海底聲散射特性進(jìn)展及展望

鄭毅, 秦志亮, 于盛齊, 馬本俊, 趙吉祥, 劉夢(mèng)婷

(1.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150001; 2.工業(yè)和信息化部 海洋信息獲取與安全工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工程大學(xué)),黑龍江 哈爾濱 150001; 3.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001; 4.哈爾濱工程大學(xué)青島創(chuàng)新發(fā)展基地,山東 青島 266400)

海底混響是主動(dòng)聲吶對(duì)海底附近目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別時(shí)的主要背景干擾,而海底聲散射則是造成海底混響的主要原因[1]。研究海底聲散射對(duì)應(yīng)用在海底附近的聲吶系統(tǒng)至關(guān)重要,反水雷聲吶必須在海底聲散射形成的背景聲場(chǎng)中探測(cè)和識(shí)別布放在海底界面或掩埋在沉積物中的目標(biāo)[2]。由于海底聲散射蘊(yùn)含了豐富的海底環(huán)境信息,也被廣泛用于沉積物分類或地聲反演。因此,無(wú)論是在軍用還是民用領(lǐng)域中,對(duì)海底聲散射的研究都具有非常重要的意義。

海底聲散射研究主要包括海底聲散射機(jī)理研究、海底聲散射模型構(gòu)建和海底聲散射測(cè)量技術(shù)3個(gè)方面。其中,海底聲散射機(jī)理研究與聲散射模型構(gòu)建可為海底聲散射測(cè)量技術(shù)的發(fā)展提供理論基礎(chǔ),而測(cè)量技術(shù)的發(fā)展則可為前兩者提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。海底聲散射的形成主要源于聲波與海底界面、沉積物內(nèi)部介質(zhì),以及貝殼碎片和氣泡等離散體的相互作用。自20世紀(jì)50年代以來(lái),國(guó)外相關(guān)研究人員開(kāi)始對(duì)海底聲散射的形成機(jī)理進(jìn)行了深入研究,并針對(duì)不同的沉積物聲學(xué)模型構(gòu)建了適用于不同頻段、不同掠射角范圍下的聲散射模型。隨著海底聲學(xué)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展,針對(duì)性地研制出多款海底聲散射測(cè)量裝備,開(kāi)展了一系列實(shí)驗(yàn),積累了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并通過(guò)數(shù)據(jù)-模型對(duì)比進(jìn)一步驗(yàn)證了理論模型的準(zhǔn)確性[3]。相比之下,我國(guó)對(duì)海底聲散射的研究起步較晚,且主要以理論研究及模型仿真為主,在各方面與國(guó)外相比仍有一定的差距。

本文主要?dú)w納總結(jié)了海底聲散射理論與實(shí)驗(yàn)的研究進(jìn)展及當(dāng)前存在的問(wèn)題,并對(duì)海底聲散射的未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了探討。

1 海底聲散射模型研究進(jìn)展

1.1 海底聲散射基本概念

當(dāng)聲波與海底發(fā)生相互作用時(shí),會(huì)形成反射、散射、折射和透射等聲學(xué)現(xiàn)象。其中,反射與散射一般難以區(qū)分,但實(shí)際上反射和散射是聲波與海底相互作用后的2種不同機(jī)制,反射是聲波在平坦海底下產(chǎn)生的“鏡面反射”,而散射則是聲能在海底界面明顯粗糙情況下向各個(gè)角度的重新分配[2],如圖1所示。

圖1 海底聲散射效應(yīng)示意[2]

海底聲散射效應(yīng)與海底粗糙界面及其沉積物內(nèi)部物理性質(zhì)的非均勻性有關(guān)[4]。一般按形成機(jī)制不同分為2類:1)由海底界面的粗糙起伏(界面粗糙度)引起的海底界面粗糙散射;2)由沉積物內(nèi)部物理性質(zhì)的空間差異性引起的體積散射。而對(duì)于聲吶系統(tǒng)的不同收發(fā)位置,又可分為反向散射和前向散射,前者是指聲源與水聽(tīng)器位置相近或位于同一點(diǎn)下的聲散射;后者則是指聲源與水聽(tīng)器位置位于同一垂向平面下的聲散射。

聲波在海底界面及沉積物非均勻性的作用下產(chǎn)生隨機(jī)散射,使得聲波隨機(jī)向鏡面反射以外方向散射形成復(fù)雜聲場(chǎng)。隨著頻率的增大,海底在聲波波長(zhǎng)尺度上表現(xiàn)出明顯不均勻性,如波紋等引起海底粗糙度明顯時(shí)空變化從而使散射更加隨機(jī)[5]。海底總聲壓P通常表示為:

P=〈P〉+Ps

(1)

式中:P為總聲壓場(chǎng);〈P〉為總聲壓場(chǎng)的相干部分;Ps為總聲壓場(chǎng)的散射部分。對(duì)式(1)進(jìn)行整理,則可得到散射場(chǎng)的均方波動(dòng):

〈|Ps|2〉=〈|P|2〉-|〈P〉|2

(2)

需要注意的是,符號(hào)“〈〉”為使用相同采集設(shè)備條件下獲得的不同海底無(wú)限集合中的理想平均值。這些用于形成平均值的聲壓樣本集合由多個(gè)海底散射區(qū)域的聲壓測(cè)量值組成,但這些樣本均來(lái)自同一個(gè)統(tǒng)計(jì)上均勻的區(qū)域,在實(shí)際聲散射測(cè)量實(shí)驗(yàn)中難以實(shí)現(xiàn)[6]。因此,在實(shí)際測(cè)量中通常采用一個(gè)在足夠大區(qū)域內(nèi)統(tǒng)計(jì)性質(zhì)與海底位置無(wú)關(guān)的有限統(tǒng)計(jì)樣本集合均值來(lái)近似實(shí)現(xiàn)這種“無(wú)限集合均值”。

海底聲散射的強(qiáng)弱通常采用“散射強(qiáng)度”進(jìn)行衡量。如圖2所示,假設(shè)位于聲源遠(yuǎn)場(chǎng)有一面積為A的海底散射區(qū)域。高頻情況下,可以假設(shè)海底粗糙與聲波波長(zhǎng)具有相當(dāng)?shù)某叨?。若在海底使用相同幾何排列進(jìn)行多次散射壓力值測(cè)量,則均方波動(dòng)與海底散射區(qū)域A的面積及入射場(chǎng)的平方|Pi|2成正比?？紤]球面波擴(kuò)展,均方波動(dòng)與海底散射區(qū)域到接收器距離rs的平方成反比。在不考慮海水中的聲吸收和折射時(shí),均方波動(dòng)為[4]:

圖2 海底散射坐標(biāo)系定義示意[2]

〈|Ps|2〉=|Pi|2Aσ(rs-2)

(3)

式中σ為散射截面,表示海底單位面積單位立體角內(nèi)的散射程度。對(duì)式(3)進(jìn)行整理,可得散射截面為:

σ=〈|Ps|2〉rs2/(|Pi|2A)

(4)

由圖2可知,散射截面σ與入射聲波掠射角θi、散射聲波掠射角θs、散射聲波方位角φs有關(guān),通常表示為σ(θi,θs,φs)。海底界面粗糙散射強(qiáng)度Sbr為散射截面σ的分貝形式:

Sbr=10lgσ

(5)

當(dāng)頻率較低時(shí),聲波穿透海底界面與沉積物內(nèi)部非均勻介質(zhì)產(chǎn)生相互作用引起體積散射。類似界面粗糙散射,體積散射下的均方波動(dòng)為:

〈|Ps|2〉=|Pi|2Aσv(rs-2)

(6)

式中σv為體積散射下的散射截面。同理,海底體積散射強(qiáng)度Sbv為:

Sbv=10lgσv

(7)

在海底散射建模中,一般將海底散射獨(dú)立劃分為海底界面粗糙散射和體積散射進(jìn)行討論,而對(duì)海底界面粗糙散射和體積散射的統(tǒng)一處理方式則各不相同。Ivakin[7]通過(guò)將海底界面粗糙描述為特殊形式的體積擾動(dòng),提出了一種界面粗糙散射和體積散射的統(tǒng)一處理方法,但適用性不強(qiáng)。使用最為廣泛的是Urick給出的定義,其將體積散射等效為薄層界面散射,散射強(qiáng)度為:

Sb=10lg(σre+σve)

(8)

式中σre和σve分別為海底界面粗糙散射截面和體積散射等效界面散射截面[8]。

1.2 海底聲散射模型

海底聲散射模型通常用于預(yù)測(cè)海底散射強(qiáng)度或散射截面[6]。根據(jù)海底聲散射形成原因可將海底聲散射模型劃分為海底界面粗糙散射模型和海底沉積物體積散射模型。

1.2.1 海底界面粗糙散射模型

海底界面粗糙散射模型主要用于建立海底界面粗糙散射強(qiáng)度與聲波頻率、掠射角、方位角以及海底沉積物物理參數(shù)之間的聯(lián)系[9]。目前,構(gòu)建海底界面粗糙散射模型最常用的近似方法有4種,分別是Lambert定律、小粗糙度微擾近似、Kirchhoff近似和小斜率近似。其中,Lambert定律較好地描述了中小掠射角范圍內(nèi)海底界面粗糙散射強(qiáng)度與掠射角之間的依賴關(guān)系,但其本質(zhì)上是一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)形式的描述方法,不具備實(shí)際的物理意義。

小粗糙度微擾近似理論(也稱為Rayleigh-Rice微擾理論)適用于起伏較小的粗糙界面,作為處理海底界面粗糙散射的經(jīng)典方法,微擾近似理論也對(duì)散射的物理機(jī)理提供了直觀的解釋[2]。近年來(lái),相關(guān)研究人員基于不同海底沉積物聲學(xué)模型(主要包括流體模型、彈性體模型、多孔介質(zhì)模型)給出了海底界面粗糙散射的小粗糙度微擾近似計(jì)算方法。基于流體模型,Kuo[10]忽略了介質(zhì)損耗,結(jié)合Marsh理論[11]給出了粗糙散射截面的微擾近似表達(dá)式?；趶椥泽w模型,Jackson等[12]采用一階微擾理論給出了粗糙散射截面的微擾近似表達(dá)式;Dacol等[13]則結(jié)合微擾理論,系統(tǒng)地分析了流體-彈性體界面粗糙對(duì)聲波的作用機(jī)制,建立了界面粗糙散射模型,并將數(shù)值仿真結(jié)果和絕對(duì)硬邊界下的聲散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,驗(yàn)證了模型的有效性。Williams[14]將海底沉積物視為多孔彈性介質(zhì),結(jié)合微擾理論和多孔彈性理論,提出了粗糙散射截面的微擾近似表達(dá)式。此外,Essen等[15]將一階微擾理論用來(lái)處理較軟沉積物到玄武巖等硬質(zhì)沉積物下多種底質(zhì)類型的界面粗糙散射。Kuperman等[16]利用一階微擾理論得到了具有層狀彈性海底的相干場(chǎng)。目前,對(duì)于微擾理論在海底界面粗糙散射中的研究已趨于成熟,被廣泛應(yīng)用于多種海底條件下散射強(qiáng)度計(jì)算。

Kirchhoff 近似適用于界面起伏較緩的粗糙海底:

Rc?λ/πsin3θ

(9)

式中:Rc為界面曲率半徑;λ和θ為聲波波長(zhǎng)和入射波局部掠射角[17]。Kirchhoff 近似起初應(yīng)用于處理海面聲散射,而后研究人員將其引入到海底界面散射的處理中,并得到了廣泛關(guān)注。Thorsos[18]采用高斯粗糙度譜證明了Kirchhoff近似應(yīng)用于海底粗糙界面的有效性。Mourad[19]和Williams等[20]將Kirchhoff近似應(yīng)用于單基地和雙基地散射模型的研究。Jackson等[21]利用Kirchhoff近似處理垂直入射附近角度、頻段為10～100 kHz下的界面粗糙散射,并將計(jì)算得到的海底反向散射強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果基本趨于一致。Dacol[22]也采用Kirchhoff近似用于處理具有隨機(jī)粗糙特性的流體-彈性界面形成的粗糙散射。在高頻極限條件下,Jackson等[2]簡(jiǎn)化并推導(dǎo)了散射截面表達(dá)式,并應(yīng)用于各向同性粗糙度統(tǒng)計(jì)特征的海底粗糙界面反向散射計(jì)算?？傮w來(lái)說(shuō),Kirchhoff近似在中高頻段、入射掠射角為垂直入射附近方向時(shí)預(yù)測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確,在低頻時(shí)誤差較大,且未考慮影區(qū)效應(yīng)和多重散射帶來(lái)的影響[4]。研究表明,Kirchhoff近似的計(jì)算精度與粗糙界面相關(guān)長(zhǎng)度呈正相關(guān),當(dāng)界面相關(guān)長(zhǎng)度增大時(shí),其計(jì)算精度也隨之增大,適用的掠射角范圍也隨之增寬[23]。

相較于上述2種近似方法,小斜率近似方法要求海底介質(zhì)必須為均勻介質(zhì),且沒(méi)有分層和梯度變化,其表達(dá)式為給定界面斜率的級(jí)數(shù)展開(kāi)式,階數(shù)越高近似精度越高[24],目前已廣泛應(yīng)用于流體、彈性體及多孔彈性介質(zhì)半無(wú)限空間海底界面粗糙散射的研究。Gragg等[25]提出了彈性海底界面粗糙散射的理論計(jì)算方法,并完整給出了雙基地散射強(qiáng)度計(jì)算公式,同時(shí)與小粗糙度微擾近似方法進(jìn)行對(duì)比,證明了小斜率近似方法在海底散射研究中的優(yōu)越性。同樣,Soukup[26]和Jackson[27]也采用小斜率近似用于處理彈性海底下的界面粗糙散射研究。Yang等[28]結(jié)合多孔彈性理論和小斜率近似方法給出了多孔介質(zhì)半無(wú)限空間海底界面粗糙散射模型。此外,小斜率近似方法也可用于分層海底散射模型研究,如Jackson[27]和Olson[29]利用小斜率近似方法給出了層狀流體的海底散射強(qiáng)度計(jì)算公式。對(duì)上述3種不同的海底粗糙界面散射近似模型,Jackson總結(jié)了給定條件下形式上不依賴于沉積物波動(dòng)理論的3種近似模型的通用表達(dá),并進(jìn)行了對(duì)比[2]。

圖3為相同砂質(zhì)海底輸入?yún)?shù)下,聲頻率為30 kHz時(shí),基于流體理論的小粗糙度微擾近似、Kirchhoff近似和小斜率近似的海底反向散射強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖?？梢钥闯鯧irchhoff近似和小粗糙度微擾近似存在適用范圍內(nèi)的互補(bǔ)性,有關(guān)學(xué)者基于這種互補(bǔ)性提出了復(fù)合粗糙度近似模型。復(fù)合粗糙度近似模型按截止波數(shù)對(duì)大粗糙度和小粗糙度進(jìn)行劃分,但這種劃分依據(jù)需要給出清晰的劃分標(biāo)準(zhǔn)[30]。Jackson[21]提出了一種截止波數(shù)劃分方法,按掠射角范圍采用不同的近似理論對(duì)大粗糙度和小粗糙度下的聲散射進(jìn)行處理:當(dāng)掠射角在垂直入射附近時(shí),采用Kirchhoff近似模擬大粗糙計(jì)算散射強(qiáng)度;其他情況則采用微擾理論處理小粗糙度。在此基礎(chǔ)上,Novarini等[31]將Jackson提出的劃分方法運(yùn)用于垂直入射方向附近角度下的聲散射強(qiáng)度計(jì)算,取得了較好的結(jié)果。

圖3 基于流體理論的小粗糙度微擾近似、Kirchhoff近似和小斜率近似反向散射強(qiáng)度對(duì)比[2]

整體上講,小斜率近似方法在處理界面粗糙散射問(wèn)題時(shí)幾乎涵蓋了所有角度,且精度上不亞于Kirchhoff近似和小粗糙度微擾近似;與復(fù)合粗糙度近似模型相比,處理起來(lái)也更為簡(jiǎn)單。

此外,研究人員針對(duì)分層海底和海底混響研究,建立了相應(yīng)的散射模型。在海底混響研究中,彭朝暉等[32]結(jié)合Ivakin提出的射線管積分法和Hines提出的復(fù)射線/最速下降法,給出了收發(fā)分置海底散射模型,用于計(jì)算海底粗糙界面和沉積物內(nèi)部不均勻性引起的界面粗糙散射;侯倩男等[33]結(jié)合海底反射系數(shù)三參數(shù)模型對(duì)海底反向散射模型進(jìn)行了近似簡(jiǎn)化,為海底地聲反演提供了思路。在分層海底研究方面,Jackson等[34]結(jié)合Kirchhoff近似和一階微擾理論構(gòu)建了地球聲底部相互作用模型(the geoacoustic bottom interaction model,GABIM),計(jì)算分層流體海底下的海底界面粗糙散射和沉積物體積散射;Weidner等[35]給出了一維海底分層界面散射模型,預(yù)測(cè)由介質(zhì)密度和聲速梯度變化產(chǎn)生的分層界面反向散射強(qiáng)度。

1.2.2 海底沉積物體積散射模型

海底沉積物物理性質(zhì)的空間差異性使得聲波與沉積物相互作用時(shí)產(chǎn)生體積散射。這種物理性質(zhì)的空間差異性具有多種表現(xiàn)形式,如懸浮顆粒沉降等形成的海底分層[27]、底棲生物引起的沉積物聲學(xué)性質(zhì)的時(shí)空波動(dòng)[2]、掩埋的貝殼碎片及氣泡導(dǎo)致海底聲學(xué)性質(zhì)的差異等。掩埋貝殼和氣泡屬于離散散射體,其引起的沉積物聲學(xué)性質(zhì)大幅波動(dòng)會(huì)對(duì)海底散射強(qiáng)度測(cè)量和建模研究造成相當(dāng)大的困難。而對(duì)于物理性質(zhì)平緩變化的沉積物,一般采用微擾近似方法進(jìn)行處理。

海底沉積物體積散射模型的構(gòu)建與所采用的沉積物聲學(xué)模型有關(guān)[2]。Stockhausen等[36]基于流體模型來(lái)進(jìn)行沉積物體積散射建模,并做出幾項(xiàng)關(guān)鍵假設(shè):1)沉積物中的體積散射非常微弱,且散射聲場(chǎng)的強(qiáng)度且遠(yuǎn)低于入射聲場(chǎng),2)可以使用線性增加的散射截面來(lái)表征體積散射,3)聲波透射深度遠(yuǎn)小于源-接收器到海底散射區(qū)域的距離,4)忽略海水-沉積物界面處的海底界面粗糙散射。這些基本假設(shè)具有一般普適性,對(duì)不同環(huán)境條件下構(gòu)建沉積物體積散射模型時(shí)需要對(duì)上述假設(shè)做出修正。Ivakin[37]給出了彈性海底沉積物體積散射的微擾近似方法。與流體模型不同,在使用彈性體模型時(shí),除考慮沉積物體積密度和壓縮波速的空間差異性外,還要考慮剪切波速的非均勻性。此時(shí),由于彈性海底剪切波的存在,難以對(duì)彈性海底沉積物體積散射模型給出通用的表達(dá)式。Hines[38]通過(guò)微擾近似方法提出了帶有物理參數(shù)的體積散射模型,但該模型很大程度上依賴于孔隙度等相關(guān)函數(shù),計(jì)算較為復(fù)雜。

雖然基于多孔彈性理論的沉積物聲學(xué)模型可以很好地表征海底沉積物聲學(xué)性質(zhì),但在其基礎(chǔ)上構(gòu)建體積散射模型時(shí),相比于流體模型和彈性體模型會(huì)引入額外的散射機(jī)制,使得處理過(guò)程變得更為復(fù)雜。等效密度流體模型作為多孔彈性介質(zhì)模型的有效簡(jiǎn)化,在沉積物體積散射研究過(guò)程中使用更為廣泛?？傮w來(lái)說(shuō),相關(guān)研究人員在海底聲散射理論建模方面作了大量的研究,且絕大部分工作都致力于界面粗糙散射建模。

2 海底聲散射測(cè)量實(shí)驗(yàn)進(jìn)展

目前,國(guó)內(nèi)外研究人員開(kāi)展了大量不同頻段的海底聲散射測(cè)量實(shí)驗(yàn),但由于測(cè)量技術(shù)限制,實(shí)驗(yàn)頻段主要集中在高頻,而在中頻的測(cè)量實(shí)驗(yàn)較少。

2.1 高頻海底聲散射測(cè)量

20世紀(jì)50年代,Urick等[3]進(jìn)行了高頻段的海底聲散射實(shí)驗(yàn),在10～60 kHz頻段內(nèi),采用收發(fā)合置方式開(kāi)展了單基地海底聲散射測(cè)量實(shí)驗(yàn)。隨著相關(guān)研究人員對(duì)海底聲散射測(cè)量技術(shù)研發(fā)的不斷重視,一些大型的海底聲散射測(cè)量系統(tǒng)被研制出來(lái)并投入使用。Barry等[39]研制出一種拖曳式海底反向散射測(cè)量系統(tǒng)(圖4),該系統(tǒng)利用拖曳平臺(tái),采用收發(fā)合置測(cè)量方式,實(shí)現(xiàn)了多掠射角下的后向散射強(qiáng)度測(cè)量。此外平臺(tái)上還裝有聲學(xué)測(cè)深傳感器和姿態(tài)測(cè)量傳感器,以方便對(duì)散射測(cè)量設(shè)備做出調(diào)整。Jackson等[40]利用該系統(tǒng)對(duì)粉砂、砂質(zhì)和礫石3種不同沉積物類型的海底進(jìn)行了20～85 kHz頻段內(nèi)的反向散射強(qiáng)度測(cè)量。

圖4 拖曳式海底聲散射測(cè)量系統(tǒng)示意[39]

Stanic等[41]研制出一種坐底式海底聲學(xué)散射測(cè)量系統(tǒng),該系統(tǒng)由高頻參量陣聲源和T型接收陣組成,T型接收陣則是由16個(gè)水聽(tīng)器組成,適用于淺水,可以通過(guò)2個(gè)子系統(tǒng)對(duì)海底反向聲散射和前向聲散射進(jìn)行測(cè)量。Stanic等[41]采用該系統(tǒng)開(kāi)展了頻段范圍為20～180 kHz、掠射角范圍為5°～30°的海底反向散射強(qiáng)度測(cè)量。

美國(guó)海軍研究辦公室聯(lián)合華盛頓大學(xué)、Scripps海洋研究所、意大利NATOSACLANT海底科學(xué)研究中心等開(kāi)展了2個(gè)綜合性的海底聲學(xué)實(shí)驗(yàn):SAX99(sediment acoustic experiment-1999)和SAX04(sediment acoustic experiment-2004)[42]。其中,SAX99實(shí)驗(yàn)采用BAMS(benthic acoustic measurement system)、STEM(sediment transmission measurement system)和XBAMS(accelerated benthic acoustic measurement system)3種系統(tǒng)對(duì)海底聲散射進(jìn)行了多掠射角、多頻段下的系統(tǒng)性測(cè)量,其工作頻段為20～150 kHz,通過(guò)潛水員移動(dòng)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)不同掠射角下的聲散射測(cè)量(圖5)。SAX04將實(shí)驗(yàn)頻段拓寬到20～500 kHz,并鋪設(shè)導(dǎo)軌代替潛水員實(shí)現(xiàn)聲學(xué)設(shè)備的旋轉(zhuǎn),從而進(jìn)行不同掠射角的聲散射測(cè)量,以減少人工操作對(duì)測(cè)量帶來(lái)的影響[43]。

圖5 SAX99實(shí)驗(yàn)海底聲學(xué)散射測(cè)量系統(tǒng)示意[42]

此外,研究人員也開(kāi)展了一些小型高頻海底聲散射實(shí)驗(yàn)。Boehme等[44]采用收發(fā)合置換能器實(shí)現(xiàn)了小掠射角(10°以內(nèi))下的海底反向散射強(qiáng)度測(cè)量,頻段為30～95 kHz。Jackson等[45]對(duì)3個(gè)不同站位(底質(zhì)不同)開(kāi)展了寬掠射角下15～45 kHz頻段內(nèi)的海底反向散射強(qiáng)度測(cè)量。

除采用常規(guī)收發(fā)合置或分置的源-接收器(陣)外,也有研究人員利用多/單波束回聲測(cè)深儀器進(jìn)行海底聲散射測(cè)量。Dimitrios等[46]利用多波束回聲測(cè)深儀對(duì)海底泥沙沉積物進(jìn)行了200和300 kHz的海底反向散射測(cè)量實(shí)驗(yàn)。Ridha Fezzani等[47]利用校準(zhǔn)的單波束Simrad EX80寬帶回聲測(cè)深儀(Kongsberg產(chǎn)品型號(hào))對(duì)法國(guó)布雷斯特灣的4個(gè)站位(不同底質(zhì))進(jìn)行了海底反向散射強(qiáng)度測(cè)量實(shí)驗(yàn)(圖6)。

圖6 單波束回聲測(cè)深儀進(jìn)行海底反向散射測(cè)量示意[47]

相較于國(guó)外,國(guó)內(nèi)對(duì)海底聲散射測(cè)量實(shí)驗(yàn)起步較晚,且大多服務(wù)于海底混響研究。如金國(guó)亮等[48]采用固定在標(biāo)桿上的10元換能器陣實(shí)現(xiàn)了頻率為10 kHz、掠射角為0.6°～40°的含砂硬泥聲學(xué)散射測(cè)量。張明輝[49]采用平面陣和垂直均勻線陣進(jìn)行了25～34 kHz的海底前向散射強(qiáng)度的測(cè)量。近幾年,于盛齊等[50]采用無(wú)指向性發(fā)射-接收系統(tǒng)對(duì)黃海典型砂質(zhì)區(qū)域和泥質(zhì)區(qū)域進(jìn)行了6～24 kHz中高頻段內(nèi)海底聲散射的全向性測(cè)量(圖7)。系統(tǒng)采用全向性聲源和全向性水聽(tīng)器,在測(cè)量過(guò)程中更換3個(gè)不同的聲源來(lái)覆蓋6～24 kHz的測(cè)量頻帶,其主頻分別為8、15和20 kHz。

圖7 海底聲散射測(cè)量設(shè)備布局[50]

2.2 中頻海底聲散射測(cè)量

受到海底聲散射測(cè)量技術(shù)的限制,國(guó)內(nèi)外關(guān)于中頻海底聲散射測(cè)量實(shí)驗(yàn)較少。Holland等[51]提出了一種直接路徑淺水海底聲散射測(cè)量技術(shù),采用組合聲源和垂直換能器陣列的海底反向散射強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)量,實(shí)驗(yàn)頻段為400～4 000 Hz頻段。

Hines等[52]開(kāi)發(fā)了一套寬帶主動(dòng)聲吶海底聲散射測(cè)量系統(tǒng),對(duì)砂質(zhì)沉積物進(jìn)性了小掠射角(3°～15°)海底反向散射強(qiáng)度測(cè)量,測(cè)量頻率為4和8 kHz。該系統(tǒng)主要由9元參量發(fā)射陣、超指向性線陣、聲強(qiáng)接收機(jī)等部分組成。其中,超指向性線陣由間距為0.16 m的6個(gè)小型全向性水聽(tīng)器組成。

在小型中頻聲散射測(cè)量實(shí)驗(yàn)上,Hyoungsul La等[53]對(duì)韓國(guó)南部海岸粉質(zhì)沉積物進(jìn)行了小掠射角(6°～11°)海底反向散射強(qiáng)度全向性聲學(xué)測(cè)量,測(cè)量頻率為8 kHz。Soukup等[54]采用線性聲源陣和垂直接收陣(9個(gè)基元組成)對(duì)海底石灰?guī)r區(qū)域開(kāi)展了全向性反向散射強(qiáng)度測(cè)量實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)頻段為2～3.5 kHz。Kunz等[55]對(duì)蘇格蘭西部海域18個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行了2～5 kHz的海底反向散射強(qiáng)度測(cè)量。

3 海底聲散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 高頻海底聲散射實(shí)驗(yàn)分析

自20世紀(jì)50年代開(kāi)始,國(guó)內(nèi)外多次開(kāi)展高頻海底聲散射測(cè)量實(shí)驗(yàn),積累了豐富的海底散射測(cè)量數(shù)據(jù),表1列出了一些具有代表性的高頻聲散射測(cè)量實(shí)驗(yàn)。McKinney等[56]對(duì)16個(gè)不同類型沉積物(從泥質(zhì)到巖石)海底站位的反向散射強(qiáng)度測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果做了綜合分析,實(shí)驗(yàn)頻段范圍為12.5～290 kHz,掠射角范圍為30°～85°,該實(shí)驗(yàn)結(jié)果成為后來(lái)普遍公認(rèn)的海底反向散射特性規(guī)律:1)海底反向散射平均散射強(qiáng)度值從泥到沙、礫石和巖石不斷增加,2)海底反向散射強(qiáng)度依賴于粒徑和界面粗糙度,3)海底反向散射強(qiáng)度總體上隨著掠射角的增大而增大。而在頻率依賴性上,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明幾種砂質(zhì)沉積物的平均散射強(qiáng)度按fn隨頻率變化,但對(duì)于細(xì)砂質(zhì)和巖石沉積物則沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明確的頻率依賴性。

表1 高頻段不同掠射角下海底散射測(cè)量研究總結(jié)

Jackson等[40]及Williams等[57]在海底聲散射特性研究方面開(kāi)展了大量的測(cè)量實(shí)驗(yàn),并得出了具有代表性的分析結(jié)果。Jackson等[40]對(duì)5個(gè)不同類型沉積物(從泥質(zhì)到礫石)海底站位的海底反向散射測(cè)量結(jié)果做了綜合分析,實(shí)驗(yàn)頻段范圍為20～85 kHz,掠射角范圍為0°～85°,結(jié)果表明:海底反向散射強(qiáng)度有輕微的頻率依賴性,散射強(qiáng)度隨著掠射角的減小而降低;當(dāng)掠射角大于70°時(shí)沒(méi)有很強(qiáng)的頻率依賴性。Williams等[57]分別對(duì)SAX99和SAX04實(shí)驗(yàn)中海底反向散射強(qiáng)度測(cè)量進(jìn)行了分析和對(duì)比(在SAX99中,掠射角范圍為40°～70°,頻段范圍為10～500 kHz,底質(zhì)主要為砂質(zhì);在SAX04中,掠射角范圍為40°～70°,頻段范圍為20～500 kHz,底質(zhì)主要為泥砂混合層),結(jié)果顯示:對(duì)于SAX99實(shí)驗(yàn)中的砂質(zhì)海底,在20～150 kHz頻率、掠射角小于45°時(shí)的聲散射由界面粗糙散射引起,而在SAX04實(shí)驗(yàn)中的泥砂混合層海底則主要以體積散射為主;2種不同底質(zhì)類型海底聲散射都表現(xiàn)出了一定的頻率和掠射角依賴性。此外,Jackson等[21,45]對(duì)多次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了綜合分析,研究結(jié)果表明:除較小(小于臨界掠射角)和較大(在垂直入射附近)的掠射角外,對(duì)于泥質(zhì)海底,體積散射是主要的散射機(jī)制;對(duì)于中等粒度砂和粗砂質(zhì)海底,界面粗糙散射在較寬掠射角范圍內(nèi)為主要散射機(jī)制;對(duì)于大多數(shù)不同底質(zhì)類型的海底,在垂直入射附近角度,界面粗糙散射為主要散射機(jī)制。

近年來(lái),有相關(guān)學(xué)者利用單波束回聲測(cè)深儀對(duì)不同類型沉積物海底開(kāi)展了寬帶聲散射測(cè)測(cè)量并進(jìn)行了分析。Weber等[58]分析了掠射角為45°附近砂質(zhì)和礫石海底反向散射強(qiáng)度,結(jié)果表明:在170～250 kHz頻段范圍內(nèi),反向散射強(qiáng)度隨頻率呈下降趨勢(shì)。Ridha等[47]分析了4種沉積物類型在不同頻段下的海底反向散射強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果,表明4種不同沉積物類型的海底反向散射強(qiáng)度均具有頻率和掠射角依賴性,但在不同頻段范圍、不同掠射角范圍內(nèi)的反向散射強(qiáng)度變化速率不同。

對(duì)于掩埋貝殼碎片或氣泡等離散體的海底聲散射測(cè)量,相關(guān)學(xué)者也開(kāi)展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)并作出了分析。Tang等[59]在40 kHz下對(duì)砂質(zhì)海底與含氣泡層粉砂質(zhì)海底的反向散射強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比分析(掠射角范圍為5°～20°),結(jié)果表明:在砂質(zhì)海底形成的聲散射中,界面粗糙散射為主要散射機(jī)制;而在含氣泡層的粉砂質(zhì)海底形成的聲散射中,由于氣泡層對(duì)聲波的影響,則以體積散射為主要散射機(jī)制,在相同頻率下,含氣泡層粉砂質(zhì)海底反向散射強(qiáng)度要大于砂質(zhì)沉積物。Stanic等[60]分析了覆蓋或部分掩埋貝殼碎片的粗砂質(zhì)的海底聲學(xué)反向散射數(shù)據(jù),其掠射角范圍為5°～30°、頻段為20～180 kHz。結(jié)果顯示:該底質(zhì)下的反向散射強(qiáng)度遵循Lambert定律,并由有輕微的負(fù)頻率依賴性。掩埋貝殼碎片或含有氣泡等離散體沉積物的聲散射測(cè)量及分析是海底聲散射特性研究中的重要組成部分,但目前開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)較少,在頻率和掠射角依賴性及機(jī)理分析方面仍有較大的數(shù)據(jù)空白。

3.2 中頻海底聲散射實(shí)驗(yàn)分析

相較于高頻段,國(guó)內(nèi)外對(duì)中頻海底聲散射實(shí)驗(yàn)測(cè)量起步較晚,且主要以不同底質(zhì)類型海底散射強(qiáng)度的掠射角和頻率依賴性研究為主。表2列出了一些具有代表性的中頻聲學(xué)散射實(shí)驗(yàn)。

表2 中頻段不同掠射角下海底散射測(cè)量研究總結(jié)

Soukup等[54]分析了掠射角范圍為8°～75°、頻段2～3.5k Hz的石灰?guī)r海底反向散射強(qiáng)度的掠射角依賴性,并與散射模型進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果顯示:海底反向散射強(qiáng)度隨掠射角增大而增大,但在局部掠射角區(qū)間變化速率不同,與散射模型表現(xiàn)一致。Ohkawa等[61]分析了5.5 kHz下砂質(zhì)海底在掠射角范圍為8°～75°下的海底反向散射數(shù)據(jù),結(jié)果表明:海底反向散射強(qiáng)度隨掠射角增大而增大,但存在一個(gè)臨界掠射角,使得在低于臨界角時(shí)以界面粗糙散射為主,而在大于臨界角時(shí)以體積散射為主。Holland等[62]對(duì)掠射角范圍為0°～45°、0.4～4 kHz頻段內(nèi)泥漿和巖漿巖海底的反向散射強(qiáng)度進(jìn)行了分析,結(jié)果表面:在測(cè)量頻段內(nèi)巖漿巖的反向散射強(qiáng)度要大于泥質(zhì)海底,且泥質(zhì)和巖漿巖海底反向散射強(qiáng)度具有頻率和掠射角依賴性;同時(shí)證明了層狀結(jié)構(gòu)的海底散射是明顯的。Hines等[52]在4和8 kHz下進(jìn)行了小掠射角的海底反向散射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,并指出砂質(zhì)沉積物的反向散射強(qiáng)度在掠射角范圍為3°～15°的區(qū)間內(nèi)為-50～-20 dB,說(shuō)明了反向散射強(qiáng)度隨著掠射角的增加而增加。Hyoungsul 等[53]分析了小掠射角下(6°～11°)韓國(guó)南部海岸粉質(zhì)沉積物8 kHz海底聲學(xué)反向散射的測(cè)量數(shù)據(jù),分析表明該區(qū)域粉砂質(zhì)沉積物反向散射中體積散射為主要散射機(jī)制,且粉砂沉積物的反向散射強(qiáng)度隨頻率的增加而增加。

在國(guó)內(nèi),于盛齊等[50]對(duì)細(xì)砂質(zhì)和泥質(zhì)海底開(kāi)展了頻段為6～24 kHz、掠射角為20°～70°的海底反向散射強(qiáng)度測(cè)量實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:對(duì)于砂質(zhì)沉積物,海底反向散射強(qiáng)度隨掠射角的增加而增加,在大掠射角下增長(zhǎng)速率較大,且海底反向散射強(qiáng)度對(duì)頻率增加略有增強(qiáng);對(duì)于泥漿質(zhì)沉積物,海底反向散射強(qiáng)度隨頻率的增加有所減小,且界面粗糙散射在低頻時(shí)占主導(dǎo)地位,而隨著頻率的增加,體積散射在大掠射角下逐漸成為主要的散射機(jī)制。

4 結(jié)論

1)海底聲散射模型研究方面,大多研究人為地將界面粗糙散射模型和體積散射模型單獨(dú)考慮,忽略了兩者間的相互聯(lián)系。相較于小粗糙度微擾近似、Kirchhoff近似和復(fù)合粗糙度近似模型,小斜率近似法在覆蓋掠射角范圍以及精度上都體現(xiàn)出一定的優(yōu)越性而被更多地應(yīng)用于界面粗糙散射模型研究。體積散射模型主要采用微擾理論并結(jié)合相應(yīng)海底半空間介質(zhì)聲學(xué)模型進(jìn)行研究。

2)在海底聲散射測(cè)量實(shí)驗(yàn)方面,傳統(tǒng)的海底聲散射測(cè)量實(shí)驗(yàn)大多數(shù)采用收發(fā)合置或分置的源-接收器(陣),近些年,有相關(guān)研究人員采用校正的多/單波束回聲測(cè)深儀器進(jìn)行海底聲散射測(cè)量,但主要用于高頻段測(cè)量。相較于高頻,受到測(cè)量技術(shù)的限制,中頻聲散射實(shí)驗(yàn)開(kāi)展較少。

3)在海底聲散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析方面,高頻上,研究人員通過(guò)對(duì)大量測(cè)量數(shù)據(jù)的綜合分析得出了一些普遍公認(rèn)的結(jié)論。而對(duì)于掩埋貝殼碎片或氣泡等離散體沉積物的散射研究以及中頻海底聲散射研究則開(kāi)展實(shí)驗(yàn)較少,仍需進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)來(lái)彌補(bǔ)當(dāng)前數(shù)據(jù)空白。

進(jìn)一步地,本文整理出海底聲散射研究存在的關(guān)鍵問(wèn)題及發(fā)展方向:

1)界面粗糙散射和體積散射的關(guān)系。

海底聲散射是一個(gè)特別復(fù)雜的過(guò)程,不同頻段的聲波穿透粗糙界面的深度不同,從而在沉積物中產(chǎn)生不同的聲場(chǎng)。因此,如何在不同條件下準(zhǔn)確區(qū)分界面粗糙散射和體積散射是一個(gè)尚未解決的問(wèn)題,尤其是沉積層垂直起伏在某種程度上跟隨海水-沉積物界面起伏時(shí),很難劃分界面粗糙散射和體積散射。同時(shí),在構(gòu)建散射模型時(shí),如何合理處理界面粗糙散射和體積散射之間的關(guān)系也是當(dāng)前研究的一大難點(diǎn)。

2)雙基地海底聲散射特性研究。

目前開(kāi)展的海底聲散射實(shí)驗(yàn)大多采用單基地聲吶來(lái)進(jìn)行小范圍內(nèi)海底反向散射強(qiáng)度測(cè)量。相比與單基地測(cè)量,雙基地測(cè)量可實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)海底前向散射強(qiáng)度的測(cè)量,且能有效降低散射測(cè)量頻率,對(duì)海底聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析、海底混響建模與預(yù)報(bào)等具有十分重要的意義。同時(shí),研究雙基地海底前向散射機(jī)理,揭示前向散射強(qiáng)度的頻率、掠射角和方位角依賴性,分析海底環(huán)境對(duì)前向散射強(qiáng)度的影響以及構(gòu)建雙基地海底散射模型等基礎(chǔ)研究也將成為迫切的研究需求。

3)海底中頻及寬掠射角聲散射模型研究。

相對(duì)于高頻海底聲散射,中頻聲散射在散射機(jī)理分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)量和模型構(gòu)建方面的研究均比較匱乏。而在實(shí)際應(yīng)用中,水聲通信、掩埋目標(biāo)探測(cè)和反潛聲吶等大多工作在中頻段。因此,迫切需要加強(qiáng)對(duì)海底中頻聲散射特性的研究,并構(gòu)建中頻及寬掠射角聲散射預(yù)測(cè)模型來(lái)滿足水下攻防等應(yīng)用需求。

4)分層海底聲散射模型研究。

實(shí)際海底結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,在部分區(qū)域存在海底分層結(jié)構(gòu),當(dāng)前的海底聲散射模型通常將海底視為單層半無(wú)限空間介質(zhì)進(jìn)行處理。因此,研究分層海底聲散射機(jī)制,并構(gòu)建分層海底聲散射模型將是海底聲散射特性研究的另一個(gè)重要方向。