海底声散射特性研究进展

海底是水下声场的重要边界,其声散射特性对水下声场空间结构及分布规律具有至关重要的影响。对目前国际上海底声散射特性研究方面的进展进行了系统的分析和总结,从海底声散射测量技术、海底声散射特性及机理、海底声散射预测模型3个方面进行了论述,并提出了未来研究的方向、研究重点与难点。该工作对于充分了解和认识海底声散射研究的目前现状和未来发展趋势具有很好的借鉴和指导意义。     

一种分层海底反向散射模型

In order to predict the bottom backscattering strength more accurately, the stratified structure of the seafloor is considered. The seafloor is viewed as an elastic half-space basement covered by a fluid sediment layer with finite thickness. On the basis of calculating acoustic field in the water, the sediment layer, and the basement, four kinds of scattering mechanisms are taken into account, including roughness scattering from the water-sediment interface, volume scattering from the sediment layer, roughness scattering from the sediment-basement interface,and volume scattering from the basement. Then a backscattering model for a stratified seafloor applying to low frequency(0.1–10 kHz) is established. The simulation results show that the roughness scattering from the sediment-basement interface and the volume scattering from the basement are more prominent at relative low frequency(below 1.0 kHz). While with the increase of the frequency, the contribution of them to total bottom scattering gradually becomes weak. And the results ultimately approach to the predictions of the high-frequency(10–100 kHz) bottom scattering model. When the sound speed and attenuation of the shear wave in the basement gradually decrease, the prediction of the model tends to that of the full fluid model, which validates the backscattering model for the stratified seafloor in another aspect.     

赣-杭带早白垩世A型花岗岩成因: 浅部地壳岩浆储库活化的产物

A型花岗岩是一类特殊的花岗岩,其独特的矿物学和地球化学特征使其有别于与俯冲作用相关的钙碱性花岗岩。虽然前人的研究已经提出了多种A型花岗岩成因模型,但是它的成因仍然存在很大争议。本文总结了赣-杭带早白垩世火山-侵入杂岩、A型花岗岩及相关花岗岩类岩石的数据（年代学、地球化学、同位素）,试图通过建立火山岩与侵入岩之间的成因联系,从而限定这些A型花岗岩的成因。对于硅质火山-侵入杂岩（例如相山火山-侵入杂岩）,我们的研究表明硅质火山岩较硅质侵入岩具有更高的分异程度。硅质火山岩代表了从岩浆储库中抽离的高硅熔体,硅质侵入岩代表了岩浆储库中的残余堆晶。对于赣-杭带早白垩世A型花岗岩及相关岩石,本文根据岩石结构,将其划分为斑状-似斑状花岗岩和等粒花岗岩。岩相学及地球化学的数据表明,两类花岗岩均由来源于古老地壳物质与地幔来源基性岩浆混合所形成。而且二类花岗岩具有相似的形成时代、相似的矿物组成及类似的Sr-Nd-Hf同位素组成和连续的主微量元素变化趋势,这些特征表明它们的原始岩浆来自于同一岩浆储库,而它们岩石特征的差别是由岩浆储库内的晶体-熔体分异所主导。斑状-似斑状花岗岩以低SiO₂含量和Rb/Sr比值,高Sr、Ba含量和Eu/Eu^*值为特征,代表残余的岩浆储库;等粒花岗岩具有A型花岗岩特征,并且具有极高的SiO₂含量和Rb/Sr比值,极低的Sr、Ba含量以及Eu/Eu^*比值,表明它们是从岩浆储库中抽离至浅部地壳的高硅熔体。斑状-似斑状花岗岩中广泛发育暗色包体,而且等粒花岗岩中广泛发育晶洞构造,这些特征表明,幔源基性岩浆的注入和粒间熔体中挥发份的出溶作用导致先前存在的岩浆储库活化,使得高硅熔体抽离岩浆储库并向上迁移,到达地壳浅部后形成了具有A型花岗岩特征的等粒花岗岩,而残余堆晶在岩浆储库底部结晶形成了斑状-似斑状花岗岩。我们的研究表明,A型花岗岩可以通过浅部岩浆储库内晶体-熔体分离形成。

     

胶州湾潮滩沉积物剪切波速及其频散特性研究

沉积物剪切波速是海底沉积声学研究的重要因素之一, 是海洋工程地质勘查工作中必要的物理参数, 与沉积物物理力学性质具有密切关系。本文在胶州湾采集沉积物样品, 采用弯曲元测试系统进行不同频率剪切波速测试, 结合沉积物物理性质测试, 研究胶州湾沉积物剪切波速及其频散特性与物理性质相关性。研究结果表明在250～2000Hz测试频率范围内, 沉积物剪切波速为26.5～103.5ms-1, 砂土剪切波速最高, 粉土次之, 黏土和粉质黏土则偏低, 沉积物剪切波速表现出明显频散特性, 剪切波速随测试频率增加表现出对数增长趋势, 频散因子为0.3～31.1, 频散度为1.1%～103.8%, 受沉积物类型影响显著, 沉积物剪切波速、频散因子和频散度与沉积物物理性质间存在不同相关程度的一元二次函数关系, 三者间表现为一致的变化规律, 但频散度与物理性质间的统计关系相关程度明显偏低。     

一阶速度-应力双相介质方程逆时偏移及GPU加速实现

实际地下储层是含流体的双相介质,常规的弹性波叠前逆时偏移多基于单相介质理论,不能充分考虑地层中的双相介质对地震波场的影响。为研究双相介质中地震波传播对逆时偏移结果的影响,基于Biot的双相介质理论实现了一阶速度-应力双相介质方程的逆时偏移,并基于CUDA实现了双相介质方程逆时偏移的GPU加速。模型实验结果表明,在含流体的双相介质中,双相介质方程逆时偏移的结果比弹性波方程和声波方程的结果更接近真实的构造形态,同时与基于CPU的双相介质逆时偏移相比,基于GPU的逆时偏移可达到27倍的加速比。因此基于GPU加速的双相介质逆时偏移不仅能够实现对双相介质地层的精确偏移成像,而且能够有效提高逆时偏移的计算效率。     

适用于U型阵多波束系统的高分辨底检测算法

在多波束回声声纳系统中,高分辨处理算法例如MUSIC、ESPRIT,被广泛应用于海底地形的测绘。在应用高分辨算法时,一条均匀线阵是必要条件。然而,由于系统覆盖范围/分辨率的需求以及安装空间的限制,在多波束系统中经常会采用特殊形状的接收阵列,这使得高分辨算法无法直接应用。同时回波信号的短时平稳特性使得难以估计出协方差矩阵,这也增加了高分辨算法在多波束系统中的应用难度。本文首先介绍一种基于多角度子阵波束形成的ESPRIT算法,该算法能降低高分辨算法对信噪比、样本点数和计算能力的要求。仿真表明此算法能提供更好的分辨力。接着提出一种将基于多角度子阵波束形成的ESPRIT算法与虚拟阵列变换相结合的高分辨底检测算法,并针对高分辨底检测算法在U型阵上的应用进行了探讨。计算机仿真和试验数据处理结果验证了文章所提高分辨底检测算法的有效性。     

伊洛瓦底海豚被追逐时回声定位信号特征变化的初步分析

本文的研究基于文莱湾浅水域的一头野生伊洛瓦底海豚水声定位信号的调查数据。在记录期间,有一艘渔船突然开启发动机,惊扰了其附近的一头伊洛瓦底海豚,接着渔船开始两次连续追逐海豚。这期间海豚回声定位信号的变化情况被记录下来。当伊洛瓦底海豚受惊吓被追逐时,信号的声压级、每分钟嘀嗒声信号串的发生次数、每个嘀嗒声信号串中的脉冲个数和平均脉冲间隔都发生了相应的变化。平均的脉冲间隔在事件发生的瞬间立即增大,并在追逐期间呈现轻微下降趋势。脉冲间隔的增大对应着探测距离的增加,代表着海豚对未知区域的探索能力,制约着它的逃离速度。数据记录结果的分析表明,伊洛瓦底海豚会根据外界干扰对发出的回声定位信号进行调整,改变自己对潜在危险的探查能力。分析结果同时提醒我们需要随海豚生存环境的噪声进行管理,避免突然的发动机操作或者追逐它们。     

Sea-surface acoustic backscattering measurement at 6–25 kHz in the Yellow Sea

Sea-surface acoustic backscattering measurements at moderate to high frequencies were performed in the shallow water of the south Yellow Sea, using omnidirectional spherical sources and omnidirectional hydrophones. Sea-surface backscattering data for frequencies in the 6–25 k Hz range and wind speeds of(3.0±0.5)and(4.5±1.0) m/s were obtained from two adjacent experimental sites, respectively. Computation of sea-surface backscattering strength using bistatic transducer is described. Finally, we calculated sea-surface backscattering strengths at grazing angles in the range of 16°–85°. We find that the measured backscattering strengths agree reasonably well with those predicted by using second order small-roughness perturbation approximation method with "PM" roughness spectrum for all frequencies at grazing angles ranged from 40° to 80°. The backscattering strengths varied slightly at grazing angles of 16°–40°, and were much stronger than roughness scattering. It is speculated that scattering from bubbles dominates the backscattering strengths at high wind speeds and small grazing angles. At the same frequencies and moderate to high grazing angles, the results show that the backscattering strengths at a wind speed of(4.5±1.0) m/s were approximately 5 d B higher than those at a wind speed of(3.0±0.5) m/s. However, the discrepancies of backscattering strength at low grazing angles were more than 10 d B. Furthermore the backscattering strengths exhibited no significant frequency dependence at 3 m/s wind speed. At a wind speed of 4.5 m/s, the scattering strengths increased at low grazing angles but decreased at high grazing angles with increasing grazing angle.     

海洋地震资料采集过程中近场检波器的应用

海洋地震资料采集中空气枪震源近场检波器不仅可以较好地进行震源质量实时监控,更重要的是可以较好地预测远场子波.经国外大量的远场子波实测试验与预测结果对比,利用近场检波器预测远场子波,与实测远场子波吻合度很高,因此,利用近场检波器预测远场子波是一项非常关键的技术,然而国内在该技术领域还不是很成熟,目前只用来做一些震源的质量监控和近场子波记录.较为详细地描述了国外的部分试验结果,并根据国外的试验结果和国内的具体使用情况,提出了近场检波器放置位置、记录长度和采样率合理化选取的建议.并建议国内相关领域的专家尽快研发拥有自主知识产权的相关软件,利用近场子波来有效地预测远场子波.