拖曳声源深海传播损失算法改进

为实现水声传播损失高效准确计算,以满足工程应用要求,基于南海某深水海域水声调查数据研究改进拖曳声源深海传播损失算法。首先,对信号时间序列分析发现:深海多途传播结构显著,可分为直达波、第一二次海底反射波,信号幅度逐渐减小,海面反射波与直达波重叠;目标信号中心频率产生多普勒频移,与声源拖曳速度对应较好;"单频"正弦信号并非单一频点上的声信号,为一窄带功率谱,谱峰对应信号中心频率。进而,从信号识别及多途效应处理两方面对算法进行改进:基于功率谱频带分布,设计Butterworth滤波器带通截止频率,从频域上滤除噪声信号;依据环境噪声电压幅值,制定其判定标准,从时域剔除与目标信号同频带噪声信号。算法改进后可较好适应低信噪比环境下多途拖曳声源信号能量计算,快速高精度得到传损失数据。     

宽区域的OBS多次波数据成像

利用海底地震仪（OBS）记录的水层多次波对加拿大西部近海的海底结构进行成像,将成像结果与常规一次反射数据成像结果对比。这一多次波偏移成像（镜像成像）方法利用了海底之上的下行压力波场,其特点是数据完全不含任何一次反射的信息,而是由这些反射的虚反射信息构成了接收信号。镜像成像方法是利用针对一次反射波的克希霍夫叠前深度偏移算法对接收的虚反射数据进行成像。通过对数据和速度模型的一个简单处理：假定检波器不位于海底而是位于海面上二倍于水深的高度位置,可以解决穿越水层的多次波的附加传播路径。偏移结果表明,与利用一次反射波成像的常规方法结果相比,尤其在反射体很浅且OBS间距稀疏时,多次波偏移成像方法对海底下的结构提供了更宽的照明。镜像偏移方法的成像结果与垂直入射的漂缆数据（单道）在照明度上是相当的。     

坡度对海底斜坡瞬态波浪响应及其滑动失稳特征影响研究

波浪作用下海底斜坡滑动稳定性分析中,一般未考虑海底坡度引起的波浪浅水效应,即不考虑波浪在斜坡面上的变形导致的波压力变化,降低了其计算结果的可靠性。本文基于沿斜坡面传播的线性波浪理论,考虑波浪的浅水效应,利用波浪与重力作用下海底斜坡的有效应力场,计算海底斜坡滑动稳定性安全系数。在验证海底斜坡滑动稳定性计算结果可靠性的基础上,分析了坡度对海底斜坡瞬态波浪响应及其滑动失稳特征的影响。结果表明,由于波浪沿斜坡面传播的浅水效应,相对于水平海床,波浪作用下斜坡最大瞬态应力和孔隙水压力随着坡度的增加基本呈线性增加趋势,最大水平位移呈非线性增加趋势;相比于坡底水平段海床的滑动区,斜坡面上滑动区的深度和水平方向滑动范围均有所增加,且坡度越大,这种效应越显著;相比于饱和海床,非饱和条件下,坡度对斜坡体滑动特征的影响程度有所降低。     

平潭海域定点实测海流资料分析

利用2014年8月11日—2015年3月19日布放在平潭海域海床基海流调查资料,通过调和分析、EOF分解和低通滤波等方法,对海流剖面分布特征进行了分析,结果表明:4个主要分潮潮流椭圆主轴方向呈现西南-东北方向;准定常流呈现出上下两层流速方向相反的垂直空间结构,以水深32 m处为界,上层呈现偏南方流动,下层则呈现偏北方流动,流向随深度增加不断向左偏;9月份准定常流垂直结构开始发生变化,于次年1月份转流深度达到最深;U、V分量第一空间模态方差贡献分别为60.8%、76.5%;近表层余流随时间的变化与海面风基本一致,对风的响应非常迅速;上层余流流速随着水深增加逐渐减小同时滞后的规律,说明风变化的信号由表层逐渐向下传播且影响逐渐减弱,传播的深度主要取决于海表面风速的大小。     

基于文氏谱的起伏海面虚反射特征研究

海洋地震记录中的虚反射会和反射波发生混叠和干涉,严重影响了海洋地震资料的质量。常规海面水平的条件假设将在海面反射系数计算过程中引入误差。本文引入文圣常提出并改进的文氏海浪谱,采用有效波高、海浪成长系数等各项参数模拟出更符合实际情况的海浪形态,并通过时频分析等方法研究起伏海面虚反射对地震记录的改造作用和起伏海面条件下的虚反射时频谱特征。结果表明：当海面起伏程度较大时,起伏海面的虚反射不仅强烈扭曲了海底一次波反射同相轴,且与一次波发生了强烈的干涉作用,导致成像结果出现很多假同相轴,严重影响了地震资料的质量。随着起伏海面有效波高的增加,地震记录受陷波效应逐渐增强,虚反射能量逐渐增加,主频幅值逐渐减小。当海面起伏变化时,随着偏移距的增加,陷波点幅值变化丰富,主频幅值逐渐减小,且向高频方向移动。随着震源或检波器沉放深度逐渐增加,有效波虚反射的能量强度逐渐增加,频带变窄,陷波改造作用强烈,主频幅值逐渐减小。     

一次反射波与自由表面多次波联合偏移成像:模拟数据分析

基于逆时偏移互相关成像条件,一次反射波与自由表面多次波联合偏移成像可以提供更宽的地下照明成像,以弥补一次反射波覆盖不足,同时不需要预测分离多次波,但是,在成像过程中也引入了偏移假象。首先对一次反射波与自由表面多次波联合偏移成像条件进行分析,通过对模拟数据成像结果分析,提出利用多次波信息进行成像,需要用震源子波和相位反转的地震记录作为逆时偏移中的源端波场做正向传播,原始地震记录作为检波端波场做反向传播,方可获得具有自由表面多次波成像贡献的结果。数值试验结果表明,尽管一次反射波与自由表面多次波联合逆时偏移可以提供更宽的地下照明成像,但是,随着自由表面多次波能量的增强,偏移假象也随之增强;当自由表面多次波能量减弱时,尽管偏移假象相应减弱,但是自由表面多次波对宽角照明成像贡献也随之减弱。因此,一次反射波与自由表面多次波联合偏移成像需要更深入研究。     

由垂直入射脉冲和海底回波反演海底声参数

浅海海底声参数是影响声场传播的重要参量。文中根据信号的相位特性对反演稳定性的影响进行了数值模拟;并于2002年8月在黄海海区进行了海底声参数反演实验。利用垂直入射脉冲和海底回波数据进行海底声参数反演,由于海底回波信号随穿透深度增加而导致回波信号的信噪比降低,为了有效地增加海底声阻抗反演深度,提出平滑分段抽取冲激响应,重建声阻抗剖面的方法。结合Hamilton经验公式,分离海底声速、密度,反演结果与海底采样样本分析值、经验值吻合较好。     

北极冰下声传播特性实验研究

通过2017年8月6日在北极海域开展的一次声传播实验,开展了冰下声传播特性实验研究。结合Burke-Twersky （BT）散射模型与射线模型,分析了冰下声传播的多途到达结构,研究了接收声强变化规律,解释了接收声强在30 min内衰减20 dB的现象,分析了接收信号的时间相关性,探讨了接收信号相关性较低的原因。实验结果表明,表面接收信号主要由小角度多次反转反射声线、一次海底反射声线和二次海底反射声线依次构成,表面声道到达信号显著强于海底反射信号。试验冰站在试验期间的运动导致了声传播信号强度和相关性的迅速衰减,并通过仿真得到了验证。     

深海RAP下的水声信道特性与通信技术研究

可靠声路径（Reliable Acoustic Path,RAP）是深海声传播的重要通道之一,其受界面影响较小,传播损失较低,可以传播到较远的距离,而且在临界深度以下,环境噪声较低;其次,可靠声路径有效避开了多途扩展现象,声线以结构稳定的直达声为主。在总结可靠声路径物理机理和声传播优势的基础上,对比分析了几种不同海洋参数条件下RAP声传播特性,然后采用射线模型仿真分析了RAP声信道内的接收声线结构,之后基于仿真的RAP信道进行了单载波通信性能的分析。仿真结果发现：在RAP声信道内,直达声能量高,传播损失低,声线结构稳定且多途扩展小,对环境变化不敏感,在35km左右的中远程距离内具有很高的信噪比;相同仿真条件下,RAP区域的误码率较同距离浅深度的接收低很多,而且RAP区域接收信号信噪比高出其他区域10 dB左右。该研究结果对于实现垂直方向上深海信息的跨域传输具有重要意义。     

2017年9月8日墨西哥沿岸Mw8.2级地震海啸观测数据分析与模拟

2017年9月8日4时49分（UTC）,墨西哥瓦哈卡州沿岸海域（15.21°N,93.64°W）发生M_w8.2级地震,震源深度30 km。强震在该海域引发海啸,海啸对震源附近数百千米范围内造成了严重影响。位于太平洋上的多个海啸监测网络捕捉到了海啸信号并详细记录了此次海啸的传播过程。本文选用了近场2个DART浮标和6个验潮站的水位数据,通过潮汐调和分析和滤波分离出海啸信号,对近场海啸特征值进行了统计分析,并采用小波变换分析方法进一步分析了海啸的波频特征。基于Okada弹性位错理论断层模型计算得到了强震引发的海底形变分布,并采用MOST海啸模式对本次海啸事件近场传播特征进行了模拟,模拟结果与观测吻合较好。最后,基于实测和模拟结果,详细分析了此次地震海啸的近场分布特征,发现除受海啸源的强度和几何分布特征影响外,近岸海啸波还主要受地形特征控制,在与特定地形相互作用后波幅产生放大效应,会进一步加剧海啸造成的灾害。     

中尺度涡条件下的深海声场效应研究

通过构建中尺度涡的数学模型,利用射线-简正波-抛物方程(RMPE)声学模型进行传播损失计算,进而分析在深海声道、深海会聚区、海底反射3种传播模式下,中尺度涡对深海声效应的影响。数值仿真结果显示,暖涡对深海声道、会聚区产生下压效果,使会聚区水平距离变大,深海声道深度方向上变宽;冷涡使会聚区上抬,距离变短,对声场散射现象明显。研究结果表明,涡旋环境条件下,声场特征会产生显著变化。试验结果揭示了中尺度涡对深海声场效应的影响,对指导海上运用中尺度涡现象开展的科学研究、工程实践、军事运用具有积极的指导意义。     

小尺度海底沉积物的声衰减特性研究

为研究小尺度海底沉积物样品的声衰减特性,作者提出了用声学探针测量海底沉积物声波幅值的新方法,对沉积物样品扰动小,两个测量点的距离可小于波长,为海底沉积物微观声衰减测量提供了新手段。作者用小于波长的间隔逐点测量了沉积物的压缩波幅值,数据分析表明沿沉积物柱状样全长的声衰减满足指数衰减模型。目前主要用同轴差距衰减测量法获得海底沉积物声衰减数据,但该方法不能辨识声衰减模型,因此不同海区的测量结果难以建立联系。对此作者又提出用声吸收系数反演的幅值比与声衰减系数反演的R值(两种幅值比的比值)作评价依据,分析了垂直轴差距衰减测量法获得的南海海底沉积物声衰减测量数据,发现部分沉积物样品声衰减的R值远大于1,其声衰减不满足指数衰减模型。在声衰减满足指数衰减模型的条件下,用Hamilton的声衰减和频率经验公式预报的南海沉积物声衰减比与作者用声学探针测量海底沉积物所得的声衰减比对比,通过对R值分析得出Hamilton的声衰减和频率经验公式可以预报南海沉积物声衰减比的范围。作者提出的声学探针测量海底沉积物声衰减的方法的优点是既能获得声衰减数据又能辨识声衰减模型,不同海区测量的沉积物声衰减比可用R值建立联系。     

声学地层剖面深水探测研究与开发

深水浅部地层精细探测是深海地质勘探与资源开发的重要调查内容。与浅水海域声学地层剖面探测相比,深水地层剖面探测会遇到严重的能量衰减、大数据量长时间反射序列采样、纵向地层分辨率降低以及横向空间覆盖率偏稀等问题,为解决这些问题,国外仪器商采用了不同的方法。采取重采样减少数据量会严重影响纵向分辨率;采取MultiPing技术可以很好解决横向空间覆盖率问题,但多Ping接收采用海底追踪变深度范围采集会造成反射同相轴跳跃突变,或采用短时间间隔采集会造成回波数据无法准确计算海底深度。为了解决这些技术问题,作者研究开发了相关的技术处理方法,解决MultiPing技术反射同相轴拼接改正处理和海底深度记录延迟处理,这些问题的解决为深水浅部地层精细探测提供了技术保障。     

东海PN断面黑潮区域海底起伏对声传播的影响

利用2001年3月东海PN断面“973”调查获得的CTD数据，用数值模拟方法研究了PN断面黑潮区域海底起伏对声传播的影响。由深水区向浅水区传播，随着海底的抬升声线的海底反射和海面反射次数增加，声强衰减更快，限制声传播距离。由浅水区向深水区传播，随着海底降低声线上反转点深度增加，传播一定距离后部分声线不能到达上层水体，于是声强衰减也增快。     

南海北部声散射季节变化

声散射是重要的声学现象,海洋水体产生的高频声散射信号既可用于开展多种目的的声学海洋学研究,也可能对水下声学设备产生干扰,而海洋水体背景声散射具有显著的时空变异特征,因此针对特定海区开展声散射时变观测具有重要意义。本文利用在南海北部布放的锚系系统所搭载的声学多普勒流速剖面仪,获取了覆盖4个季节的累计约80 d的声散射数据,数据包括75 kHz和300 kHz两个频段,观测水深几乎覆盖了从海面到约600 m水深的整个水体。结果表明,水体在垂向上分布着上散射层和深散射层2个主要散射层。上散射层分布深度在冬夏较浅,位于约100 m以浅,在春秋较深,位于约200 m以浅;深散射层分布深度同样为冬季最浅,位于约300 m以深,但夏季则最深,位于约400 m以深。因此,两散射层的距离在夏季最远,在春秋最近。2个散射层的声散射强度（Sv）同样具有明显的季节变化,上散射层散射强度夏秋较强而春冬较弱,深散射层则正好相反。     

深海海面目标单水听器被动测距方法与验证

基于射线理论分析了在深海情况下海面声源产生声场的频率-距离干涉结构,给出了影区内声场频率-距离干涉结构的近似理论表达式,分析得到影区内声场频域干涉周期随收发距离的增加而增大、随着接收水听器深度的增加而减小。因此由单水听器记录的声场干涉结构即可实现被动声源距离估计。在南海深海实验中观测到海面宽带噪声源在声场影区形成的声场干涉结构,对实验获得声场干涉结构的处理结果验证了深海声场影区干涉结构用于被动声源距离估计的有效性。与传统的匹配场被动定位方法相比,该方法不需要已知海底声学参数和大规模的拷贝场计算。     

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。     

温度对海底沉积物声学特性影响实验研究

温度的变化是影响海底沉积物声学特性非常重要的因素之一。文章采用同轴差距衰减测量法,在不同温度下对海底沉积物声学特性进行测量,实验得出南海海底沉积物随着温度的升高具有以下声学特性:1)沉积物声速变化比较缓慢,上下波动点较明显,但总体趋势接近线性下降;2)衰减幅值随着温度升高一直下降,偶尔有些波动的异常点,声衰减幅值呈现线性下降的趋势;3)声衰减系数变化呈现抛物线趋势,具有强非线性。对于此类沉积物声速特殊情况,还有待从理论和实验方面更深入地研究解释其成因。     

海底地形变化对地震波场以及偏移成像的影响

本文针对海洋地球物理勘探数据处理当中偏移成像剖面中深层层位模糊,像场能量较弱的问题,从起伏海底在反射地震数据采集当中某个时刻发生变化着手,分析讨论了当海底发生微小变化以及海底发生稍大变化时模型差异对波场记录以及偏移成像剖面的影响,通过分析对比原始速度模型以及变化后速度模型同一点位上采集的波场记录以及波场记录在变化前后模型上的偏移成像剖面可以得出：不管数据采集是沿着测线方向进行还是逆着测线方向进行,对于起伏海底发生微小变化的速度模型,海底的微小变化对波场记录以及偏移剖面的影响很小;对于起伏海底发生较大变化的速度模型,海底的变化对波场记录以及偏移剖面的影响非常大。