在轴向应力应变下海底沉积物声速及其响应

对南沙群岛海域海底浅表层沉积物短柱状样所进行的轴向应力-应变/声学测量,结果表明纵波声速有着三种的变化结果,这些结果与海底浅表层沉积物的物理力学性质,颗粒接触状态,颗粒结构微结构等特征有关.本项研究可为深入认识南海南部各种海底沉积物作为承载界面的可靠程度,声遥测遥感海底沉积物的工程力学性质等科学目的作出理论贡献.     

利用匹配场方法反演海底单参数

用海底反射损失对掠射角的斜率作为单个参数描述海底可以简化地声反演过程,快速获得海底的地声性质。基于单参数模型及其相干声场的反射相位近似关系,利用匹配场处理技术反演海底性质。通过Hamilton地声模型中的密度声速关系,同时获得海底的密度和声速值。对2001年中美东海联合实验(ASIAEX 2001)实验数据进行了反演,获得海底地声参数。最后利用反演结果进行传播损失预报及海底沉积物辨别,其效果证实了基于单参数海底模型反演方法的有效性及实用性。     

浅海海底单参数模型分析与研究

介绍了单参数模型,提出以小掠射角下反射损失随掠射角的变化率Fd B作为描述海底性质的单参数,并分析研究了该海底单参数模型的适用性,分析得到,当频率不低于数十赫兹且海底沉积物类型属于高声速海底时,单参数模型可以用来描述海底性质。还研究了海水声速对于海底单参数模型描述水下声场的适用性的影响,结果表明,当海水声速剖面可以近似等效为均匀水层时,可用海底单参数模型对水下声场进行预报应用。     

海底沉积物声学性质测量技术评述

由于资源勘探、军事应用、岩土特性声学调查和声波传播理论研究等的需要,多年来人们一直在进行海底沉积物声学性质的测量。对海底沉积物声学性质的取样测量技术和原位测量技术进行了叙述,分别总结了两种测量技术存在的问题,认为下一步有必要发展海底沉积物低频声学性质的直接测量技术,建议在原位测量海底沉积物声学性质参数的同时测量其他性质参数以便于对比研究,并设法提高原位测量的工作效率。     

海底沉积物声衰减与含水量关系的实验研究

海底沉积物从海底采样之后,要经过保存和运输之后才进行室内的声学物理参数测量,在这个过程中,样品不可避免的受到各种干扰。在实验室里制作了沉积物人工样品,模拟样品受到的干扰,通过测量受扰动的含水量的变化及其与声衰减系数的关系,经过频谱分析,得出随机扰动不易辨别,容易造成错误测试结果。对可能的扰动进行物理分析,并提出沉积物声衰减实验测量的若干建议。     

海底的地声模型

"地声模型"是作为实际海底的模型而定义的,其重点在于测量、外推和预估那些与水声学及地球物理学声传播方面有关的特性的数值。这样的模型对于地质学和地球物理学的其它方面也是重要的。实际的海底不可能由任何单一的地声模型来确定,所以,重要的是在海中(包括海底)进行的声学和地球物理学试验结果应与这个区域的特殊模型符合。而这些模型能使实验和理论一致。但是,也可以利用地质学或地球物理学的判断,在较宽广的区域内,外推一个一般化的模型。充分地收集不同区域的模型,就能予估世界海洋中相似区域的海底模型。地声模型应该详细描述实际的海底。因而,它能用于宽频带内压缩波和切变波的反射和折射,分层图的地质研究、沉积学和地质史,以及地球物理领域的各种研究,如声的反射和折射、重力的计算等等。建立海底的地声模型,需要综合来源于海洋学、地质学和地球物理学的多种数据。所以,模型集中和运用了海上和实验室中大量科学试验工作所取得的数据。一般来说,一个模型要详细描述复盖在地壳表面的各种沉积层和岩层的实际的厚度和性质。大的分层能够完全满足某些地质学和地球物理学的研究工作的要求。但对声学必须提供足够的细节,以及研究不同声频上的声投射区域。完整的地声模型所需要的信息,应该对每一层都包括以下六项。在某些情况下,现有的技术水平仅允许作出粗略的估计,或者可能得不到有关信息。1.由颠倒采水器(Nansen瓶)和下投声速计取得的复盖水层的特性参数。2.沉积物信息(由岩心,钻孔或地质学外推取得):沉积物类型,颗粒大小分布,密度,多孔性,压缩波和切变波的衰减和声速,以及其它弹性参数;这些参数随深度变化的梯度。例如,由声浮标测量得到的各层声速和速度梯度。3.由连续反射剖面仪在不同频率上确定的沉积层厚度(以时间表示).4.在不同频率观察的沉积物内部反射体的位置、厚度及特性。5.岩层的特性。在海底及接近海底的岩层对水声学是特别重要的.6.海底地形,粗糙度、起伏、斜坡等的细节,例如用水下照相机和深海拖曳装置观察。近期的研究工作已经对含水沉积物的任一种弹性或粘弹性模型提供了特定的参数(例如,速度色散可以忽略或不存在,在大部份感兴趣的频段内,衰减随频率的变化接近一次方规律)。本文评述了这些能够用于海洋沉积物的参数及弹性和粘弹性模型,并介绍了一种特殊的粘弹性模型,及与其有关的方程式。     

Hamilton对深海海底表层声学参数的确定方法

对深海海底表层参数用数值举例来说明如何确定,以下的方法可以概括为:(1)预报沉积物表面声速和把实验室声速修正到现场条件的值;(2)对盐度的修正,以获得真实的孔隙度;(3)从实验室数据中计算弹性模数现场值的程序。　　　　　　　　压缩波(声)速　　　　下面的A和B二种方法可用来预报特定区域沉积物表面的现场声速。用举例来说明,该方法可概括为:假定没有沉积物样品的信息可资利用,沉积物声速的数值可以从文献数据中查得(如表　A—2内的数据);给出实验室的样品数据。无论用哪一种方法都能把实验室声速值修正到现场条件去,见以下讨论的主要…     

声波在海底的折射

低频声能传播的主要模式是很浅地穿过海底未固结沉积物的折射路径。成功地以海底折射模式来模拟传播需要沉积物厚度、声速和在沉积物中声衰减的知识。未固结沉积物可看作为水柱在海洋的声海底上的延伸,而这种海底就是未固结沉积物的基底。本文讨论了太平洋二个站位上所观测到的不同沉积物厚度的海底损失的结果。沉积物厚的站位在小掠射角时记下的海底损失较小,这是因为附加接收到经线的海底折射而来的声能。另方面,沉积物薄的站位在大掠射角时记下的海底损失较小,这是因为附加接收到出现在未固结沉积物基底上的次海底(Subbottom)反射的声能。     

声波在低声速海底上的反射

用爆炸声源进行了海底反射特性的测量,获得了掠射角2°到85°之间的海底反射系数.应用一个多层的海底模型对海底反射系数进行了理论计算,在这个模型中,把最下层看成为固体的半无限空间.假设这些层是具有吸收的,而且各层之间有一个相互平行的分界面.对现场采集的底质样品测量了沉积物的声速,并应用于理论计算中,表明这一海区的海底是低声速沉积物,中间夹杂着一些薄的高声速层.在理论预言的一些角度上,示波器记录到的海底反射信号相对于入射波相位发生反转.将反射系数的理论值与实验值在1、2、和4千赫兹的频率上做了比较,一般说来,在整个范围内符合的较好.在贯穿角附近,发现测得的反射系数随着频率有一个奇异的增加,这大约可以用下层反射体的存在来解释.     

海底沉积物岩芯横向声学测量系统的标定

水平轴向测量技术相对成熟,但较难获取海底沉积物的无扰动分层声学特性,采用横向测量技术可以解决这一问题。文章研究了海底沉积物岩芯横向测量技术,将水作为海底沉积物测量的参考标准,进行测量系统的标定。提出了等效换能器的概念,将样品以外的声传播介质整合成等效换能器的一部分,标定测量等效换能器声延时和声传播初始能量。以水为标准介质,分别采用33、80、100 kHz三种频率的声学换能器,以及75、90、110 mm三种管径的聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride,PVC),测量所得的水中的声速与标准计算水中的声速具有一致性,其中以采用80 kHz频率声学换能器和90 mm管径PVC管测量时的声速误差最小,选用此状态进行标定,得出当隔水耦合测量法换能器相对距离为142.02 mm时,标定的等效换能器声延时为45.88±0.08 μs,等效换能器声传播初始能量(以接收换能器的接收电压表示)为0.86±0.03 V。应用标定的等效换能器声延时和声传播初始能量测量海底沉积物。计算得到声速和声衰减系数符合黏土质粉砂的声学特性。     

Generation of Ripple-Size Internal Waves on a Fluidized Seafloor

Ripples produced on a fluidized seafloor have been observed in the field as well as in the laboratory. Because of their dynamic properties, they are sometimes referred to as transitional or ephemeral ripples, as they have been observed to go through cycles of forming and disappearing on the time scale of an individual wave period. The ripples also appear to go through a complex evolutionary sequence, occasionally leading to the spectacular event of sediment bursting from the seafloor. During bursting, loads of fluidized sediment will be ejected upward into the water column – in the form of intense sand plumes. Reproducing these ripples in the laboratory revealed that these ripples are actually a standing subharmonic internal wave on the water-sediment interface, produced by the water wave propagating above through an instability mechansim. In this paper an inviscid theory for the initial excitation of these dynamic ripples on a fluidized seafloor is presented.     

改进粒子滤波在海底地声参数反演中的应用

海底地声参数作为海洋声信道的重要组成部分,很大程度上决定了海洋声传播特性。地声参数可以通过反演算法获得,与距离相关的地声反演问题近年来是研究的热点。粒子滤波是一种高效的序贯寻优算法,可以在海底声学特性随距离缓慢变化情形下,有效解决地声参数的估计问题。但当海底声学特性随距离变化剧烈,如沉积层分层情况发生改变时,传统的粒子滤波则可能失效。为解决此问题,有文献使用了带桥接重采样的粒子滤波反演地声参数。文章在此基础上进一步改进了粒子的采样方式,并将此方法应用到基于海底反射系数的反演中。通过仿真数据处理结果证明,文中提出的改进粒子滤波在地声参数随距离变化剧烈的情况下仍具有较好性能,可以准确地估计海底特性随距离的变化规律和海底沉积层的声学参数。     

多波束声呐海底底质半监督学习分类方法

多波束测深声呐的反向散射数据中包含海底表层的声学信息,可以用来进行海底表层底质分类。但实际中通过物理采样获得大范围的底质类型的标签信息所需成本过高,制约了传统监督分类算法的性能。针对实际应用中只拥有大量无标签数据和少量有标签数据的情况,文章提出了基于自动编码器预训练以及伪标签自训练的半监督学习底质分类算法。利用2018年和2019年两次同一海域实验采集的多波束测深声呐反向散射数据,对所提算法进行了验证。数据处理结果表明,相比仅利用有标签数据的监督分类算法,提出的半监督学习分类算法保证分类准确率的同时所需的有标签数据更少。自动编码器预训练的半监督学习分类方法在有标签样本数量极少时的准确率仍高于75%。     

由矢量水听器阵列反演浅海地声参数

基于矢量水听器能够比传统的声压水听器提供更多的声场信息,文章提供了一种利用矢量水听器阵列（AVS）进行浅海地声参数反演的方法。首先,对声场矢量的传播规律进行了研究;其次,利用矢量匹配场（MFP）方法进行了海底声速的反演：最后利用声压和质点垂直振速的传播损失差反演了海底吸收。基于矢量水听器的海底参数反演方法主要具有下述优点：一是利用矢量匹配场反演海底声速能够有效减小参数估计误差：二是利用声场矢量传播损失差进行海底吸收反演能够排除信号源级起伏对反演的干扰。实验结果表明,基于矢量水听器阵列的海底参数反演能够很好的进行声场传播预报工作。     

不同底质海底窄带混响信号空间相关半径研究

海底混响是主动声呐的主要干扰之一,分析海底混响信号的空间相关特性是抗海底混响技术研究的基础。本文依据混响信号的空间相关特性,从理论上解释海底混响信号空间相关半径的定义,利用实验数据研究了在不同海底底质情况下混响信号空间相关半径变化规律以及不同底质混响信号强度的变化。研究表明不均匀海底底质情况下,散射体颗粒增大,混响信号空间相关半径减小且底质较硬时混响信号较强。     

基于深海声影区海底反射损失的地声参数反演方法

海底的声速、密度、衰减系数等地声参数,在声场预报、目标定位中十分重要。因地声参数原位测量和海底采样在深海中实施困难,需要寻找新的方法来获取地声参数。在深海声影区环境下,直达波会随着距离的增加而逐渐消失,一次反射波及多次反射波是对深海声影区声场起重要作用的多途信号。文章首先对声影区多途达到结构进行分析,利用多次比较法得到随掠射角变化的反射损失,并对海底地声参数进行反演,然后将反演的地声参数代入声场模型得到海底反射损失,将其与实验测量结果进行比较,结果吻合较好。并通过对反演过程的散点图和后验概率进行分析,证明了反演结果的可靠性。该方法可用于深海声影区的海底地声参数的反演。     

海底沉积物样品声衰减与温度关系的实验研究

不同海区海水温度不同,导致不同海区沉积物温度不同;实验室环境温度变化造成沉积物温度的变化。模拟沉积物的温度变化来研究沉积物声衰减的变化,分别从声衰减系数和本文提出的温变衰减系数描述声衰减。以原状样品和人工样品为例说明了在一定厚度的海底沉积物中,声波的传播能力受到沉积物本身分布的均匀度的影响,会出现不同的衰减趋势;通过定义温变衰减系数得到了海底沉积物对能量的传播能力随温度的升高而降低。     

Local algorithms using SeaWiFS data for the retrieval of phytoplankton, pigments, suspended sediment, and yellow substance in coastal waters

Algorithms that use the SeaWiFS radiometer band reflectance data for the retrieval of phytoplankton pigment concentration, suspended sediment concentration, and yellow substance absorption in coastal water are set up by a computation based on a three-component model of sea color. The varying coastal environment is characterized by a site-specific correlation among the three parameters, subjected to large spatial and temporal fluctuations. The computation is performed with respect to the summer situation of the Gulf of Naples (Mediterranean Sea). The sensitivity of the retrieval of each parameter to variations in the concentration of the two other quantities is investigated by numerical simulations. The sensitivity to the variability of the absorption and scattering properties of phytoplankton and suspended sediment is analyzed, as well as the error induced by the uncertainty of the remote-sensing data. The algorithms's performance is satisfactorily tested on sets of SeaWiFS band reflectances randomly generated within wide water composition ranges. Although the results obtained cannot be generalized and require experimental validation, the series of tests performed suggests that the proposed algorithms, with numerical constants adjusted to the local conditions, can be effectively applied to several types of coastal environment.     

适于水工物理模型的新型表面流速测量技术

针对水工物理模型表面流速测量方法的技术现状,提出了一种不对流场造成破坏的新型光电非接触式表面流速测量方法.对流速测量原理进行推导,并对影响测量精度的因素进行了分析.搭建了实验系统,在6种不同标定流速下,对0、25 kg/m~3及50 kg/m~3三种含沙量情况下的流速进行了测量.实验结果表明,在三种不同含沙量情况下,实测流速与标定流速的一致性较好,证明理论的可行性.实验还发现,水体适量含沙能提高流速测量精度,流速相对误差能控制在8%以下.