精确的海底底质分类方法，对 于提升海上活动的环境信息保障能力具有十分重 要的意义。声学海底底质分类是一种高效的海底 探测技术，涉及海洋地质、海洋测绘、水声学、模 式识别等学科的庞大的知识体系，国内外研究学 者相继提出了许多新颖的算法和研究思路，本文 从模式识别的角度出发对现有的声学海底底质识 别方法进行梳理和归纳，对基于声呐图像的海底 底质分类技术的未来发展趋势进行分析和展望。 1 声学海底底质探测技术 早期的海底底质探测主要采用直接法[8] ，通 过站点式的机械取样获得底质样本，再经过实验 室测定[9] 或原位分析[10-11] 确定底质类型。常用的 取样方法包括重力取样器、冲击式取样器、原位 采样器等，普遍存在效率低、成本高、无法在深水 区取样、作业点离散等弊端，难以满足现代大面 积海洋调查的需求[12]。随着声呐信号处理技术的 快速发展，利用声学方法探测海底底质信息展现 出巨大的潜力和优势，利用多波束、侧扫声呐、浅 地层剖面等勘测设备不仅可以获取高精度水深测 量数据，还能采集到海底反向散射强度数据，为 精确推断海底地质结构提供了丰富的观测信息[13-16]。 由于不同类型底质的声吸收系数、反射系数、表 面粗糙度等参数具有显著差异性，从多角度利用 海底声反射特性对海底底质类型进行识别成为海 底探测的重要手段。 声学海底底质分类以声呐系统获取的反向散 射强度数据为基础，结合机械取样方法获得的真 实海底底质样品数据，利用多种分类算法建立底 质类型自动分析模型，进而实现高效、准确的海 底底质分类。从 20 世纪 60 年代起，以 Hamilton 为代表的国外研究学者首先从海底的力学结构特 性、声传播特性以及海底地声模型等多个角度开 展了相关研究与测试，奠定了声学海底底质探测 技术的物理学基础[17-20]。此后，国内外研究学者 尝试利用多种方法构建海底反向散射强度与底质 类型之间的相关性模型，主要研究焦点可以归结 为海底物理参数反演模型[21] 、海底回波空间分布 关系模型[22-23] 、海底回波波形关系模型[24]。 1.1 海底物理参数反演模型 海底底质是具有多重物理属性、特征变化明 显的固体层，反映力学结构特性的参量包括孔隙 度、密度、粒径、饱和度等，反映声学特性的参量 有声速、声衰减系数、声反射系数、声阻抗等，力 学结构参量与声学结构参量之间具有很强的相关 性。Biot 等 [25-26] 提出了以流体饱和多孔介质为基 础的声传播模型，该模型利用分析力学的方法给 出了流体饱和多孔介质的声波方程，建立了介质 声速、声衰减、频率和孔隙度等参数之间的关 系。Hamilton[27-29] 通过研究海底声波在一定频段 上的反射和折射特性，构建了水深、沉积层密度、 声速和声衰减系数等参量之间的关系，以海洋沉 积层弹性和黏弹性模型为基础提出了浅海和深海 地声模型。Jackson 等 [30] 提出的高频海底散射模 型中将反向散射强度的计算归结为粗糙界面散射 和沉积物体积散射两部分，为海底反向散射的物 理过程提供了合理精确的描述。经过众多研究学 者的发展和完善[31-32] ，海底物理结构参数与声学 参数之间的数学关系模型逐步建立。基于该关系 模型演化出的海底底质分类方法，首先利用单波 束和多波束测深仪的回波强度数据反演底质的地 声参数[33-36] ，如根据回声振幅计算的反射系数[37] 以及根据多层介质声学理论估计的各层沉积物的 声阻抗[38] 等，然后依据海底底质物理特性参数的 分布区间或经验公式推断海底底质类型。以该关 系模型为基础的海底底质分类方法的优点是：有 确定的物理学模型，计算的模型参数具有实际的 物理意义，分类规则具有可解释性。其缺点是： 地声模型理论复杂，底质物理参数分布和经验计 算公式有较强的区域性，声学参量计算存在一定 误差。 ·588· 智 能 系 统 学 报 第 15 卷