声学与海洋沉积学交叉领域的研究

声学与海洋沉积学交叉领域研究可分为“沉积层声学特性的研究”、“海底高频声散射或低频声反射与底质类型之间关系的研究”、“回声参数反演海底类型技术”和“海底回声图象识别海底沉积类型技术”4个方面的研究,较详细论述了4个方面的国内外研究现状,最后提出了该领域进一步研究的战略思路。     

海底沉积物声学特征定量分析及其智能分类研究

海底底质特性描述及分类是当今浅海声学的研究热点,海底沉积物的物理结构特性与其声学响应特征密切相关。在分析海底沉积物声传播特性的基础上,应用现代计算机信号分析技术手段,对海底沉积物声学响应波形提取了4个特征参数:声速、波幅指数、波形关联维分形指数和声波频谱的频率矩。以这4个特征参数作为输入向量,海底沉积物的结构类型作为输出向量,建立径向基概率神经网络模型。研究表明建立的神经网络模型具有较强的海底沉积物分类预报能力。     

海底底质声学原位测量电路控制系统研究

介绍了一种液压驱动贯入式海底沉积声学原位测量系统的电路控制单元的研究实现过程,以及该控制单元在南海北部海底沉积声学调查中的应用。该电路控制单元以Cortex-A8处理器为核心,集成大容量FLASH存储器,与单片机接口控制板进行串口通讯,实现对声学发射采集单元和机械液压贯入单元的可视化控制和监测。基于该电路控制单元,海底底质声学原位测量系统兼具自容式和在线式两种工作模式,可自容记录或实时采集声学原位测量单元在海底的工作状态数据、海底沉积物声速和声衰减系数等声学特性数据。该声学原位测量系统的实验室联调及南海海试结果表明,使用该电路控制单元对海底底质声学测量过程的监测与控制是有效的,对精确获取海底底质的原位声学特性有重要作用,可以促进海底底质声学原位测量系统的产品化。     

基于浅剖数据的海底底质分类研究与应用

海底浅部沉积物声学研究是海洋地质、水下工程地质、海底矿产资源、军事地质等领域重要的研究内容,海底底质的识别与分类是海洋科学研究的热点问题。相比多波束探测仪,浅地层剖面仪的声源发射频率更低,具有穿透底质能力强的特点,这一特性更有利于进行准确和可靠的海底底质分类。通过浅剖数据进行底质分类技术研究,有望实现目标研究区面向全海域的海底底质分类推广应用。本文在浅剖数据振幅校正处理的基础上,消除了不同采集时间及采集参数对浅剖数据振幅一致性的影响,在层位约束下提取均方根振幅属性,进行研究区海底底质类型识别。初步的取样结果表明：研究区有2类不同的底质类型,分别为黏土和粉砂质黏土。本文对浅剖数据的底质分类结果分区明显且自然,在不同类型底质区的取样处对应不同的均方根振幅强度,黏土取样区的浅剖振幅属性为强振幅,粉砂质黏土取样区的浅剖振幅属性为弱振幅,底质分类结果与地质取样匹配良好。利用本文的浅剖处理与属性提取方法能够有效地实现海洋底质分类。     

海底沉积声学的发展——Ⅰ.海底沉积物的声学特性

近年来海洋开发的规模迅速扩大,不论是海港建设,海上石油平台的建立,水下输油管的布设,处处都要求掌握海底工程地质的情况。但海中钻探取样非常费工费时,多年来人们一直在探索用其他简便方法来代替或辅助。声学方法就是一种很有前途的方法。沉积声学就是应这种需要和在水声学、海洋地质学与海洋土力学等几方面配合下发展起来的一门新兴学科。美国海军研究署在1973年召开了海洋沉积物声学会议。北大西洋公约组织反潜战研究中心在1980年开了一个与海底相互作用的海洋声学会议。今年在伦敦召开了声学与海底国际会议。这几个会都是几方面结合的会议,说明这门学科的发展受到各方面的重视。     

海底沉积物声衰减研究现状及展望

根据近年来海底沉积物声学物理研究发展的态势,介绍了与研究声衰减有关的海底沉积物样品采集装置和海洋沉积物声速结构模式,综合解析多种对海底沉积物声衰减等声学特性研究方法,并做出较为详细地比较和讨论,提出对海底沉积物声衰减研究在满足科研要求的同时也应符合国家标准和要求。同时,指出了研究海洋沉积物声衰减的必要性和重要性,强调了对海底沉积物声衰减研究的科学意义和应用意义。     

中国东南近海海底沉积物声学物理性质及其相关关系

在获得的数据资料基础上,发现了中国东南近海海底沉积物声学物理参数的平面分布规律,通过对这些参数的回归分析以及对声速和沉积物密度的估计,建立了经验公式。结果显示,中国东南近海海底沉积物的基本声学物理特性如下:沉积物类型多样而且复杂,从黏土到砂砾有13个颗粒组分组合;沉积物物理力学参数变化范围较大;沉积物声学性质相对于附近海域的数据变化范围更大。这些都与海底沉积环境、沉积物来源、沉积条件和沉积作用过程有关。该项研究有助于建立海底地声模型及开展应用。     

基于多维度声学特征优选的多波束海底底质分类

海底表层底质分布信息的准确获取在构建海洋基础地理数据库中发挥着重要作用。目前,多波束是实现大范围海底底质分类的有效手段之一,基于多波束测深和反向散射强度数据所派生的声学特征被广泛应用于底质分类建模。然而,随着特征维度的增加,特征空间中存在的无关和冗余特征严重影响底质分类精度。为了定量评估声学特征对底质类别的表征能力,并消除无效特征对分类结果的干扰,本文提出了基于多维度声学特征优选的海底底质分类方法。首先,结合实际底质样本的物理属性对多维特征进行排序和优选,排除冗余和无关特征。其次,分别应用支持向量机、随机森林和深度信念网络构建海底底质监督分类模型。通过利用爱尔兰海南部多波束调查数据和实地取样信息进行试验,结果表明提出方法对海底底质的总体分类精度和Kappa系数分别最高达到了86.20%和0.834,相较于主成分分析和熵指标特征选择方法有明显提高,突出了该方法在海底底质探测及制图的应用潜力。     

关于海底沉积物声特性实验室直接测量方法的探讨

海底沉积物声学特性实验室测量是除原位(in situ)测量之外最直接的沉积物声学特性测量方法。作为一项基础性研究,利用声波参数仪准确测量海底沉积物的声速和声衰减对建立海洋地声学模型具有重要意义。文章针对RS- ST01C型数字超声测试仪在测量过程中所存在的一些问题进行了探讨,对规范海底沉积物声学特性实验室测量方法具有实际意义。     

全海深海底沉积物力学特性原位测试技术

海洋开发已经步入全海深时代,迫切需要获取全海深海底沉积物力学特性。由于海洋工程地质环境的特殊性,尤其是深海,常规取样难度较大,并且会扰动原状土体,海底沉积物原位测试成为海底工程勘察的重要手段。介绍了静力触探测试、十字板剪切测试和全流动贯入测试等海底沉积物力学特性的原位测试方法;归纳总结了影响原位测试结果的因素主要包括水深、底质类型以及解析方法等;重点介绍了一种全海深海洋探索技术"深海着陆器";展望了全海深沉积物力学特性原位测试技术面临的机遇与挑战。     

频谱分析技术在沉积声学研究中的应用

海洋沉积声学研究是水声学、地声学及海洋地球物理学(尤其是人工地震方面)等学科密切相关的一个重要研究领域。然而,它是从测量分析研究沉积物声速方面入手的。目前,对沉积物声速测量的手段除了反射法和折射法以外,还有室内测量法等)。本文计论了电学计算机配合频谱分析技术在测量沉积物声速上的应用研究结果。     

菲律宾海深海海底沉积物声学特性与物理性质相关关系

为研究深海海底沉积物声学特性与物理性质相关关系,于2016年11月在实验室对水深3164～5 592 m的菲律宾海深海海底沉积物柱状样品的声学特性进行测量,获取了沉积物声速、声速比、声阻抗、声阻抗指数等声学特性参数。结合沉积物的孔隙度和密度等物理性质参数,分析了海底沉积物声速、声速比、声阻抗、声阻抗指数与孔隙度、密度的相关关系,建立了该海域海底沉积物声学特性回归方程。研究结果表明:研究区深海数据与浅海回归方程符合度较差,与深海回归方程符合度较好;Hamilton校正方法有助于修正实验室测量引起的温度和压力误差,声速比与Hamilton方程符合度比声速好;声阻抗和声阻抗指数与物理性质参数的相关性优于声速和声速比。此外,研究认为由于海底沉积物的沉积环境较为复杂,其声学特性回归方程存在差异。由于上述差异的存在,在使用基于不同海域数据建立的回归方程进行海底沉积物声学特性预测时,应加以区别对待。该研究丰富了深海海底沉积物声学数据,对促进深海海底沉积物声学深入研究具有一定的借鉴意义。     

海底表层沉积物声速特性研究进展与探讨

海底表层沉积物具有多相、多颗粒、多形态的组成结构，导致其声学特性复杂多样。通过分析压缩波速度和切变波速度特性的研究现状，指出有待于解决的科学问题和关键技术问题。在分析国内外有关海底沉积层声速特性研究基础上，提出采取系统、可控的实验测量手段解决当前测量存在的4点问题。综合分析了压缩波速度和切变波速度存在的统计回归关系和理论分析关系，探讨了当前地声反演、采样样品声学测量、原位声学测量3种方法存在的测量尺度、测量频率、测量状态等的差异，探讨建立不同测量方法和测量技术对测量结果进行统一性解释的方法，从而获得不同类型、不同区域的海底表层沉积物真实的声速特性。最后，从实验室声学测量、物理力学参数测量、流固耦合特性分析、原位测量及海底监测、采样测量与原位测量的误差分析及校正、海底大纵深声学测量6个方面提出技术需求，为提高声学探测海洋和海底的精度服务，推动海洋声学探测和海洋工程发展。     

水声学

声学的一个分支。它主要研究声波在水下的辐射、传播和接收,用以解决与水下目标探测和信息传输过程有关的声学问题。水声学的研究领域主要包括：新型水声换能器;水中非线性声学;水声场的时空结构（如信号场的相关、简正波场的分离和应用、数值声场预报和信道匹配等）;水声信号处理技术（如最佳时空处理、水声信号的参量估计等）;海洋中的噪声和混响背景、散射和起伏,目标反射和舰船辐射噪声;海洋媒质的声学特性（如沉积层和海底、海面、内波及湍流的声学特性）等水声学     

海底沉积物声学的现场测量和取样系统

1 引言 随着海洋开发和军事海洋学的兴起,海底声学参数的现场取得成为海底沉积物物理学方面极为关注的事情.沉积物声速与物理力学参数之间的密切关系,成为利用声学方法反演得到海底工程性质的基础.人们已日益对这方面的认识得到加深.声学技术逐渐成为有效探测海底沉积构造,寻找海底资源的有用工具,特别是声源技术、信号处理、终端显示技术、计算机技术和其他电器零部件的进步,使得采用声学方法直接测量和识别海底沉积物类型、性状、层理成为可能.本项目的提出,至少有如下几个方面的迫切需要.     

济州岛南部海域海底声呐图像分析与声学底质分类

东海北部外陆架靠近济州岛南部海域,是黄海槽向冲绳海槽延伸的部分,属于黑潮分支黄海暖流的通道入口,分布着脊槽相间的海底底形,对其海底声呐图像的处理分析及声学底质分类的分析研究,有助于了解该通道海底底形表层纹理特征及沉积物分布规律。基于在济州岛南部海域获取的多波束声呐数据,应用图像处理技术和方法,对数据进行了处理,获得了海底声呐影像图,并对其表层纹理特征进行了描述和分析;同时,基于多波束反向散射强度数据,结合19组海底地质取样数据,建立研究区海底反向散射强度与沉积物粒度特征之间的统计关系模型,并以改进的学习向量量化神经网络方法,实现对海底粉砂质砂、黏土质砂以及砂-粉砂-黏土3种底质类型的快速自动分类识别。     

海底浅层圈闭与浅层气地震反射特征对比

海底浅层圈闭条件是决定浅层气反射特征的重要因素,根据海底浅层圈闭条件的分析、国内外浅层气分布区反射特征与底质类型对比分析和南黄海西部地区浅部断层分析,得出结论:(1)浅层气的圈闭条件主要受海底底质类型与浅部断层控制,常见圈闭类型为岩性圈闭和断层圈闭;(2)底质类型是决定浅层气反射特征的重要因素。分析认为海底表层沉积物的泥砂含量决定了圈闭中盖层封闭能力,进而决定了浅层气聚集能力和储集量,形成不同浅层气地震反射特征;(3)某些现代三角洲地区,受潮流或河流与海洋共同作用影响,表层底质经常与整个浅层的物质组成差别较大。由于其内部一般含有较厚的细颗粒黏土质粉砂和粉砂质黏土,封闭能力较强,可封闭较多浅层气,能形成大规模的声学空白反射,但常观察到浅层气反射顶界面局部突起呈旗舰状;(4)浅部断层既可形成断层圈闭,也可充当浅层气的运移通道。断层圈闭通常较少见且难以识别,浅部断层在第四纪松散地层中更多地充当了浅层气运移的通道;(5)浅部地层存在多套含泥较多的地层且形成圈闭时,浅层气被多次圈闭,会在不同深度形成"楼层式"的多个强反射界面、声学扰动。     

水深测量与海底面状况声探测技术的进展

水探测量与海底面状况探测是海洋调查中最基础性项目之一,声学技术为此提供了有效的手段。近二三十年来回声测深与海底面状况声探测技术有了革命性的发展,新方法新设备不断出现。单波束测深仪与传统侧扫声纳技术在精度、分辨率与海底声学图象质量上有了大幅度提高。多波束测深系统和测深/海底成象一体化侧扫声纳系统的开发,使海底条带状探测填图成为现实。合成孔径声纳等技术在理论研究与应用开发有了较大提高。本文在对各项技术发展历史进行简要回顾的基础上,分析国内外发展现状,较全面反映新的进展,并对未来进一步发展作展望。     

可变角度换能器在海底沉积物声学原位测量应用的探讨

海底沉积物的声学测量是海底测深的关键技术之一,应用于海底地形地貌测量、海洋矿产资源开采和海底工程建设等。海底沉积物声学测量方法中的原位测量方法可以避免保真采样法的强扰动性和遥测法的准确度、精度及灵敏度的不确定性等缺点,如何改进原位测量系统渐成为海底探测的研究热点。通过分析现有海底沉积物原位测量设备测试换能器的工作原理,针对垂直压入方式换能器测量深度有限,提出了一种通过改变换能器压入沉积物的角度来增加测量深度的方法。在理论上论证出在不低于换能器接收阈值时,测量深度随着掠射角的增加而增加。在不增加压入深度的前提下提供了一种增加测量深度方法。     

关于编制我国陆架第四纪地质图问题

陆架沉积是海洋地质学与第四纪地质学共同研究的对象.我国陆架海底沉积调查已有几十年历史,编制了大量底质类型图件,但却未能编制第四纪地质图.只是在近几年才开始尝试编制海底第四纪地质图.本文主要讨论如何利用底质调查资料编制第四纪地质图,其中主要涉及海洋地质学上的“残留沉积”,“现代沉积”在第四纪地质图上如何处理,陆架表层沉积物成因类型如何划分,沉积物地层时代如何确定等问题.