（水声工程专业论文）海底散射模型与多波束混响信号统计特性研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a bs t r a c t m a n y r e s e a r c h e si nt h ef i e l do fs e a b e dm i n e r a lr e s o u r c e s ，m a r i n eg e o l o g y , u n d e r w a t e re n g i n e e r i n gg e o l o g y , m a r i n ef i s h e r y , u n d e r w a t e rc o m m u n i c a t i o na r e n e c e s s a r yt oa d o p te f f e c t i v et o o l sa n dm e t h o d st oc o m p r e h e n s i v e l yc h a r a c t e r i z e t h es e a f l o o ri n f o r m a t i o n m u l t i b e a mb a t h y m e t r i cs y s t e ma saw i d e - c o v e r a g ea n d h i g h - p r e c i s i o nw a t e rd e p t hm e a s u r e m e n td e v i c e ，c a nb ew i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l d o ft h ew a t e rd e p t hm e a s u r e m e n t ，t h em e a s u r e m e n to ft h es e a f l o o rt o p o g r a p h y , s e d i m e n tc l a s s i f i c a t i o na n do t h e rf i e l d s s e a f l o o rb a c k s c a t t e rs t r e n g t ha n ds i g n a l e n v e l o p ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nh a v ep l a y e d a ni m p o r t a n tr o l ei n d e t e c t i n g s e a f i o o ra c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i c sb ym u l t i b e a mb a t h y m e t r i cs y s t e m t h e r e f o r e ，t h i s p a p e rr e s e a r c h e st h et w oc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sf r o mt h ea s p e c t so ft h e o r e t i c a l a n de x p e r i m e n t a l ，a n dm a i n l yt oc o m p l e t et h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) i n t r o d u c ej a c k s o ns c a t t e r i n g m o d e lt or e s e a r c ht h eh i g h 一厅e q u e n c y a c o u s t i c s c a t t e r i n gp r o b l e m ，a n db y n u m e f i c a l s i m u l a t i o n ，a n a l y s i s t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nb a c k s c a t t e r i n gs t r e n g t ha n dd i f f e r e n tf a c t o r ss u c hg r a z i n g a n g l e ，s e d i m e n tt y p e ，f r e q u e n c y , s o u n dv e l o c i t y , s e a b e de n v i r o n m e n ta c o u s t i c p a r a m e t e r s ( 2 ) a n a l y z et w or e v e r b e r a t i o ne n v e l o p ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nm o d e l s ( r a y l e i g hd i s t r i b u t i o nm o d e la n dkd i s t r i b u t i o nm o d e l ) b yt h e o r e t i c a l ，a n d a n a l y s i skd i s t r i b u t i o np a r a m e t e re s t i m a t i o nm e t h o dw h i c hu s e di nt h i sp a p e ra n d i t se s t i m a t e dp e r f o r m a n c e f o c u so nt h e c o m p l e t i o no fm u l t i b e a ms e a f l o o r r e v e r b e r a t i o ns i m u l a t i o ns ot h a te a c hc h a n n e lr e c e i v e ds i g n a le n v e l o p eo b e yk d i s t r i b u t i o n ，a n du s et h ep h y s i c a lm e a n i n go fs p e c i f i cj a c k s o ns c a t t e r i n gm o d e lt o c a l c u l a t et h ec o n t r i b u t i o no fb a c k s c a t t e r i n g s t r e n g t h f i n a l l g e x a m i n et h e p e r f o r m a n c eo fs i m u l a t e ds i g n a lf r o mt h ef o u ra s p e c t so ft h ew a v e f o r m ，e n v e l o p e p r o b a b i l i t yd e n s i t yd i s t r i b u t i o n ，t e m p o r a lc o r r e l a t i o na n ds p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c s ( 3 ) p r o c e s st h es i m u l a t i o no fm u l t i b e a mr e v e r b e r a t i o ns i g n a lb yb e a m f o r m i n gm e t h o da n dg e tb a c k s c a t t e rs i g n a l sf r o mm u l t i p l ea n g l e s a r e rt h a t ， 哈尔滨_ 程大学硕+ 学位论文 e s t i m a t et h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o no ft h ee n v e l o p eo ft h e s es i g n a l sa n da n a l y z e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n c i d e n c ea n g l e ，t h en u m b e ro fs c a t t e r e r s a n d d i s t r i b u t i o np a r a m e t e r s t h er e s u l t sf r o mt h et r e a t m e n ta r et h a tt h es i g n a le n v e l o p e d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c ss i m i l a rt ot h ekd i s t r i b u t i o n ，a n dt h ed i s t r i b u t i o n p a r a m e t e r sc h a n g e sw i t ht h ei n c i d e n c ea n g l ea n dt h e n u m b e ro fs c a t t e r e r s ( 4 ) i n t r o d u c ee x t r a c t i o nm e t h o do fb a c k s c a t t e r i n gs t r e n g t hd a t af r o mt h e m u l t i b e a mb a t h y m e t r i cs y s t e md a t a ，a n de x t r a c tb a c k s c a t t e r i n gs t r e n g t hc h a n g i n g w i t ha n g l ef r o mt h ee x p e r i m e n t a ld a t a , a n dc o m p a r ei tw i t ht h et h e o r e t i c a lm o d e l ； p r o c e s st h ee x p e r i m e n t a ld a t ab ym u l t i p l eb e a mf o r m i n gm e t h o da n de s t i m a t et h a t t h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o no ft h eb e a md i r e c t i o no fd a t aa n da n a l y z et h ei n c i d e n c e a n g l ed e p e n d e n c eo fd i s t r i b u t i o np a r a m e t e r s t h er e s u l t sf r o mt h et r e a t m e n ta r e t h a tt h ee x p e r i m e n td a t ad i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c ss i m i l a rt ot h ekd i s t r i b u t i o n ， a n dt h ed i s t r i b u t i o np a r a m e t e r sc h a n g ew i t ht h ei n c i d e n c ea n g l e k e yw o r d s ：m u l t i b e a mb a t h y m e t r i cs y s t e m ；b a c k s c a t t e r i n gs t r e n g t h ；s e a f l o o r r e v e r b e r a t i o n ；p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nm o d e l ；kd i s t r i b u t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：徐建墨 日期：印叩年弓月r 7 曰 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：彳余超导师( 签字) ：侧u 日期：幻口，年3 月，日缈7 年多月，7 日 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 随着海洋工程建设、海底资源开发、海洋渔业、水下通信以及港口、航 道建设和海底管线路由调查等各项事业的发展，人们愈来愈要求对海底沉积 物的地质属性有全面的了解，而声学方法则是对海底进行探测的最有效、快 捷的手段。另一方面，随着现代声纳技术的发展，水声学家需要知道海底的 声学特性对声波在海洋中传播的影响，海底已成为当今水声学家们一个重要 的研究对象。 多波束测深系统是上世纪7 0 年代发展起来的新一代水深测量技术，能精 密测定海底一定条带范围内的水深地形。除了水深测量之外，多波束测深系 统在海底特征描述、底质分类方面也存在着巨大的潜力。由于多波束测深系 统大多采用有效的束控技术和信号处理方法，波束角被大大地缩小，从而形 成一系列窄波束，极大地提高了系统对海底目标的识别和分辨率，从而能更 加精确的得到海底特定区域的声学特性：另外，由于在一个扇面内形成多个 具有不同入射角的波束，使得多波束测深系统除了可以得到近垂直入射的声 波外，还可以得到多角度散射信号，信息量大，尤其是它可以得到较大面积 海底表层沉积物的信息，这将提高遥感海底特征的效率。目前用多波束测深 方法遥测沉积物己积累了一定的经验，又由于它是同时结合水深地形的精密 测量进行，因此它可望有较高的准确度，也有很好的发展前途。 在应用多波束系统进行的海底声学特性研究中，特征信息的获得与研究 是非常重要的课题。多波束系统通过多波束形成技术获得多个具有不同入射 角的波束，使得多波束系统除了可以得到近垂直入射的声波外，还可以得到 多角度反向散射信号。这些不同方向的信号携带了大量的海底特征信息，因 此合理地利用反向散射信号的统计特征量，可以广泛将其应用于目标探测和 海底特征描述中。在诸多特征量中海底反向散射强度和海底回波包络概率分 布特性是非常重要的两个研究对象。 一方面，海底反向散射强度是描述海底声学特性的重要参数，它是利用 多波束测深系统进行海底声成像、海底地貌测绘工程中重要的信息载体，也 哈尔滨工程大学硕士学位论文 是用声遥感法进行海底底质分类的重要特征量。通过获取海底反向散射强度 等声学特征量对海底的表面特征和海底底质特征进行遥感经济、快捷。尤其 是进行大面积海底地质规律探测时更加显出其优越性。而海底界面是一个非 常复杂的物理体，为利用多波束测深系统对海底沉积物及其声学特性研究有 着更加精确的认识，海底声散射理论的研究起到非常重要的作用。 另一方面，概率分布是混晌统计特性( 如，概率分布，相关特性，能量谱) 研究中一重要特征信息。除了目标探测的目的外，海底回波概率分布已广泛 用于多波束系统的底质分类研究中。 由于k 分布模型与传统的瑞利分布模型相比能更加合理地描述多波束测 深系统各角度散射信号的统计特性：且k 分布混响模型是建立在物理模型上， 即通过混响的物理过程获得其概率密度函数，所以对k 分布的研究有利于对 声反向散射现象提供一种物理解释。因此，如果合理将k 分布和海底声学参 数间建立联系，可有效地应用于海底目标的探测、海底底质分类及特征描述 的研究中。 1 2 多波束测深系统概述 多波束测深系统是当代海洋基础勘测中的一项高新技术产品，利用安装 在船底的换能器阵，以某固定频率向探测水体广角定向发射声波，并通过换能 器阵多通道接收声反射和声散射信号，根据声速剖面通过时空换算获取水体 下伏介质的高密度条幅式水深、幅度和反向散射数据。与传统的单波束测深 不同的是：多波束测深获取的是海底的高密度、高精度、全覆盖条幅式数据， 极大地提高了工作效率。 多波束测深系统在一次信号发射中测绘一个连续( 或间隔很小的) 海底区 域，通常是横向的一些点条，该区域称为条带。横向的宽度称为条带宽度。 条带宽度可用扇面角度来衡量，也可以用随深度而变的物理尺寸( 例如在某深 度下，宽度为深度的几倍) 来度量。一个条带内各点的深度数据可以在最远角 度所对应的海底回波到达换能器的时间内获得。构成多波束接收的情况如图 1 1 所示。 一般说来，目前多波束测深系统的主要用途是测深，同时兼有侧扫声纳功 能。但各厂家在设计原理上各有不同。概括起来有振幅检测、相位检测和二 2 哈尔滨下程大学硕+ 学位论文 者结合三种。应该说，多波束测深系统最初是由单波束回声测深仪发展而来 的，采用的是振幅检测原理，对中间波束而言，因其振幅强而更易于检测， 而对； i - n 波束而言，因其信号散射变弱而使检测效果较差。因此后来出现的 以相位检测即相干声纳为设计原理的多波束测深系统，正好弥补了它的缺陷。 船前进方向 接收 图1 1 多波束接收示意图 从测深技术的发展来看，多波束测深技术尽管经历了短短三四十年的发 展，其研究和应用已达到了较高的水平，特别是近十几年，随着电子、计算 机、新材料和新工艺的广泛使用，多波束测深技术已经取得了突破性的进展。 主要表现为m ： ( 1 ) 全海深测量技术的发展。多波束是一种窄波束测深系统，受换能器 结构设计、声脉冲信号处理的限制，长期以来，存在着系统庞大、扇面开角 和扫海幅度都较小的问题。随着换能器设计结构的不断改进和信号处理技术 的进一步完善，现有系统的扇面开角扩大到1 5 0 。，实现了真正意义上的全覆 盖式测量。此外，系统可应用于深水、中深度和浅水测量中，实现了全海深 测量。许多新型系统还采用双频、变脉冲发射技术，达到了一机多用的效果。 ( 2 ) 高精度测量技术的发展。根据测量扇面内波束传播距离的特点和单 一底部检测的缺陷，许多厂家采用了振幅和相位联合检测技术，保证了测量 扇面内波束测量精度的大体一致。为了保证中央波束和边缘波束分辨率的一 致，一些厂家将等角和等面积发射模式应用于新型的多波束系统，使得中央 波束脚印面积同边缘波束相近，测点间距基本一致，保证了成图质量。 ( 3 ) 集成化与模块化技术的发展。多波束测深系统是计算机技术、导航 哈尔滨下程大学硕士学位论文 定位技术以及数字化传感器技术等多种技术的高度组合。现代多波束测深产 品实际上已经发展成为由声学系统、波束空间位置传感器子系统以及数据采 集与处理系统组成的综合系统。 ( 4 ) 高分辨率测量技术的发展。未来的一段时间内，多波束系统在系统 研制方面将主要集中在仪器结构和性能两个方面。在仪器结构方面，将向更 小的体积和重量、更高的集成度以及更灵活的安装和维修方向发展；在仪器 的性能方面，将趋于更可靠、更稳健，同时在确保测深密度和精度的前提下， 提高系统的分辨率，改善系统的成像质量，进而达到取代侧扫声纳的目的。 ( 5 ) 底质分类技术的发展。国外很早就利用多波束测深系统数据进行海 底底质分类识别方面的研究，特别是在2 0 世纪八九十年代已有很多的有关资 料。1 9 9 0 年杜克大学的a l e x a n d r o u 和p a n t z a 比i s y 【习应用神经网络方法对海底底 质分类进行了研究，1 9 9 3 年挪威计算中一l q 约h u s e b y t m 等利用多波束测深系统 测量反向散射强度数据对海底底质进行特征提取和统计分类研究。而在国内 对于多波束测深系统的海底声像图生成处理及底质分类等方面的研究还处于 起步阶段一1 。 在研究各种分类方法中，特征提取是非常重要的一个环节。多波束的反 向散射强度可以理解为海底介质回波反射和散射的反应，它依赖于声波入射 角、海底粗糙程度、沉积物的声学参数( 如密度、声速、衰减、散射等) 以及 声波在水体中的传播。提取出每个波束的反向散射强度值，通过数据预处理， 获得纯粹反映海底底质特征的反向散射强度值，就可以用于海底沉积物分类。 此外，回波幅度的直方图也是利用多波束方法提取的声学特性进行海底底质 分类时的一种传统方法p ，。 声学海底分类方法的缺点是海底沉积物的声散射反演理论比较复杂，已 有的反演模型还不能给出满意的结果，因此有关的研究成为声学界和地质测 量界的研究热点之一l 们。 1 3 国内外研究现状 由于海底声散射以及混响统计特性在工程应用中具有重要作用，因此， 国内外科研人员在海底散射模型建立，海底混响仿真以及海底混响统计特性 的研究与应用等方面中做了大量的工作。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 1 海底散射模型的研究 海底声散射是个非常复杂的过程，海底的不平整性、海底坡度、沉积物 的类型等，都会对散射产生影响。为了预报混响或从已测量的数据中分析海 底的声学特性，采用合理的模型来计算海底散射非常关键。 因此国内外有很多人都对海底散射作了大量的研究。h o l l a n d 和 n e u m a n n p l 提出了一种海底散射建模方法，反映当海底对散射过程起作用时现 场观测数据的非正常现象。d a l ed e l l i s 等人哆1 结合l a m b e r t 法则和k i r c h h o f f 近似理论得到一个三维散射函数，并用此函数计算收发分置混响。国内许多 学者也对海底散射机理做了大量的研究，如李风华的论文【川中讨论了一些常 用的海底散射模型；彭朝晖等人0 1 结合i v a k i n 等的射线管积分法和h i n e s 的 复射线最速下降法，提出了一个计算随机非均匀海底和海底粗糙界面引起的 平面内海底散射模型。 1 9 8 6 年j a c k s o n 等人【1 提出了一种应用了复合粗糙模型的高频海底散射 模型( 参考国外文献称谓，在本文中简称为j a c k s o n 散射模型) 。之后对此模 型进行改进并相继做了大量的海上试验加以验记1 2 1 ”，收到了满意的效果。由 于此模型得到了大量的试验数据的验证并为高频声波的海底反向散射的物理 过程提供了一个比较合理的描述，所以得到广泛的应用。如，s t e v es t a n i c 等 人【嘲将试验测得的数据结果与多个散射模型进行比较分析，认为此模型计算 的结果在不同条件下都能更加合理地反映真实数据；j o h nr p r e s t o n 1 7 1 在其论 文中基于此模型对利用浅海混响数据反演海底地声参数问题进行研究； l u c i a n of o n s e c a t 幅聊在其论文及发表的文献中将此模型与气泡散射贡献相结 合，解释气态沉积物( g a s s ys e d i m e n t s ) 的高频声反向散射问题；p j m u l h e a m t 硎利用此模型对测深系统近垂直方向的海底反向散射问题进行研 究；d em o u s t i e r 等人川利用此模型对1 2 k h z 的多波束测深系统的海底反向散 射强度数据进行理论解释。 1 3 2 海底混响仿真技术 海底混晌仿真是声纳仿真技术中的一个重要研究领域，涉及研究内容十 分广泛。水声设备在研制过程中由于受到各个方面条件的制约不可能经常进 行海上或湖上试验，一般利用模拟器作仿真实验来代替；而且，以海底混响 s 哈尔滨_ t 程大学硕士学位论文 仿真为基础也可以研究海底混响信号统计特性的变化规律。 长期以来，国内外学者对海洋混响的模拟做了大量的研究，提出了很多 的理论模型，主要的有单元散射模型和点散射模型。其中用的较多的是单元 散射模型。如混响谱模型( r e o d ) 就是以单元散射法为基础，模拟海面 混响、海底混响和体积混响的计算模型。 近年来，国内许多水声学家对海洋混响，尤其是海底混响的仿真做了大 量的研究与应用。如，方世副冽研究了线形预测技术在主动声纳海洋混响信 号仿真中的应用，并给出了混响仿真序列的序贯产生方法；蔡平等人口习研究 了基于混响网络模型的仿真的具体仿真实现，并对仿真结果进行了诸如统计 特性、时空相关特性和频谱特性的检验；王新晓等人网对海洋混响仿真技术 进行研究，解决了混响仿真中窄带滤波器设计和混响包络曲线确定等技术难 点；赵申东等人【驺1 提出了一种直观，易于实现的方法完成多通道声纳混响信 号的仿真，采用空间非均匀方式分布散射元，直接对散射元的回波信号进行 迭加。仿真综合考虑了多种影响混响的因素，包括发射信号本身的参数，声 纳平台的运动，海洋环境等；为弥补声相关计程仪工作原理只能利用几何关 系描述的不足，文献 2 6 】以声纳方程为基础，采用k i r c h h o f f 近似模型，研究 了基于混响网络模型的海底回波仿真；中国科学院声学研究所蒯多杰等人p 利用比较成熟的f o m 模型对海底混响进行仿真，以此为基础研究不同底质 混响空间相关函数的波形变化规律并通过海试数据进行验证。 为便于多波束测深系统的设计以及测深算法的研制，文献 2 8 】提出了一 种海底混响仿真工程实现模型。它是基于单元散射的理论，通过模拟海底混 响形成的物理过程实现仿真；文献 2 9 通过分析路径衰减、海底混响和海水 不均匀水团等因素对声信号幅度的影响，以及声速剖面对声速的影响，建立 了一种频率为2 0 0 k h z 的高频多波束测深回波信号模型。 1 3 3 海底混晌统计特性研究与应用 由于散射体本身的不规则性，照射的声能会向四面八方发散出去，这就 是声波散射现象。所谓混响，是指海洋中各种散射体所散射的声能在接收点 迭加的结果。根据海洋中散射体的特征，人们把海洋混响分为体积混响、海 面混响和海底混响三种。对于多波束系统而言，海底混响不属于干扰噪声， 6 哈尔滨工程人学硕士学位论文 而属于需要被检测的信号，因为多波束系统中大部分波束接收的是反向散射 信号，只有少数中央波束接收反射信掣如1 。 混响是存在于海洋中的大量不均匀性对声波的散射所形成的，这些不均 匀性在海中的分布是完全无规的，每个不均匀性的散射声波的相位也是随机 的。所以，作为大量的这种散射波迭加总和的混晌，仍是一个随机过程。因 此，混响信号的分析一般采用统计的方法，研究反映随机过程本身特性的统 计参量。对混响统计量如概率分布、相关特性、能量谱等方面的研究可以为 声纳设计师们提供有用的数据；同时，由于这些统计参量中蕴涵着大量海洋 的信息，所以提取这些信息特征也可以为探测海洋环境提供帮助。 在多波束数据的分析与应用中，概率分布是较为常用的一个统计参量。 如，利用回波幅度数据的直方图进行海底底质分类就是单波束或多波束系统 的一种传统的底质分类方法；文献 3 1 1 认为海底反射信号的振幅的概率密度 函数的形态与海底多金属覆盖率的分布之间存在对应关系，并因此利用多波 束测深系统振幅数据对海底多金属结核进行探测研究。 随着高分辨声纳的发展，海底反向散射信号包络分布的描述与建模工作 也不断增加。大量的试验研究表明实际信号包络概率密度函数后端有较长的 拖尾现象而不同于传统的瑞利分布模型，由此，许多非瑞利混响模型被相应 提出，主要包括：k 分布，瑞利混合分布，w e i b u l l 分布，l o g - n o r m a l 分布模型 等。其中，对k 分布混响模型的研究与应用较为广泛。 文献 3 2 1 在将浅海混响建模为多变量椭圆轮廓分布的基础上，分析了实 际混响数据的统计特性，实际数据分析表明，k 分布比瑞利分布能更好的拟 合混响包络的分布：文献 3 3 从k 分布和瑞利混合分布两种典型的分布出发， 分析混响统计特性，解释导致在检测过程中虚警概率增大的原因，并比较这 两种分布对接收机性能的影响；文献 3 4 1 在海底混响信号的统计特性分析研 究中，对湖试数据进行了回波信号时域和波束域的统计特性分析，从处理结 果中得出海底高频混响信号时域和波束域的幅度分布特性都近似于k 分布的 结论。a b r a h a m p 习从海底散射的物理现象出发，提出并证明了有限个幅度服从 指数分布，相位服从均匀分布的复随机变量之和的模服从k 分布，而且从波 束数据中对k 分布参数进行估计；之后他p q 对混响包络k 分布统计特性与声纳 系统发射声带宽、散射元尺寸间的关系进行研究。l a u r e n th e l l e q u i n p 刀p 卅通过 7 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 对由多波束测深系统得到的各方向波束数据统计特性进行分析，认为其可用 k 分布较好地拟合，并且k 分布参数估计大小与入射角有着密切的关系。文献 3 9 和1 4 0 对多种沉积物类型的多波束测深系统各方向波束数据进行统计检 验与参数估计，得到了不同底质条件下，随入射角变化的k 分布参数曲线。 1 4 论文主要研究内容 本文以j a c k s o n 散射模型为基础分析海底反向散射强度与各种影响因素 的关系，并重点研究多波束测深系统波束域信号包络概率分布特性。主要研 究内容如下： 第一章：通过对多波束测深系统及其应用的介绍以及海底散射模型、海 底混响仿真技术、混响统计特性研究等问题的研究现状综述，分析本论文所 研究内容的意义。 第二章：引入j a c k s o n 海底散射模型对海底声散射问题进行理论及仿真 研究。主要分析掠射角、沉积物类型、频率、声速、海底环境声学参数等因 素变化对海底反向散射强度的影响。 第三章：首先介绍了混响包络概率分布模型( 瑞利分布模型和k 分布模 型) ，并采用二、四阶矩估计方法对k 分布参数进行估计，同时对此方法的 估计性能进行分析。本章重点完成多波束海底混响的仿真工作。为使各基元 接收信号包络满足k 分布特点，本文引入a b r a h a m 提出的非瑞利混响和杂波 的仿真方法：同时海底反向散射强度由j a c k s o n 散射模型计算得到；并充分 考虑海底深度、海洋传播损失等因素的影响，使得仿真结果更接近于实际海 洋情况。最后，从仿真信号波形、信号包络概率密度分布、时间相关特性和 频谱特性方面检验仿真效果。 第四章：以第三章仿真的多波束海底混响信号为基础，对其进行多波束 形成处理，估计各波束方向信号包络的概率分布，并分析入射角、散射元个 数对其分布规律的影响。 第五章：对由多波束测深系统采集的松花湖和莫干山水库两次试验数据 进行研究。首先，得到多角度的湖底反向散射强度数据，并将其与理论情况 比较分析。其次，对波束形成后的各波束方向输出信号包络的概率分布情况 进行估计，并分析入射角对分布参数的影响。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章海底散射模型理论研究 海水与海底之间的粗糙界面和海底沉积层内的非均匀介质能引起声波散 射而产生海底混响。而对于多波束系统而言，海底混响不属于干扰噪声，而 属于需要被检测的信号。由于多波束系统在记录海底水深的同时也记录下了 海底回波的幅度信息，使得利用多波束系统得到海底声学特性成为可能。为 了从多波束系统记录的数据中分析海底的声学特性，采用合理的模型来计算 海底反向散射非常关键。 本章主要研究j a c k s o n 等人提出的单基地高频海底散射模型( 参考国外文 献称谓，在本文中简称为j a c k s o n 散射模型) ，分析反向散射强度与掠射角、 频率、海底环境声学参数等模型输入参数间关系。该模型结合几种近似方法 并对其进行适当的修正，为海底反向散射的物理过程提供了一个合理精确的 描述；而且该模型主要描述海底高频声的反向散射并反映了从大掠射角n d , 掠射角大角度变化范围的散射情况。因此适合解释海底声散射特性对多 波束数据的影响，并能为利用多波束测深系统遥感海底地物的物理属性等方 面的研究提供一定的理论基础。 2 1j a c k s o n 散射模型 海底散射通常是由海水与海底之间的粗糙界面和海底沉积层内的非均匀 介质引起。因此，任意时刻由粗糙界面引起的散射和沉积层内非均匀介质引 起的体积散射是声纳系统接收到的海底混响的主要贡献( 如图2 1 所示，包括 海水和海底界面的折射和散射以及沉积层内的声吸收和散射) 。j a c k s o n 散射 模型就是根据这一机理将海底散射分为两部分来讨论。 并且该散射模型假设海底界面的起伏分布为各向同性的两维高斯随机过 程，海底沉积物为单一物质，其两维谱的形式可表示为： r1、， w ( k 口) = i _ i ( 2 1 ) l 月o a 一 式中，为参考长度( 取h o = lc m ) ；7 和分别为两维海底界面的谱指数和 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 谱强度。： 4 k c o s 2 ( o ) + ( k l o ) 2 r 一，其中秒为掠射角，忌：2 石旯为波数。 v o l u m es c a t t e r i n g 图2 1 海底声散射示意图 2 1 1 模型的输入参数 模型的输出反向散射强度是频率和角度的函数，除此之外，散射模 型中还用到的6 个海底环境声学参数( 见表2 1 ) 。 表2 1 海底环境声学参数 符号定义简称 p 海底沉积物密度和海水密度之比密度比 v 沉积物中声速和海水中声速之比声速比 万 沉积物中虚波数和实波数的比率损失参数 y 两维海底界面的谱指数谱指数 8 两维海底界面的谱强度谱强度 0 2 沉积层体积散射系数与沉积层吸收系数之比体积参数 大多数情况下，沉积物表面参数p 、u 、万、y 、是未知的，由此m o u r a d 和j a c k s o n 研究了这些参数和沉积物颗粒大小的对数值m z 间的经验性关系， 以便于在以上参数未知情况下由粒径m z 进行估算。其中， m z = - l 0 9 2 ( d d o ) = 一3 3 2 1 0 9 l o ( d d o ) ( 2 - 2 ) 式中：d 为沉积物颗粒大小的均值：d 。为参考长度，通常为l m m 。在1 m z 9 时，上述六个参数可以通过m z 来确定，其具体关系式可参见文献b 3 。 l o 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 海底底质参数主要包括：海底界面粗糙度、沉积物类型、沉积物密度、 沉积物粒径、沉积层孔隙度、压缩波波速衰减、切变波波速与衰减等。而沉 积物粒径是海底底质最重要的参数，海底界面的粗糙程度随着沉积物颗粒大 小的增加而增大，因此海底沉积物通常按照粒径的大小进行分类，大致可分 为p ：砾石、砂、粉砂、粘土四种，其中砂、粉砂、粘土由可细分为粗砂、 中砂、细砂、极细砂、粉砂质砂、砂质粉砂、粉砂、粘土质粉砂、粉砂质粘 土、粘土等。 j a c k s o n 等人将海底沉积物类型与海底环境声学参数间建立联系，有利于 通过海底声散射特性对海底地物信息进行认知。附录( 附表1 ) 中给出了海底沉 积物类型、平均粒径以及对应的海底环境声学参数取值，本文的数值仿真工 作也将参考这些取值进行。 2 1 2 反向散射强度计算 u r i c k h 2 1 用反向散射截面的分贝形式定义了海底反向散射强度s ( 秒) ， j a c k s o n 散射模型中将此反向散射截面分成两部分： s b ( 8 ) = l o l o g l o 盯，( 乡) + 盯，( 护) 】 ( 2 3 ) 其中盯，( 秒) 为由粗糙界面散射引起的单位面积单位立体角对应无量纲的 散射截面；1 7 。( 秒) 为由沉积物体积散射引起的单位面积单位立体角对应无量 纲的散射截面。 2 1 2 1 粗糙界面散射 在计算粗糙界面散射引起的散射截面时，应用了三种不同的近似方法。 对于光滑和中等粗糙的海底( 如，粘土、淤泥、沙子) 而言，当为大掠射角入 射时采用k i r c h h o f f 近似计算散射截面：其它所有掠射角时采用基于微扰法的 复合粗糙度近似( c o m p o s i t er o u g h n e s sa p p r o x i m a t i o n ) ；对于海底为岩石、砂 砾等大粗糙度时，上述模型都满足不了要求，采用一经验表达式来计算大粗 糙度散射截面( l a r g e r o u g h n e s ss c a t t e r i n gc r o s ss e c t i o n ) 。而最终的粗糙界面 散射引起的散射截面万，( 口) 由以上三个近似方法逐一内插计