CN116520431A - 浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法、装置和介质 - Google Patents
浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法、装置和介质 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法、装置和介质，浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法通过获取海底沉积物所在海域的海底浅层分层结构信息，实现基于对海底沉积物的浅地层剖面的分层约束，从而利用相对高频的原位声速值对反演声速值进行校正，可以构建水平变化的海底分层宽频声速结构，相对于目前的直接测量方法，实施例中的浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法除了能够获取海底沉积物的浅表层的高频声速，还能够获取水平不变的低频分层声速结构，实现更宽频域范围内声速结构的构建，即所构建的海底声速结构具备宽频特性。本发明广泛应用于海底沉积物声学技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及海底沉积物声学技术领域，尤其是一种浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法、计算机装置及存储介质。
背景技术
海底底质声学特性在海洋声场预报和水下目标探测等领域具有直接应用价值，可广泛应用于海洋科学研究、国防建设和工程勘察等。海底底质声学特性获取方法主要包括直接测量和反演遥测等。其中，直接测量主要是针对浅表层几米范围内的原位测量，测量频率在1kHz以上；反演遥测针对深层数十米乃至上百米的沉积层，测量频率主要在1kHz以下。直接测量仅能构建海底表层的高频声速结构，地声反演仅能构建海底水平不变的分层中低频声速结构，仅仅依靠直接测量或者地声反演单一方法，难以获得浅表层海底沉积物的宽频分层声速结构。当前，尚未有适用于构建浅表层海底沉积物宽频声速结构的方法。如何将直接测量和地声反演相结合，并结合实际海域的海底浅地层分层特征，从而构建出浅表层海底沉积物的宽频分层声速结构，是海洋沉积声学领域急需破解的技术瓶颈。
发明内容
针对目前尚未有适用于构建浅表层海底沉积物宽频声速结构的方法等技术问题，本发明的目的在于提供一种浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法、计算机装置及存储介质。
一方面，本发明实施例包括一种浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法，包括：
S1.研究海域试验方案设计的步骤
S101.在研究海域布设地球物理测线、声传播测线、中心站和底质测量站位，通过网格化布设或者围绕中心点放射性布设；站位应沿测线布设，充分考虑到声传播的近场和远程效应，距离中心点10km内的近场采用小间距1km布设站位，距离中心点10km外的远场采用等间距5km的原则布设站位，每条测线设置n个站位；
S102.采用具备作业能力的科学考察船，组织实施海上试验，试验内容包括底质声学原位测试、浅地层剖面探测、声传播实验和地声反演；
S2.获取海底沉积物的宽频声学特性数据的步骤
S201.首先在科考船甲板上对原位测量设备设定发射周期、采样间隔、采样时间和发射功率参数；
S202.利用动力定位系统将科考船停泊在工作站位，然后利用A架和船载地质绞车设备，将原位测量设备吊放到海底，确认原位测量设备触底后，原位测量设备开始工作，原位测量设备的声学发射电路激发发射换能器发射声波，发射声波中心测量频率分别为1kHz、3kHz、5kHz、8kHz、10kHz、16 kHz、25kHz、31.5 kHz、50 kHz、80 kHz及100kHz；声波信号穿过海底沉积物后，被原位测量设备的接收换能器接收，并存储在存储单元中；
S203.利用A架和船载地质绞车设备将原位测量设备从海底提升到船甲板上，完成一次原位测量；
S204.利用电脑连接原位测量设备的存储单元，将原位系统测量接收的信号导出，后续在电脑中对信号进行分析；
S205.基于公式（1）声波传播声压和距离计算沉积物的声速：
（1）
式中，V 原位为沉积物原位测量声速值，L1和L2为原位测量系统发射换能器和两个接收换能器的距离，∆L是声波在海底沉积物中传播的距离差，t1和t2为声波穿过海底沉积物到达两个接收换能器的时间，∆t为声波到达两个接收换能器的时间差；
S206.利用浅层剖面仪获取研究海域的海底浅层分层结构信息，得到50m以内的沉积物精细化分层结构q层，每层的厚度为h；
开展海底追踪，确定海底界面，然后划分详细的声学地层，从海底开始计算深度，根据近似垂直发射、垂直接收的双程走时，进行水深校正，并进而确定每层距离海底的深度；假设介质分层均匀，由换能器吃水深度dt，发射换能器与接收换能器间距d，利用剖面时深转换得到近似水深H0，以及各阻抗界面层深分别为H1，H2，...，Hq；假设实际水深为h0，实际地层埋深为h1，h2，...，hq，推算出校正后水深和每层深度分别为：
（i=1,2，...，q）（2）
S207.在研究海域，开展声传播实验，将垂直水听器阵列设置在测线的两端，然后从一端开始，利用拖曳换能器沿着测线依次间隔5km发射声波信号，发射频率设置30 Hz-20kHz，垂直水听器阵列接收到声传播信号并储存；在实验室中，利用全波场反演代价函数对采集的声传播信号进行地声参数反演，全波场反演代价函数为：
（3）
式中，m表示待反演参数向量，“*”表示复数共轭，N表示阵元个数，B表示频点数，K(m)为归一化因子，表示测量数据的互谱矩阵，/>表示拷贝数据的互谱矩阵，通过数值模拟研究匹配相关系数对海底分层厚度及地声参数的敏感性，选择敏感的参数进行反演，数值计算中近场采用波数积分SCOOTER模型；根据浅层剖面分析结果，选取建立海洋环境模型，确定待反演参数的搜索范围，建立待反演参数向量集，使用波数积分模型计算一定频带内的拷贝场；对实验数据进行脉冲压缩、FFT变换分析处理，得到相同频带内的测量声场；把拷贝场及测量声场代入代价函数，根据代价函数的收敛性，选择遗传算法或者全局网格搜索算法，对待反演参数在搜索范围内进行搜索，并用贝叶斯原理后验概率密度进行反演结果分析，得到最优解，从而获取海底沉积物30 Hz -20kHz的声学特性反演值，频点数为y，其中y包含两端点的频率；
S208.在原位测量站位，利用温盐深仪CTD、声速剖面仪SVP同步测量海水的声速，温度及深度三个参数，根据此三个参数，计算出海水的声速剖面；
S3.反演声速值校正的步骤
S301.利用q层分层结构，其中第一层厚度与原位测量长度3m一致，结合Goupillaud等传输时间厚度分层模型，该模型下的冲激响应序列h(t)为
（7）
其中ri表示相邻两层间的反射系数，略去层间多次反射，冲激响应简化为：，则各层界面的反射系数为：
（8）
大掠射角近垂直的海底回波信号R(t)为水体中的直达波，s(t)和分层海底介质的冲激响应序列h(t)的卷积：
（9）
由直达波s(t)和反射回波R(t)利用改进的共扼梯度法抽取冲激响应序列h(t)，从而推算得到介质中各层间的反射系数ri，己知海底表面上方水体的声阻抗，逐层递推得到海底各层的声阻抗剖面；最后，利用声速和密度关系公式从反演得到的声阻抗剖面分离出沉积物每层的声速值，并给出反演误差和上下限，其中声速值为低频等价声速值，频率范围是30Hz-20 kHz；
S302.将反演得到的低频声速值中第一层1kHz-20 kHz的N个频点的反演声速值与原位测量声速1 kHz-20 kHz频点的声速值进行对比：
（10）
（11）
这里是低频反演校正因子，将N个频点的反演值与原位测量值进行对比，得到N个频点的低频反演校正因子，将N个频点频率与低频反演校正因子/>进行拟合，得到低频反演校正因子函数/>=Q（f），低频反演校正因子函数的频率范围是1kHz-20kHz；
S303.利用频率延拓，将低频反演校正因子函数=Q（f）的频率范围延拓到低频30Hz，得到30Hz-20kHz的低频反演校正因子；
S304.利用低频反演校正因子，将第一层反演的30Hz-20kHz声速值校正到原位测量值，同时给出校正值的误差上限及误差下限；
S4.构建浅表层沉积物精细化宽频分层声速结构的步骤
S401.对于第一层3m内的沉积物，根据原位测量1kHz-100kHz的声速测量值，结合第一层反演校正后的30Hz-20kHz声速值，根据频率和声速值投点，构建一条频率与声速值的频散关系曲线Y1（f），这条曲线是第一层3m内沉积物的声速结构曲线，频率范围是30Hz-100kHz；
S402.结合步骤S3，获取除了第一层外的每一层沉积物在30Hz-20kHz频率范围内的反演声速值，并给出误差上限和下限，利用低频反演校正因子函数=Q（f），将反演得到的每一层的30Hz-20kHz的声速值校正到原位声速值，从而得到除了第一层外每一层的30Hz-20kHz的声速随频率的频散关系曲线Yi（f），i=q-1；
S403.根据获取的温度，声速，深度数据，绘制海水随水深变化的声速剖面曲线；
S404.将海水声速剖面曲线和海底沉积物声速分层结构画在一个结构示意图中，最上层是海水的声速剖面曲线，海水层下面是沉积物，然后沉积物分为q层结构，第一层是步骤S401构建的频散曲线函数Y1（f），从二层开始是步骤S402得到的每一层沉积物30Hz-20kHz频率范围内的声速随频率的频散关系曲线Yi（f）；综合以上得到浅表层海底沉积物的宽频分层声速结构，其中，第一层宽频是30Hz-100kHz，除了第一层外每一层的宽频是30Hz-20kHz。
进一步地，测线的数量不少于2条。
进一步地，每条测线的长度不少于50km。
进一步地，n为不小于5的整数。
进一步地，y为不少于20的整数。
进一步地，q为大于2的正整数。
另一方面，本发明实施例还包括一种计算机装置，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储至少一个程序，所述处理器用于加载所述至少一个程序以执行实施例中的一种浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法。
另一方面，本发明实施例还包括一种存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行实施例中的一种浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法。
本发明的有益效果是：实施例中的浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法，通过获取海底沉积物所在海域的海底浅层分层结构信息，实现基于对海底沉积物的浅地层剖面的分层约束，从而利用相对高频的原位声速值对反演声速值进行校正，可以构建水平变化的海底分层宽频声速结构，相对于目前的直接测量方法，实施例中的浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法除了能够获取海底沉积物的浅表层的高频声速，还能够获取水平不变的低频分层声速结构，实现更宽频域范围内声速结构的构建，即所构建的海底声速结构具备宽频特性。
附图说明
图1为实施例中浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法的步骤图；
图2为实施例中浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法的原理示意图。
具体实施方式
本实施例中，参照图1，浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法包括以下步骤：
S1.研究海域试验方案设计；
S2.获取海底沉积物的宽频声学特性数据；
S3.反演声速值校正；
S4.构建浅表层沉积物精细化宽频分层声速结构。
本实施例中，步骤S1-S4的原理如图2所示。
在执行步骤S1，也就是研究海域试验方案设计这一步骤时，具体可以执行以下步骤：
S101.在研究海域布设地球物理测线、声传播测线、中心站和底质测量站位，通过网格化布设或者围绕中心点放射性布设；站位应沿测线布设，充分考虑到声传播的近场和远程效应，距离中心点10km内的近场采用小间距1km布设站位，距离中心点10km外的远场采用等间距5km的原则布设站位，每条测线设置n个站位，其中n为不小于5的整数，测线的数量不少于2条，每条测线的长度不少于50km。
S102.采用具备作业能力的科学考察船，组织实施海上试验，试验内容包括底质声学原位测试、浅地层剖面探测、声传播实验和地声反演。
在执行步骤S2，也就是获取海底沉积物的宽频声学特性数据这一步骤时，具体可以执行以下步骤：
S201.首先在科考船甲板上对原位测量设备设定发射周期、采样间隔、采样时间和发射功率参数；
S202.利用动力定位系统将科考船停泊在工作站位，然后利用A架和船载地质绞车设备，将原位测量设备吊放到海底，确认原位测量设备触底后，原位测量设备开始工作，原位测量设备的声学发射电路激发发射换能器发射声波，发射声波中心测量频率分别为1kHz、3kHz、5kHz、8kHz、10kHz、16 kHz、25kHz、31.5 kHz、50 kHz、80 kHz及100kHz；声波信号穿过海底沉积物后，被原位测量设备的接收换能器接收，并存储在存储单元中；
S203.利用A架和船载地质绞车设备将原位测量设备从海底提升到船甲板上，完成一次原位测量；
S204.利用电脑连接原位测量设备的存储单元，将原位系统测量接收的信号导出，后续在电脑中对信号进行分析；
S205.基于公式（1）声波传播声压和距离计算沉积物的声速：
（1）
式中，V 原位为沉积物原位测量声速值，L1和L2为原位测量系统发射换能器和两个接收换能器的距离，∆L是声波在海底沉积物中传播的距离差，t1和t2为声波穿过海底沉积物到达两个接收换能器的时间，∆t为声波到达两个接收换能器的时间差；
S206.利用浅层剖面仪获取研究海域的海底浅层分层结构信息，得到50m以内的沉积物精细化分层结构q层，每层的厚度为h；
步骤S206的原理是：假设声波在海洋和海底传播的介质为层状模型，海水作为第一层介质，密度为ρ1，声波传播速度为V1；海底以下地层（海底沉积物）存在q个阻抗界面，其密度和声速分别为ρ2、V2，ρ3、V3，ρ4、V4，...，ρq、Vq。当声波向下传播时，一部分在阻抗界面发生反射或折射，另一部分透射后向深层传播，在下一个阻抗界面处发生反射和透射。其阻抗界面的反射系数由上下两层的阻抗决定，即由声速、密度共同决定。需要注意的是，此处声学地层的划分主要是结合具有相同特征的连续波阻抗界面划定，即采用声学图谱的波阻抗界面，该界面不一定与传统地质地层的划分完全吻合。
步骤S206中，开展海底追踪，确定海底界面，然后划分详细的声学地层，从海底开始计算深度，根据近似垂直发射、垂直接收的双程走时，进行水深校正，并进而确定每层距离海底的深度；假设介质分层均匀，由换能器吃水深度dt，发射换能器与接收换能器间距d，利用剖面时深转换得到近似水深H0，以及各阻抗界面层深分别为H1，H2，...，Hq；假设实际水深为h0，实际地层埋深为h1，h2，...，hq，推算出校正后水深和每层深度分别为：
（i=1,2，...，q）（2）
S207.在研究海域，开展声传播实验，将垂直水听器阵列设置在测线的两端，然后从一端开始，利用拖曳换能器沿着测线依次间隔5km发射声波信号，发射频率设置30 Hz-20kHz，垂直水听器阵列接收到声传播信号并储存；在实验室中，利用全波场反演代价函数对采集的声传播信号进行地声参数反演，全波场反演代价函数为：
（3）
式中，m表示待反演参数向量，“*”表示复数共轭，N表示阵元个数，B表示频点数，K(m)为归一化因子，表示测量数据的互谱矩阵，/>表示拷贝数据的互谱矩阵，通过数值模拟研究匹配相关系数对海底分层厚度及地声参数的敏感性，选择敏感的参数进行反演，数值计算中近场采用波数积分SCOOTER模型；根据浅层剖面分析结果，选取建立海洋环境模型，确定待反演参数的搜索范围，建立待反演参数向量集，使用波数积分模型计算一定频带内的拷贝场；对实验数据进行脉冲压缩、FFT变换分析处理，得到相同频带内的测量声场；把拷贝场及测量声场代入代价函数，根据代价函数的收敛性，选择遗传算法或者全局网格搜索算法，对待反演参数在搜索范围内进行搜索，并用贝叶斯原理后验概率密度进行反演结果分析，得到最优解，从而获取海底沉积物30 Hz -20kHz的声学特性反演值，频点数为y，其中y为不少于20的整数，y包含两端点的频率；
S208.在原位测量站位，利用温盐深仪CTD、声速剖面仪SVP同步测量海水的声速，温度及深度三个参数，根据此三个参数，计算出海水的声速剖面。
在执行步骤S3，也就是反演声速值校正这个步骤时，具体可以执行以下步骤：
S301.利用q层分层结构，其中q为大于2的正整数，第一层厚度与原位测量长度3m一致，结合Goupillaud等传输时间厚度分层模型，该模型下的冲激响应序列h(t)为
（7）
其中ri表示相邻两层间的反射系数，略去层间多次反射，冲激响应简化为：，则各层界面的反射系数为：
（8）
大掠射角近垂直的海底回波信号R(t)为水体中的直达波，s(t)和分层海底介质的冲激响应序列h(t)的卷积：
（9）
由直达波s(t)和反射回波R(t)利用改进的共扼梯度法抽取冲激响应序列h(t)，从而推算得到介质中各层间的反射系数ri，己知海底表面上方水体的声阻抗，逐层递推得到海底各层的声阻抗剖面；最后，利用声速和密度关系公式从反演得到的声阻抗剖面分离出沉积物每层的声速值，并给出反演误差和上下限，其中声速值为低频等价声速值，频率范围是30Hz-20 kHz；
S302.将反演得到的低频声速值中第一层1kHz-20 kHz的N个频点的反演声速值与原位测量声速1 kHz-20 kHz频点的声速值进行对比：
（10）
（11）
这里是低频反演校正因子，将N个频点的反演值与原位测量值进行对比，得到N个频点的低频反演校正因子，将N个频点频率与低频反演校正因子/>进行拟合，得到低频反演校正因子函数/>=Q（f），低频反演校正因子函数的频率范围是1kHz-20kHz；
S303.利用频率延拓，将低频反演校正因子函数=Q（f）的频率范围延拓到低频30Hz，得到30Hz-20kHz的低频反演校正因子；
S304.利用低频反演校正因子，将第一层反演的30Hz-20kHz声速值校正到原位测量值，同时给出校正值的误差上限及误差下限；
在执行步骤S4，也就是构建浅表层沉积物精细化宽频分层声速结构这个步骤时，具体可以执行以下步骤：
S401.对于第一层3m内的沉积物，根据原位测量1kHz-100kHz的声速测量值，结合第一层反演校正后的30Hz-20kHz声速值，根据频率和声速值投点，构建一条频率与声速值的频散关系曲线Y1（f），这条曲线是第一层3m内沉积物的声速结构曲线，频率范围是30Hz-100kHz；
S402.结合步骤S3，获取除了第一层外的每一层沉积物在30Hz-20kHz频率范围内的反演声速值，并给出误差上限和下限，利用低频反演校正因子函数=Q（f），将反演得到的每一层的30Hz-20kHz的声速值校正到原位声速值，从而得到除了第一层外每一层的30Hz-20kHz的声速随频率的频散关系曲线Yi（f），i=q-1；
S403.根据获取的温度，声速，深度数据，绘制海水随水深变化的声速剖面曲线。
S404.将海水声速剖面曲线和海底沉积物声速分层结构画在一个结构示意图中，最上层是海水的声速剖面曲线，海水层下面是沉积物，然后沉积物分为q层结构，第一层是步骤S401构建的频散曲线函数Y1（f），从二层开始是步骤S402得到的每一层沉积物30Hz-20kHz频率范围内的声速随频率的频散关系曲线Yi（f）；综合以上得到浅表层海底沉积物的宽频分层声速结构，其中，第一层宽频是30Hz-100kHz，除了第一层外每一层的宽频是30Hz-20kHz。
参照图2，实施例中的浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法具有以下优点：
1、声速结构具备分层特性
传统的直接测量方法只能获取浅表层的高频声速，不能获取深层信息；而地声反演只能获取水平不变的低频分层声速结构。本技术基于浅地层剖面的分层约束，可以构建水平变化的海底分层声速结构。
2、声速结构具备宽频特性
传统直接测量方法局限于高频声速，地声反演的结果又缺乏检验和校正。本方法提出基于高频原位测量结果对地声反演结果进行校正，然后综合利用两种方法实现更宽频域范围内声速结构的构建，所构建的海底声速结构具备宽频特性。
3、便于操作
对于操作人员来说，直接测量、地声反演和浅地层剖面均属于传统方法，操作简便；通过对地声反演分层特性进行约束，地声反演结果进行原位校正后，输入相关参数就可以得到海底沉积物的声速结构，不需要进行其他操作，也没有繁杂的计算公式。
可以通过编写执行本实施例中的一种浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法的计算机程序，将该计算机程序写入至计算机装置或者存储介质中，当计算机程序被读取出来运行时，执行本实施例中的一种浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法，从而实现与实施例中的一种浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法相同的技术效果。
需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言（“例如”、“如”等）的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。
应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程（或变型和/或其组合）可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码（例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用）、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。
计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。
Claims (10)
1.一种浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法，其特征在于，所述浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法包括：
S1.研究海域试验方案设计的步骤；
S2.获取海底沉积物的宽频声学特性数据的步骤；
S3.反演声速值校正的步骤；
S4.构建浅表层沉积物精细化宽频分层声速结构的步骤。
2.根据权利要求1所述的浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法，其特征在于，所述研究海域试验方案设计的步骤，包括：
S101.在研究海域布设地球物理测线、声传播测线、中心站和底质测量站位，通过网格化布设或者围绕中心点放射性布设；站位应沿测线布设，充分考虑到声传播的近场和远程效应，距离中心点10km内的近场采用小间距1km布设站位，距离中心点10km外的远场采用等间距5km的原则布设站位，每条测线设置n个站位；
S102.采用具备作业能力的科学考察船，组织实施海上试验，试验内容包括底质声学原位测试、浅地层剖面探测、声传播实验和地声反演。
3.根据权利要求2所述的浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法，其特征在于，所述获取海底沉积物的宽频声学特性数据的步骤，包括：
S201.首先在科考船甲板上对原位测量设备设定发射周期、采样间隔、采样时间和发射功率参数；
S202.利用动力定位系统将科考船停泊在工作站位，然后利用A架和船载地质绞车设备，将原位测量设备吊放到海底，确认原位测量设备触底后，原位测量设备开始工作，原位测量设备的声学发射电路激发发射换能器发射声波，发射声波中心测量频率分别为1kHz、3kHz、5kHz、8kHz、10kHz、16 kHz、25kHz、31.5 kHz、50 kHz、80 kHz及100kHz；声波信号穿过海底沉积物后，被原位测量设备的接收换能器接收，并存储在存储单元中；
S203.利用A架和船载地质绞车设备将原位测量设备从海底提升到船甲板上，完成一次原位测量；
S204.利用电脑连接原位测量设备的存储单元，将原位系统测量接收的信号导出，后续在电脑中对信号进行分析；
S205.基于公式（1）声波传播声压和距离计算沉积物的声速：
（1）
式中，V 原位为沉积物原位测量声速值，L1和L2为原位测量系统发射换能器和两个接收换能器的距离，∆L是声波在海底沉积物中传播的距离差，t1和t2为声波穿过海底沉积物到达两个接收换能器的时间，∆t为声波到达两个接收换能器的时间差；
S206.利用浅层剖面仪获取研究海域的海底浅层分层结构信息，得到50m以内的沉积物精细化分层结构q层，每层的厚度为h；
开展海底追踪，确定海底界面，然后划分详细的声学地层，从海底开始计算深度，根据近似垂直发射、垂直接收的双程走时，进行水深校正，并进而确定每层距离海底的深度；假设介质分层均匀，由换能器吃水深度dt，发射换能器与接收换能器间距d，利用剖面时深转换得到近似水深H0，以及各阻抗界面层深分别为H1，H2，...，Hq；假设实际水深为h0，实际地层埋深为h1，h2，...，hq，推算出校正后水深和每层深度分别为：
；
（i=1,2，...，q）（2）
S207.在研究海域，开展声传播实验，将垂直水听器阵列设置在测线的两端，然后从一端开始，利用拖曳换能器沿着测线依次间隔5km发射声波信号，发射频率设置30 Hz-20kHz，垂直水听器阵列接收到声传播信号并储存；在实验室中，利用全波场反演代价函数对采集的声传播信号进行地声参数反演，全波场反演代价函数为：
（3）
式中，m表示待反演参数向量，“*”表示复数共轭，N表示阵元个数，B表示频点数，K(m)为归一化因子，表示测量数据的互谱矩阵，/>表示拷贝数据的互谱矩阵，通过数值模拟研究匹配相关系数对海底分层厚度及地声参数的敏感性，选择敏感的参数进行反演，数值计算中近场采用波数积分SCOOTER模型；根据浅层剖面分析结果，选取建立海洋环境模型，确定待反演参数的搜索范围，建立待反演参数向量集，使用波数积分模型计算一定频带内的拷贝场；对实验数据进行脉冲压缩、FFT变换分析处理，得到相同频带内的测量声场；把拷贝场及测量声场代入代价函数，根据代价函数的收敛性，选择遗传算法或者全局网格搜索算法，对待反演参数在搜索范围内进行搜索，并用贝叶斯原理后验概率密度进行反演结果分析，得到最优解，从而获取海底沉积物30 Hz -20kHz的声学特性反演值，频点数为y，其中y包含两端点的频率；
S208.在原位测量站位，利用温盐深仪CTD、声速剖面仪SVP同步测量海水的声速，温度及深度三个参数，根据此三个参数，计算出海水的声速剖面。
4.根据权利要求3所述的浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法，其特征在于，所述反演声速值校正的步骤，包括：
S301.利用q层分层结构，其中第一层厚度与原位测量长度3m一致，结合Goupillaud等传输时间厚度分层模型，该模型下的冲激响应序列h(t)为
（7）
其中ri表示相邻两层间的反射系数，略去层间多次反射，冲激响应简化为：，则各层界面的反射系数为：
（8）
大掠射角近垂直的海底回波信号R(t)为水体中的直达波，s(t)和分层海底介质的冲激响应序列h(t)的卷积：
（9）
由直达波s(t)和反射回波R(t)利用改进的共扼梯度法抽取冲激响应序列h(t)，从而推算得到介质中各层间的反射系数ri，己知海底表面上方水体的声阻抗，逐层递推得到海底各层的声阻抗剖面；最后，利用声速和密度关系公式从反演得到的声阻抗剖面分离出沉积物每层的声速值，并给出反演误差和上下限，其中声速值为低频等价声速值，频率范围是30Hz-20 kHz；
S302.将反演得到的低频声速值中第一层1kHz-20 kHz的N个频点的反演声速值与原位测量声速1 kHz-20 kHz频点的声速值进行对比：
（10）
（11）
这里是低频反演校正因子，将N个频点的反演值与原位测量值进行对比，得到N个频点的低频反演校正因子，将N个频点频率与低频反演校正因子/>进行拟合，得到低频反演校正因子函数/>=Q（f），低频反演校正因子函数的频率范围是1kHz-20kHz；
S303.利用频率延拓，将低频反演校正因子函数=Q（f）的频率范围延拓到低频30Hz，得到30Hz-20kHz的低频反演校正因子；
S304.利用低频反演校正因子，将第一层反演的30Hz-20kHz声速值校正到原位测量值，同时给出校正值的误差上限及误差下限。
5.根据权利要求4所述的浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法，其特征在于，所述构建浅表层沉积物精细化宽频分层声速结构的步骤，包括：
S401.对于第一层3m内的沉积物，根据原位测量1kHz-100kHz的声速测量值，结合第一层反演校正后的30Hz-20kHz声速值，根据频率和声速值投点，构建一条频率与声速值的频散关系曲线Y1（f），这条曲线是第一层3m内沉积物的声速结构曲线，频率范围是30Hz-100kHz；
S402.结合步骤S3，获取除了第一层外的每一层沉积物在30Hz-20kHz频率范围内的反演声速值，并给出误差上限和下限，利用低频反演校正因子函数=Q（f），将反演得到的每一层的30Hz-20kHz的声速值校正到原位声速值，从而得到除了第一层外每一层的30Hz-20kHz的声速随频率的频散关系曲线Yi（f），i=q-1；
S403.根据获取的温度，声速，深度数据，绘制海水随水深变化的声速剖面曲线；
S404.将海水声速剖面曲线和海底沉积物声速分层结构画在一个结构示意图中，最上层是海水的声速剖面曲线，海水层下面是沉积物，然后沉积物分为q层结构，第一层是步骤S401构建的频散曲线函数Y1（f），从二层开始是步骤S402得到的每一层沉积物30Hz-20kHz频率范围内的声速随频率的频散关系曲线Yi（f）；综合以上得到浅表层海底沉积物的宽频分层声速结构，其中，第一层宽频是30Hz-100kHz，除了第一层外每一层的宽频是30Hz-20kHz。
6.根据权利要求5所述的浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法，其特征在于，测线的数量不少于2条。
7.根据权利要求5所述的浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法，其特征在于，每条测线的长度不少于50km。
8.根据权利要求1所述的浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法，其特征在于，n为不小于5的整数；y为不少于20的整数；q为大于2的正整数。
9.一种计算机装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储至少一个程序，所述处理器用于加载所述至少一个程序以执行权利要求1-8任一项所述的一种浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法。
10.一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，其特征在于，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行权利要求1-8任一项所述的一种浅表海底沉积物宽频分层声速结构构建方法。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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