（水聲工程專業(yè)論文）聲學(xué)方法海底沉積物類型分類研究.pdf

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t 1 1 l ec l a s s i f i c a t i o na n di d e n t i f i c a t i o no f t h es e a b e dg e o l o g i c a lt y p ei st h eb a s i c o fo c e a ns c i e n t i f i cr e s e a r c h , i th a ss i g n i f i c a n tm e a n i n gt oc l a s s i f ya n di d e n t i f yt h e m a r i n es e d i m e n t se x a c t l ya n dq u i c k l yi nm i l i t a r ya n dl o c a t i o n t a k i n gt h ea c o u s t i c m e t h o d ，t h r o u g hd i s t a n td e t e c t i o no ft h ec h a r a c t e ro ft h em e s e d i m e n t st o l e a r ni t sp h y s i c a lq u a l i t yh a st h ec l m r a c t e r i s t i co fe f f i c i e n c y ，e c o n o m i c a l ，g e t t i n g d a t ac o n t i n u o u s l y , w h i c hc o m b i n e dw i t hao e r t a i l lt r a d i t i o n a lm e t h o da n do p t i c a l o b s e r v a t i o no f f e r sa q u i c k l ya n dr e l i a b l ew a yi nt h ec l a s s i f i c a t i o no ft h em a r i n e s e d i m e n t s f o rt h ec o m p l i c a t e dt r a i to ft h es e a b e d , c e r t a i nm e t h o da n dc e r t a i n c h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t yc a no n l yi d e n t i f y 疊n ep a r to ft h em a r i n es e d i m e n t s i t n e e d ss e v e r a lc h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t i e s ，e v e ns o m ed i f f e r e n tm e t h o d st oa v a i l a b l y i d e n t i f ym a r i n es e d i m e n t s s oe x p l o r i n gn e wa n dm o r ee f f e c t i v ew a y st oc l a s s i f y t h ec h a r a c t e r i s t i cq u a n t i f i e sh a sf u r t h e rm e a n i n g i nt h et h e s i s ，s e v e r a lc l a s s i f i c a t i o nm e t h o d sb a s e do ns t a f f s t i cc h a r a e t e r i s t i e s 骶p r e s e n t e d a tt h ed o m a i no ft i m e ，f r e q u e n c ya n df r e q u e n c y - t i m e ，t h e c l a s s i f i c a t i o no fo c e a nb o t t o mi sa n a l y z e dr e s p e c t i v e l y i nt i m ed o m a i l l t h e c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sc o r r e l a t e dt od u r a t i o no fe c h os i g n a l 黜r e s o r t e dw i t h t h em e t h o d so fp o w e rc u r v ea n dp h a s ep l a n e i nf r e q u e n c yd o m a i n ，蛐b - b a n d p o w e ri su s e di nr e s o r t i n gt ot h ec h a r a c t e ro ff r e q u e n c ya l t e r n a t i o n i nt h ed o m a i n o ft i m ea n df r e q u e n c y ，s h o r tt i m ef f to fr e c e i v e ds i g n a l s , c o n t i n u o u sw a v e l e t t r a n s f o r m ，d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r ma r ei n t r o d u c e dt o s e v e r a lt r a u s f o r m sa l e m a d et oh y d r o p h o n er e c e i v i n gs i g n a l s ，s u c ha s ，w i t hs i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n , t h er e s i d e n ti sa l s oc l a s s i f i e d i no r d e rt od e t e r m i n et h ee f f i c i e n c yo f t h ep r e s e n t e d m e t h o d s ，i ns o m ec r i t i c i s m sa r ei n t r o d u c e d c o m p a r i s o no fe v e r ym e t h o ds h o w s t h a td i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r mc o m b i n e dw i t hs v dh a st h eb e s te f f i c i e n c yo f c l a s s i f i c a t i o n b a s e do nt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o no ft h ea b o v em e t h o d s ，t h e e x p e r i m e n t a ld a t aa r eu s e d t od ot h er e s e a r c ho fr e s i d e n tc l a s s i f i c a t i o n s 曰l ef i n a l 哈爾濱工程人學(xué)碩士學(xué)位論文 r e s u l t sm e e t 誦t ht h eb o t t o ms a m p l i n gw e l l k e yw o r d s ：c l a s s i f i c a t i o nb a s e d0 1 1s t a t i s t i cc h a r a c t e r i s t i c s ；p h a s ep l a n e ；w a v e l e t t r a n s f o r m ；s m g l l h rv a l u ed e c o m p o s i t i o n 哈爾濱工程大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導(dǎo)師的指導(dǎo) 下，由作者本人獨(dú)立完成的。有關(guān)觀點(diǎn)、方法、數(shù)據(jù)和文 獻(xiàn)等的引用已在文中指出，并與參考文獻(xiàn)相對(duì)應(yīng)。除文中 已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集 體已經(jīng)公開發(fā)表的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn) 的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意 識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 作者( 簽字) ：整墊 日期：御7 年吾月，6 日 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 第1 章緒論 1 1 本文的研究背景及意義 海洋蘊(yùn)藏著各種各樣、極其豐富的資源，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人們對(duì) 海洋研究的日益深入，海洋資源的探測(cè)與合理開發(fā)逐漸受到世界各國的普遍 重視，海底底質(zhì)聲學(xué)特性一直是海洋地質(zhì)調(diào)查、海洋漁業(yè)、潛艇、水雷、水 下通訊等領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容，海底底質(zhì)類型的分類與識(shí)別是海洋科學(xué)研究 的基礎(chǔ)，海底底質(zhì)是海洋工程環(huán)境的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。 隨著海洋資源開發(fā)活動(dòng)的大規(guī)模開展，以及港口、航道、海上平臺(tái)和海底 管線等海洋工程建設(shè)的大量進(jìn)行，迫切要求更新、更快的方法對(duì)海區(qū)的底質(zhì)類 型及分布情況有全面、系統(tǒng)、科學(xué)的精確掌握。專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)區(qū)域界定要參照 島礁、海底大陸架的信息，如釣魚島問題、南中國海都需要提出準(zhǔn)確的海底 信息，更增加了對(duì)海底研究的重要性。美國一些著名的大學(xué)、研究所和軍事 部門在海底沉積物中的問題上都進(jìn)行了很多年的理論研究和全球范圍的實(shí)驗(yàn) 研究工作。此外。加拿大、日本等許多國家多年來也在海底研究方面進(jìn)行了 大量工作。我國的中國科學(xué)院等部門也開展了“中國數(shù)字地球發(fā)展戰(zhàn)略 研究”，以探討中國“數(shù)字地球”建設(shè)問題，海洋界提出“數(shù)字海洋”研究 課題，數(shù)字化的海底是“數(shù)字地球”的重要組成部分。同時(shí)，臺(tái)灣近幾年也 加強(qiáng)了淺海、大陸坡架區(qū)的海洋聲傳播研究，而這一區(qū)域的海底聲學(xué)特性依 然是支配聲傳播的關(guān)鍵因素。 在世界海洋中，洋底的大部分覆蓋著一層比較松軟的沉積層。不同地點(diǎn) 的沉積層厚度差別很大，在0 米到數(shù)千米范圍內(nèi)變化。我國是一個(gè)海洋大國， 擁有1 8 1 0 4 k m 海岸線，海疆面積達(dá)3 1 0 6 k m 2 ，準(zhǔn)確、迅速地對(duì)海底沉積物 類型進(jìn)行分類識(shí)別具有重要的軍事及民用意義。在軍用上，海底各類沉積物 介質(zhì)的聲參量研究與淺海聲場(chǎng)數(shù)值預(yù)報(bào)、匹配場(chǎng)定位、低頻遠(yuǎn)程海底反射聲 納作用距離預(yù)報(bào)、潛艇沉底隱蔽地點(diǎn)選擇等方面的研究密切相關(guān)；在海洋工 程應(yīng)用領(lǐng)域，修筑大型港口，建設(shè)跨海大橋等海上建筑以及海底管線布設(shè)規(guī) 劃都需預(yù)知海底沉積物類型；此外對(duì)海底沉積物類型的了解也關(guān)系到海底礦 物及油、氣勘探的效率。因此，對(duì)大陸架及深海海底的底質(zhì)類型進(jìn)行研究一 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 直是一個(gè)經(jīng)典、熱點(diǎn)課題，也是我國新一輪國土資源大調(diào)查的重要內(nèi)容之一。 1 2 國內(nèi)外研究歷史和現(xiàn)狀 傳統(tǒng)的底質(zhì)分類方法是通過對(duì)海底沉積物直接取樣分析，但是采樣需要 耗費(fèi)大量人力、物力、財(cái)力，效率低，在水深較深時(shí)尤其困難。同時(shí)，采樣 一般是按一定網(wǎng)絡(luò)( 如間隔數(shù)百米至數(shù)十公里) 定點(diǎn)離散地取樣，并通過資料 內(nèi)插與外延來了解區(qū)域內(nèi)海底沉積物的特性進(jìn)行分類，因此其代表性常受影 響，可靠性也常不夠，無法滿足實(shí)際需要。特別是，若要了解海底以下數(shù)十 米乃至數(shù)百米深度范圍內(nèi)沉積物的特性，傳統(tǒng)的取樣管取樣方法無法完成， 需進(jìn)行淺鉆取樣，工作更加受限制，常只能零星布站取樣，其代表性、可靠 性更受影響。另外，由于采上樣品后環(huán)境參數(shù)發(fā)生了改變，其聲學(xué)參數(shù)也隨 之改變，采樣褥到樣品的聲學(xué)參數(shù)與實(shí)際并不完全相符。海底照像與水下攝 影等光學(xué)方法可得到海底沉積物的詳細(xì)特征，但是一般設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜、 效率低，無法作為一種區(qū)域性研究海底沉積物的手段。 雷達(dá)通過寬頻帶電磁波信號(hào)進(jìn)行底質(zhì)探測(cè)，但由于電磁波在海水中的吸 收等問題，很難應(yīng)用于海底底質(zhì)勘探，迄今為止，聲波仍是海洋中唯一有效 的信息載體，能夠在海洋中進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪芰啃问?，這使得水聲技術(shù)成 為海軍水下作戰(zhàn)的最主要的導(dǎo)航、定位、探測(cè)的手段，同時(shí)也是海洋資源探 測(cè)與調(diào)查、海洋資源開發(fā)的主要技術(shù)手段之一。 聲學(xué)方法通過遙測(cè)海底沉積物的聲學(xué)特性來了解其物理力學(xué)性質(zhì)，具有 工作高效、經(jīng)濟(jì)，取得資料連續(xù)、豐富的特點(diǎn)，結(jié)合一定的傳統(tǒng)取樣或光學(xué) 觀察，為海底沉積物分類提供了一種迅速而可靠的方法。它同時(shí)獲得盼大量 有關(guān)沉積物物理、聲學(xué)性質(zhì)方面的信息，也為諸如海底地聲結(jié)構(gòu)、沉積物一 結(jié)構(gòu)物相互作用、聲波與海底互作用、海底高頻聲散射等研究及海底測(cè)繪、 海洋工程等提供基礎(chǔ)資料。在海洋地質(zhì)領(lǐng)域的研究過程中，聲學(xué)方法研究海 底表面特性和海底底質(zhì)特性的分類顯示出極大的優(yōu)越性，受到廣大研究者的 高度重視。因此，用聲學(xué)的手段對(duì)海底進(jìn)行底質(zhì)分類是地球物理學(xué)科和海洋 聲學(xué)學(xué)科的熱點(diǎn)問題。 2 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 1 國外研究回顧 早期有關(guān)海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)的研究，始于瑞典科學(xué)家a r r h c n i u s 在1 9 4 7 年至1 9 4 8 年開展的深?？碧接?jì)劃。從上世紀(jì)5 0 年代開始，美國等國家的科 研工作者開始在海底沉積類型與聲學(xué)參數(shù)的關(guān)系方面展開研究，并取得了一 定的成績。5 0 6 0 年代，l i b e r m a n n 和m a c k e n z i e 用脈沖聲源和水下定深炸彈 對(duì)不同類型海底進(jìn)行反射損失實(shí)測(cè)。b i o t 曾試圖從理論上完全確定聲速等參 數(shù)同多孔液態(tài)飽和介質(zhì)構(gòu)成物質(zhì)粒度、含水量、孔隙率等關(guān)系，在海底沉積 層聲學(xué)理論計(jì)算做出了很重要的貢獻(xiàn)”心。美國海軍電子實(shí)驗(yàn)室( n a v y e l e c t r o n i c sl a b o r a t o r y ) 的h a m i l t o n 等人通過實(shí)驗(yàn)手段測(cè)量圣地亞哥灣沉積層 的聲學(xué)參數(shù)m h 。他們總結(jié)了大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并給出了經(jīng)驗(yàn)公式，為以后的工 作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 隨著聲學(xué)技術(shù)、電子技術(shù)和信號(hào)處理方法的不斷發(fā)展，這一領(lǐng)域也取得 了長足的進(jìn)步。美國、意大利、挪威、英國、日本等國家均設(shè)立相關(guān)課題研 究海底問題?？蒲泄ぷ髡邞?yīng)用淺層剖面儀、側(cè)掃聲納及多波束聲納等各種回 聲探測(cè)儀器來進(jìn)行海底分類。每種儀器都有相應(yīng)的適用范圍，但回聲法遙測(cè) 海底分類的思路都是相同的。即用電聲轉(zhuǎn)換裝置把電信號(hào)轉(zhuǎn)化成聲信號(hào)，聲 波信號(hào)垂直或保持一定角度射向海底，海底散射信號(hào)通過掛在船側(cè)和安裝在 船底的水聽器陣接收后存儲(chǔ)在記錄設(shè)備上，通過計(jì)算機(jī)處理存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以 得出海底的分類情況。 上世紀(jì)9 0 年代以來，各國科研小組在海底分類方面取得了很大的進(jìn)展。 由d a n i s h t e c h n i c a l r e s e a r c h c o u n c i l 資助的d 2 k 公司基于側(cè)掃聲納的圖像數(shù) 據(jù)對(duì)海底進(jìn)行分類，它不僅應(yīng)用圖像像素點(diǎn)的灰度信息，還分析圖像的機(jī)構(gòu) 紋理特征，從中提取能量、均值、熵、動(dòng)力參數(shù)等特征量1 ”；然后應(yīng)用人工 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行海底分類。加拿大多利亞大學(xué)r e z a m d i z a j i 等人也在海底 分類工作上做了一些研究，他們對(duì)原始散射信號(hào)進(jìn)行處理，提取f f t 譜特征、 s v d 分解值以及小波分析熵值特征量，利用這些特征量對(duì)不同底質(zhì)分類。美 國o n r 支持的l e b l a n c 和s c h o c k y 研究小組采用c h i r p 聲納技術(shù)，研制成功 c h i r p 聲學(xué)剖面系統(tǒng)，并與q t c 公司以及b e n t h o s 公司合作生產(chǎn)出淺層剖 面儀，它能夠在走行時(shí)得到海域的海底地形、海底地貌資料。同時(shí)反演海底 3 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 i j i ；i i i i i | i i 目# _ 眚t r - - ；i ；j j t i ；i i i i i i i | ；皇j 自i j i j | _ 的聲阻抗剖面，然后根據(jù)h a m i l t o n 等人建立的關(guān)于海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)及物 理力學(xué)性質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)公式，來預(yù)報(bào)海底的分類情況。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和d s p 芯 片技術(shù)等的突破性發(fā)展，對(duì)以數(shù)字形式存儲(chǔ)的信號(hào)序列的運(yùn)算可以定時(shí)實(shí)現(xiàn)， 國外陸續(xù)發(fā)展出一些商業(yè)化的附加了底質(zhì)分類功能的底質(zhì)探測(cè)設(shè)備。其中比 較典型的包括美國a s c s 底質(zhì)分類系統(tǒng)，挪威s i m a r d 公司的t r i t o n 多波束 底質(zhì)分類軟件系統(tǒng)和加拿大q u e s t t a n g e n t 公司的q t cv i e w 系統(tǒng)等”1 。 1 ，2 2 國內(nèi)研究回顧 八十年代初，聲學(xué)所孟金生、關(guān)定華等進(jìn)行了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)回波能量 累計(jì)與沉積物衰減系數(shù)相關(guān)，提出用回波能量積累歸一化函數(shù)進(jìn)行底質(zhì)分類， 并對(duì)用正入射脈沖法估算海底表層沉積物的衰減系數(shù)進(jìn)行了研究。中國科學(xué) 院南海海洋研究所的梁元博、盧捧等入八十年代以來一直從事海底沉積物方 面的研究，他們對(duì)海底沉積物的物理力學(xué)特性、聲學(xué)特性以及二者的關(guān)系進(jìn) 行了系統(tǒng)分析，并從實(shí)驗(yàn)獲得了我國南海海域沉積物的大量數(shù)據(jù)。 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所的周志愚等對(duì)南海和黃海海域海底聲速的垂直分 布的測(cè)量；高天賦、周志愚等所提出的射線法應(yīng)用于海底參數(shù)研究；蔣德軍、 馬力等所做的海底參數(shù)反演以及其他一些較為零散的研究。中國科學(xué)院聲學(xué) 研究所二部二室研制開發(fā)了海底表層底質(zhì)探測(cè)系統(tǒng)，作為實(shí)驗(yàn)走航式的表層 底質(zhì)聲學(xué)分類系統(tǒng)，它利用一次回波信號(hào)，通過提取信號(hào)的反射系數(shù)、衰減 系數(shù)、能量特征參數(shù)等多個(gè)特征量，對(duì)海底表層沉積物進(jìn)行分類。 海底底質(zhì)的聲學(xué)方法研究是為了對(duì)底質(zhì)聲學(xué)遙測(cè)的實(shí)用化，實(shí)現(xiàn)底質(zhì)的 快速、方便、準(zhǔn)確的識(shí)別分類?？v觀國內(nèi)所做的研究，多因?yàn)榻?jīng)費(fèi)問題和采 集設(shè)備短缺而只局限于理論分析，在海底底質(zhì)分類方面的研究程度還較薄弱， 雖然近些年來引進(jìn)了多波束系統(tǒng)，獲得了大量的數(shù)據(jù)資料，但仍然只利用了 該系統(tǒng)的海底測(cè)深功能，其底質(zhì)分類等功能的技術(shù)潛力還沒有得到充分開發(fā) 和利用。麗海底沉積物聲學(xué)遙測(cè)是一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)性很強(qiáng)的研究，它的實(shí)用化，必 須基于大量采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。我國在海底參數(shù)的數(shù)據(jù)收集、參數(shù)分類和分類 理論模型的建立等方面的研究與國外的差距仍然很大?？傮w來說，國內(nèi)的方 法大多仍停留在理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段，鑒于海底分類應(yīng)用的重要性，兩我國 在這方面的研究相對(duì)落后，國家技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃以及軍事9 7 3 計(jì)劃均設(shè)立 4 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 了與海底分類的課題。 1 3 海底沉積物物理參量及類型簡述 1 3 1 沉積物的物理參量 在海底的地殼上面，都覆蓋著一層非凝固態(tài)的沉積層問。在深海中只是 少數(shù)的地區(qū)，通常是在傾角很大且具有本生巖露頭的強(qiáng)切割地形區(qū)，沒有松 軟的沉積物。沉積物源自陸源的顆粒狀沉積物或是生物物質(zhì)在海底的沉積。 海底沉積物的最上層是流動(dòng)的或半流動(dòng)的稠性介質(zhì)，且是一種多孔、無氣、 無粘結(jié)( 只有部分粘結(jié)) 、飽含水以及在宏觀上各向同性的介質(zhì)。如果從沉積 物學(xué)角度看，它是一個(gè)物理量頗多、特征變化范圍頗大的固體層( 嚴(yán)格地說有 部分海底是半固體層) 。 常用的沉積物物理參量有孔隙度、密度、土粒比重、含水量、粘土含量、 飽和度、粒徑、平均顆粒度。這些量互有相關(guān)性，它們的相關(guān)性隨著沉積物 的沉積環(huán)境和沉積條件的不同而不同。 反映聲學(xué)特性的主要參量有聲速、聲阻抗、聲衰減系數(shù)、聲反射系數(shù)和 反射損失等。沉積物類型與聲學(xué)參數(shù)值之間存在緊密的依賴關(guān)系，不同類型 的沉積物有不同的聲學(xué)性質(zhì)，因此，可以根據(jù)海底沉積物的聲學(xué)參數(shù)判斷沉 積物類型。 海底反射系數(shù)的物理意義明確、直觀，是最早應(yīng)用于表征海底沉積物的 聲學(xué)特性。不同的沉積物具有不同的密度和速度，因而具有不同的阻抗，反 射系數(shù)也不相同。 由聲納方程可以知道，回聲信號(hào)級(jí)為s l - 2 t l + t s ，其中s l 是聲源級(jí)，t l 是傳輸損失，t s 是目標(biāo)強(qiáng)度。對(duì)于正入射的回波信號(hào)，t s = 1 0 1 9 ( , l j ) ， 表示海底的入射聲強(qiáng)，l 表示海底的反射聲強(qiáng)，r ，= 五則代表聲強(qiáng)反射系 數(shù)。因此，通過確定s l 、t l 和回波信號(hào)級(jí)，可以得到目標(biāo)強(qiáng)度t s ，從而計(jì) 算反射系數(shù)。正入射的情況下，海底的聲壓反射系數(shù)r ?？梢员硎緸椋?r 。：p 2 c 2 - p i c l( 1 1 ) 島乞+ n q 其中向表示水的密度，q 表示水中的聲速，島表示水下沉積物的密度，乞表 哈爾濱j ：程大學(xué)碩士學(xué)位論文 示水下沉積物的聲速。水的密度和水中聲速近似為常量，因此通過測(cè)量反射 系數(shù)可以反演沉積物的聲阻抗。不過反射系數(shù)是個(gè)絕對(duì)量，要精確測(cè)量有一 定的困難。除了需要準(zhǔn)確知道前置放大器增益外，還需要進(jìn)行精確的時(shí)間增 益補(bǔ)償：同時(shí)航行中載體的姿態(tài)、速度都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。在相同的 測(cè)量條件下，計(jì)算得到相對(duì)反射系數(shù)依然可以用于不同類型沉積物的比較“。 1 3 2 海底沉積物類型 按海底基本的地形要素來劃分，或者說按深度和離岸遠(yuǎn)近來劃分，海洋 沉積物分為三類1 ： 1 深海沉積物，包括大洋盆地和深水海淵的沉積物，面積占7 2 ： 2 ，大陸沉積物，即淺海區(qū)的沉積物，這種類型約占海洋面積的8 2 ； 3 陸坡沉積物，即次深海沉積物，面積占1 9 4 。 上述沉積物類型中，因?yàn)樯詈^(qū)域的沉積條件最穩(wěn)定，所以深海沉積物 也相對(duì)穩(wěn)定。大陸架沉積物受緯度、氣候、季節(jié)的影響，尤其水動(dòng)力( 波浪、 恒流、潮汐等) 因素引起的沉積物的成分變化最為強(qiáng)烈，有機(jī)物質(zhì)作用引起的 化學(xué)作用也最活躍，致使有些海區(qū)可交替出現(xiàn)沉積物的沖刷帶和沉積帶。這 使得大陸架沉積物比大陸坡沉積物，特別是比深海沉積物要復(fù)雜得多。陸坡 沉積物屬性介于前兩者之間。 沉積層的分類及物理參數(shù)范圍的劃分目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但大同小 異，這里給出h a m i l t o n 的分類結(jié)果： 表1 。l 沉積層類別及參數(shù) 砂泥 類型粗砂細(xì)砂特細(xì)砂泥砂砂泥泥 ，粘土 粘泥泥觥 密度( g 冊(cè)3 ) 2 0 3 41 9 5 71 8 6 61 0 8 61 7 8 71 7 6 71 5 8 31 4 6 91 4 2 1 聲速( 捌j ) 1 8 3 61 7 5 31 6 9 71 6 6 81 6 6 41 6 2 31 5 8 01 5 4 61 5 2 0 k 。( d b m i d t z ) 0 4 7 90 5 1 00 6 7 30 6 9 20 7 5 60 6 7 3o 1 1 30 0 9 50 0 7 8 海底底質(zhì)分類命名：綜合考慮海洋界和水聲界的習(xí)慣，以s h e p a r d 分類 命名為基礎(chǔ)，并考慮h a m i l t o n 等人的習(xí)慣表示法，同時(shí)為了簡化，將其中的 “砂質(zhì)粘土”和“粘土質(zhì)砂”并入“砂粉砂粘土”類“，如圖1 1 所示： 6 哈爾濱一啊鼉大學(xué)碩士學(xué)位論文 粘土 5 02 5粉砂 圖1 1 海底底質(zhì)的s h e p h a x d 三角圖分類法 1 4 海底底質(zhì)分類聲學(xué)方法介紹 利用聲學(xué)方法遙測(cè)海底沉積物類型的原理是利用聲學(xué)換能器向海底發(fā)射 聲波，通過記錄并分析回波信號(hào)來了解海底沉積物的屬性，具有工作高效、 經(jīng)濟(jì)、取得資料連續(xù)、豐富的特點(diǎn)，結(jié)合一定的傳統(tǒng)取樣或光學(xué)觀察，為海 底沉積物分類提供了一種迅速而可靠的方法。 1 4 1 根據(jù)入射信號(hào)的角度分類 淺海表層海底沉積物聲學(xué)遙測(cè)的儀器及方法多種多樣，根據(jù)入射聲信號(hào) 與海底所成角度不同，可分為正入射法和斜入射法“4 。 1 4 l 1 正入射法 正入射法是在傳統(tǒng)的回聲測(cè)深與海底地層剖面儀基礎(chǔ)上發(fā)展起來，它利 用垂直入射聲脈沖海底面及海底沉積物的回聲信號(hào)特征分析來遙測(cè)海底沉積 7 哈爾濱j ：程大學(xué)碩士學(xué)位論文 物的物理性質(zhì)與沉積物類型?；芈曅盘?hào)特征分析主要是從回聲信號(hào)中分離出 與沉積物類型之問有較好關(guān)系的聲學(xué)分類特征量，如根據(jù)回聲振幅計(jì)算反射 系數(shù)( b r e s l a u 等，1 9 6 5 年) ，從回波包絡(luò)估算沉積物的聲衰減系數(shù)( 孟金生，1 9 8 2 年，1 9 8 4 年) ，根據(jù)多層介質(zhì)聲學(xué)理論估算各層沉積物的聲阻抗( 8 e n n e t t 等， 1 9 9 2 年) 等，然后根據(jù)這些聲學(xué)特征量與沉積物物理性質(zhì)之闊的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系， 如h a m i l t o n 等人的工作( h a m i l t o n ，1 9 8 0 ) ，來估計(jì)沉積物物理性質(zhì)，確定沉 積物類型。也有的是根據(jù)聲散射理論從相鄰回波互相關(guān)系數(shù)等特征量估算海 底粗糙度并進(jìn)而識(shí)別海底沉積物的類型。 正入射分類方法根據(jù)其聲換能器激發(fā)的聲信號(hào)不同( 如選通等幅脈沖，寬 頻帶脈沖，連續(xù)線性掃頻脈沖等) ，其設(shè)備及所用信號(hào)處理方法也有較大差異。 1 4 1 2 斜入射方法 斜入射方法是通過非垂直入射情況下的海底回聲特征來遙測(cè)沉積物性 質(zhì)。與正入射方法相比。它要復(fù)雜得多，但由于斜入射時(shí)海底回聲對(duì)海底沉 積物參數(shù)往往更敏感，同時(shí)采用斜入射法?？蛇M(jìn)行條帶狀的探測(cè)，因此斜入 射法有其優(yōu)點(diǎn)。除了聲納浮標(biāo)、折射與反射地震等較大深度的遙測(cè)方法外， 目前常用的斜入射遙測(cè)方法主要有側(cè)掃聲納與多波束回聲測(cè)深兩種，且都是 遙測(cè)海底表層沉積物性質(zhì)的。 側(cè)掃聲納接收的是斜入射倩況下的海底反向散射信號(hào)，這些信號(hào)包含了 大量有關(guān)海底沉積物的信息，可用來進(jìn)行沉積物分類。 多波束回聲測(cè)深是7 0 年代發(fā)展起來的新一代深測(cè)量技術(shù)，能精密測(cè)定海 底一定條帶范圍內(nèi)的水潺地形。目前用多波束測(cè)深方法遙測(cè)沉積物已積累了 一定經(jīng)驗(yàn)，由于它是同時(shí)結(jié)合水深地形的精密測(cè)量進(jìn)行，因此它可望有較高 的準(zhǔn)確度，也有很好的發(fā)展前途。但是多波束測(cè)深系統(tǒng)昂貴，因此它也有較 大的局限性。 1 4 2 根據(jù)使用特征量處理方法分類 根據(jù)對(duì)分類所使用特征量的處理方法不同，又可分為海底聲學(xué)參數(shù)反演， 對(duì)特征量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征分類以及圖像的紋理特征分類方法。 哈爾濱j 二程大學(xué)碩士學(xué)位論文 i 4 2 1 海底聲學(xué)參數(shù)反演 該方法通過反演海底表層沉積物的聲學(xué)參數(shù)( 如聲阻抗、聲吸收系數(shù)) ， 結(jié)合沉積層物理性質(zhì)( 密度、聲速、平均粒徑、孔隙率等) 的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行沉 積物分類，目前研究得最為廣泛和深入的是對(duì)一維分層介質(zhì)模型的阻抗剖面 反演問題?，F(xiàn)有的反演方法多種多樣，各有優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，主要分為逆 散射方法和特征線方法兩大類。逆散射方法最初從量子力學(xué)領(lǐng)域發(fā)展起來并 逐步應(yīng)用于電磁學(xué)、聲學(xué)、地球物理等研究領(lǐng)域中的反問題研究方法。逆散 射方法能夠求得數(shù)學(xué)上的精確解，但也存在計(jì)算量大、不適用于參數(shù)發(fā)生突 變的情況等缺點(diǎn)。 特征線法則屬于時(shí)域反演方法。在時(shí)域內(nèi)求解的方法較在頻域內(nèi)求解的 方法有許多優(yōu)點(diǎn)，在問題的描述上比較直觀，物理意義明確，更重要的是能 夠?qū)崿F(xiàn)局部重構(gòu)，即反射信號(hào)最先到達(dá)的部分只包含介質(zhì)最上層的信息，后 期到達(dá)的信號(hào)包含上層信號(hào)和下層信號(hào)的疊加。研究波動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，從特征線 理論出發(fā)的方法是一種非常直觀的方法。 另外，還有一些科研工作者通過將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型預(yù)報(bào)值進(jìn)行匹配的方 法反演海底介質(zhì)各參數(shù)用于海底介質(zhì)分類。該方法的基本思路是尋找使現(xiàn)場(chǎng) 實(shí)測(cè)信號(hào)與由模型參數(shù)搜索空間中某組參數(shù)形成的仿真波形間的失配值為最 小( 或相關(guān)值為最大) 的一組參數(shù)值，該組參數(shù)即是反演的最佳值。該方法避 開了一般反演方法中的非唯一性問題，目前已被廣泛應(yīng)用于聲源定位及海洋 地聲模型參數(shù)反演等領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)證明其反演精度明顯優(yōu)于其它算法。 1 4 2 ，2 統(tǒng)計(jì)特征分類 統(tǒng)計(jì)特征分類方法是對(duì)大量海底沉積物回波信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，運(yùn)用不同的 統(tǒng)計(jì)方法，提取各種統(tǒng)計(jì)特征量以進(jìn)行海底沉積物類型的多參數(shù)分類與識(shí)別。 該方法不需要得到沉積物各參數(shù)的準(zhǔn)確值，而只需通過比較統(tǒng)計(jì)特征值之間 的差別來進(jìn)行分類。加拿大維多利亞大學(xué)d i z a j i 等人對(duì)原始散射信號(hào)進(jìn)行處 理，提取f f r 譜特征、s v d 分解值以及小波分析熵值等特征量，利用這些特 征量對(duì)不同海底分類；t e g o w s k i 和l u l m i e w s k i 從海底回波信號(hào)中提取分形維 數(shù)并與反向散射強(qiáng)度及回波信號(hào)持續(xù)時(shí)間特征量結(jié)合對(duì)波羅的海g d a n s k 灣 9 哈爾濱_ l 程大學(xué)碩七學(xué)位論文 附近海底沉積物進(jìn)行了識(shí)別與分類；k i m 、c h a n g 和j o u 等人對(duì)回波信號(hào)作 k - l 變換提取相似性指數(shù)( s 0 作為海底分類的特征量。目前市場(chǎng)上基于該原理 的比較成熟的海底底質(zhì)分類系統(tǒng)有s t e n m a rm i c r os y s t e ml t d 的r o n a n n 以及 q u e s t e r t a n g e n t 公司的q t c v i e w , 前者從回波信號(hào)及多次反射信號(hào)中提取特 征量進(jìn)行底質(zhì)識(shí)別與分類，后者則從回波的時(shí)、頻域信號(hào)中提取多達(dá)1 6 6 個(gè) 特征參數(shù)，然后利用主成分分析進(jìn)行參數(shù)壓縮，得到最有利于分類的3 個(gè)特 征值，在三維空間中進(jìn)行聚類分析。 1 4 2 3 圖像的紋理特征分類 對(duì)淺層剖面儀、測(cè)掃聲納、多波束聲納等聲學(xué)設(shè)備生成的圖像的紋理特 征進(jìn)行分析也可以得到統(tǒng)計(jì)特征量用于海底底質(zhì)分類。紋理是很難下定義的， 它表征相鄰像元的灰度或彩色的空間相關(guān)性或它隨空間麗變化的對(duì)人視覺的 反映和理解。紋理是海底表面結(jié)構(gòu)粗糙程度的直接反映，可利用它進(jìn)行分類， 描述紋理的特征量有許多，如紋理的密度、紋理的方向、紋理的粗細(xì)程度等。 一般使用灰度共生矩陣法來統(tǒng)計(jì)紋理，用不同的權(quán)矩陣對(duì)其進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算可 以得到一系列的紋理特征量，可以用于提取圖像中紋理信息的特征統(tǒng)計(jì)量主 要有：反差、熵、逆差距、灰度相關(guān)，能量、角二階距和方差等。為了避免 過分依賴于單一形式的紋理，還可提取海底地形的分維數(shù)，其反映了地形粗 糙程度。如果影像沒有匹配的水深數(shù)據(jù)，可直接計(jì)算影像的分維數(shù)，它是海 底地形分形的直接反映。 海底環(huán)境復(fù)雜多變，采用某種方法、某個(gè)特征量可能只對(duì)識(shí)別一部分 沉積物有效，而要有效地識(shí)別各種沉積物海底，則可能需要使用幾個(gè)特征量， 甚至使用凡種不同的方法，因此有必要尋找新的更有效的分類特征量。 1 5 本文的主要研究工作 本文主要應(yīng)用聲學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征分類方法，即從時(shí)域、頻域、時(shí)頻分析 三個(gè)方面采用不同的方法，通過處理舟山海上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)海域表層沉 積物類型進(jìn)行分類研究。 論文簡要描述了舟山海上實(shí)驗(yàn)的概況，包括實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)布置、海底 沉積物的樣品分析及實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)校正；分別從時(shí)域、頻域、時(shí)頻分析三個(gè)方 1 0 哈爾濱： 程大學(xué)碩七學(xué)位論文 面所采用的不同的統(tǒng)計(jì)特征分類方法進(jìn)行了理論闡述；重點(diǎn)是將統(tǒng)計(jì)特征分 類方法進(jìn)行了海上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，針對(duì)不同方法分別提取分類特征量對(duì)該海 域的沉積物類型進(jìn)行分類。時(shí)域上基于能量歸一化曲線和相平面方法提取與 回波信號(hào)持續(xù)時(shí)間相關(guān)的特征量；頻域上應(yīng)用等q 值子帶能量特征提取與頻 率衰減相關(guān)的特征量；時(shí)頻域上對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅立葉變換、連續(xù)小波 變換、離散小波變換、頻域離散小波變換，將各變換后得到的矩陣分別進(jìn)行 奇異值分解作為特征量進(jìn)行底質(zhì)類型分類。另外，定義各分類方法提取特征 量的類內(nèi)距與類間距的比值，作為特征有效性的判別準(zhǔn)則，判斷不同方法提 取的各分類特征量的有效性。 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章舟山海上實(shí)驗(yàn)介紹 2 0 0 6 年4 月中科院聲學(xué)所和哈爾濱工程大學(xué)在浙江省舟山群島進(jìn)行了關(guān) 于“”項(xiàng)目的海上實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所用船是舟山海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站的“浙海環(huán)監(jiān)” 調(diào)查船。 2 1 海上實(shí)驗(yàn)方案 2 1 1 實(shí)驗(yàn)海區(qū) 實(shí)驗(yàn)海區(qū)位于舟山本島與金塘島之間的橫水洋西北端、金塘島東側(cè)邊坡， 屬典型的潮汐通道，水下邊坡坡度較大，水深o m - 7 0 m 。周邊有眾多島嶼環(huán) 繞，環(huán)境隱蔽，較少受外海波浪影響。不正規(guī)半日潮流，作用較強(qiáng)，以往復(fù) 流為主。泥沙來源主要受長江入海泥沙擴(kuò)散南移影響，懸浮泥沙濃度分布季 節(jié)變化明顯。海底表層沉積物類型多種，有泥質(zhì)也有砂質(zhì)沉積，東西兩岸為 軍用和民用的待開發(fā)深水岸段，其中東岸部分深水岸段己建有碼頭。 圖2 1 實(shí)驗(yàn)海區(qū)圖 1 2 哈爾濱j 二程大學(xué)碩士學(xué)位論文 j i _ i i i i i e i | i i i i i i i i i j i i ；e _ l it 日_ 2 1 2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 2 1 2 ，1 實(shí)驗(yàn)船只 本實(shí)驗(yàn)使用船只是浙江省舟山市環(huán)境監(jiān)測(cè)站的“浙海環(huán)監(jiān)”實(shí)驗(yàn)調(diào)查船。 該船排水量4 9 0 t , 船長5 4 m ，型寬8 2 m ；吃水2 6 m ，干舷1 2 m - 吊放能力后 甲板l t 搖臂吊一臺(tái)，水文吊4 臺(tái)；專業(yè)實(shí)驗(yàn)室四間( 總計(jì)約6 0 m 2 ) ：主機(jī) 1 2 0 0 馬力，航速2 1 3 節(jié)，變矩漿無級(jí)變速；輔機(jī)3 臺(tái)；參試人員艙位3 0 人?？赏瓿珊Ｑ蟮刭|(zhì)、地球物理、海洋物理、海洋化學(xué)、海洋生物等海洋調(diào) 查任務(wù)。 圖2 2 實(shí)驗(yàn)船只“浙海環(huán)監(jiān)” 2 1 2 2 實(shí)驗(yàn)儀器 1 聲源系統(tǒng) 信號(hào)源使用a g i l e n t3 3 2 0 a 任意波形發(fā)生器；發(fā)射換能器應(yīng)用換能器 基陣，發(fā)射波束寬度很窄，換能器的發(fā)射頭漂浮在海面上，垂直指向海底。 主要技術(shù)參數(shù)：發(fā)射信號(hào)類型為c w 脈沖、線性調(diào)頻，脈寬為2 m s 、5 m s ， 定時(shí)發(fā)射周期為1 s 。 2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使用的b k 公司生產(chǎn)的3 5 6 0 e p u l s e 多分析儀。 3 水昕器及導(dǎo)流罩，水聽器具有寬帶，全指向性，高靈敏度特性。為了 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 降低海流沖擊水聽器引起的噪聲，水聽器上加導(dǎo)流罩。 4 g p s 定位系統(tǒng)，利用g p s 定位系統(tǒng)準(zhǔn)確對(duì)每個(gè)站位定位。 2 1 2 3 實(shí)驗(yàn)布置方案 海雇 船頭 船尾 l 4 m jij 1 0 m 1- l 接收水新器 j 1 m ， 一： 一l 鉛魚 圖2 3 實(shí)驗(yàn)布置方案圖 如圖2 3 所示，發(fā)射換能器發(fā)射寬帶信號(hào)，發(fā)射換能器發(fā)射頭漂浮在海 面上，垂直指向海底。水聽器吊放在發(fā)射換能器的垂直下方，距海面1 4 米 水聽器接收到的第一個(gè)峰是入射信號(hào)，也就是由聲源到水昕器的直達(dá)信號(hào)， 第二個(gè)峰是海底回波信號(hào)。由于實(shí)驗(yàn)需要同時(shí)采集直達(dá)信號(hào)和海底散射信號(hào)， 如果把接收水聽器放在水面附近，散射信號(hào)和直達(dá)信號(hào)幅度相差太大，散射 信號(hào)難以準(zhǔn)確測(cè)量；如果把接收水聽器放在海底，直達(dá)信號(hào)和散射信號(hào)會(huì)重 疊在一起，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)難以分析。所以將水聽器置于水面和海底之間，這樣 散射信號(hào)和直達(dá)信號(hào)幅度相差不大，可以準(zhǔn)確測(cè)量，同時(shí)水聽器距離海底1 0 米以上，直達(dá)信號(hào)和散射信號(hào)可以完全分開。 在水聽器下吊放懸掛鉛球的作用是為了使水聽器保持豎直，在海流比較 急的時(shí)候，需要增加鉛魚個(gè)數(shù)。為提高信號(hào)的信噪比，在接收聲信號(hào)時(shí)拋錨 停船，同時(shí)關(guān)閉輔機(jī)，船上的儀器用電都由船頂部的柴油發(fā)電機(jī)提供。 1 4 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 2 2 1 海底采樣底質(zhì)分析 c 區(qū)水下地形復(fù)雜，海底基本由潮汐通道和潮汐通道邊坡組成。潮汐通 道內(nèi)有高低起伏的高地出現(xiàn)。潮汐通道邊坡下部和潮汐通道的底部均分布粗 顆粒沉積物( 含礫砂和砂) 。潮汐遇道邊坡的上部和c 區(qū)的西南部，分布細(xì)顆 粒沉積物粘土質(zhì)粉砂，除潮汐通道底部的站位外，大部分的樣品的表層有 3 - 5 e r a 左右的灰黃色浮泥，這層浮泥與季節(jié)和潮汐變換有關(guān)，潮汐通道底部 沉積物顆粒粗。 a 區(qū)水深變化不大，有成層地層分布，沉積韻律明顯。所有表層樣品均 為粘土質(zhì)粉砂，大部分的樣品表層有3 - 5 c m 左右的灰黃色浮泥，這層浮泥與 季節(jié)和潮汐變化有關(guān)。 2 2 2 數(shù)據(jù)處理分析 2 2 2 。1 回波信號(hào)的時(shí)頻特征 圖2 4 和圖2 5 分別是第3 站位原始信號(hào)時(shí)域波形和頻譜特征，圖2 a 第 一個(gè)峰是入射信號(hào)，即聲源到水聽器的直達(dá)波，第二個(gè)峰是海底【回波信號(hào)。 - - l上址 一 i 7 。 圖2 43 站位的原始信號(hào)時(shí)域波形 t 乜) 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 53 站位的原始信號(hào)的頻譜 在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)得了五個(gè)站位的海底回波數(shù)據(jù)，標(biāo)號(hào)分別記為 l 、2 、3 、4 、5 號(hào)站位，其中l(wèi) 、2 號(hào)站位海域?qū)儆赾 區(qū)，海底底質(zhì)類型為礫 粉；3 、4 、5 號(hào)站位屬于a 區(qū)，海底底質(zhì)類型為粘土質(zhì)粉砂。 2 - 2 2 2 幾何擴(kuò)散校正 在進(jìn)行底質(zhì)分類識(shí)別及信號(hào)處理之前，需要對(duì)幅度及波形進(jìn)行校正。其 中對(duì)信號(hào)的幅度影響較大的是幾何擴(kuò)展損失，所以我們對(duì)信號(hào)的校正主要是 幾何擴(kuò)展校正。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)射換能器的發(fā)射頭是，= 0 3 m 的正方形，可以把 聲源近似看作活塞聲源。由于聲源接近水面，海水與空氣的聲阻抗相差很大， 可以把海面看作無限大障板。因此，該問題轉(zhuǎn)化為無限大障板的活塞輻射問 題”“。聲場(chǎng)計(jì)算的原理如圖2 6 所示。 設(shè)圖中面元d 8 對(duì)位于m 點(diǎn)處的聲場(chǎng)貢獻(xiàn)為： 咖= 竺口( “ 舳協(xié)( 2 1 ) h 式中a 為距d s 單位距離處的聲場(chǎng)振幅，h 為d s 距m 點(diǎn)的距離。由聲場(chǎng)疊加原 理可知，整個(gè)活塞聲源在m 點(diǎn)處的輻射聲壓為； 1 6 哈爾濱工程大學(xué)碩七學(xué)位論文 p 2 晗“枷西 c z 國 圖2 ，6 聲場(chǎng)計(jì)算原理圖 遍及整個(gè)活塞表面，當(dāng)d r 時(shí)( d 為活塞中心到觀察點(diǎn)1 1 1 的距離) ，可粗 略地認(rèn)為從活塞上各面元到達(dá)m 處的振幅相差很小，上式中的h 可近似用d 來代替，上式( 2 - 2 ) 可以寫為： p - “- j - p ”喇s ( 2 3 ) u 式中s 為活塞面積。從式( 2 3 ) 可以看出，對(duì)于活塞聲源很遠(yuǎn)的觀察點(diǎn)，聲壓 近似艟距離成反比衰減。利用式( 2 3 ) 對(duì)海底回波信號(hào)按球面波擴(kuò)展進(jìn)行幾何 擴(kuò)展校正，下圖為第4 站位信號(hào)的校正結(jié)果。 “ 一 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 - l r 1 _ 圖2 84 站位幾何擴(kuò)展校正后的時(shí)域波形圖 2 3 本章小結(jié) 本章對(duì)2 0 0 6 年4 月舟山海上實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了介紹，包括實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、 海底沉積物樣品分析、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的幾何擴(kuò)展校正等。從海底樣品分析結(jié)果中 可以看出，實(shí)驗(yàn)中的五個(gè)站位的海底底質(zhì)類型大致可分為兩類，礫粉和粘土 質(zhì)粉砂。 1 8 哈爾濱r 程大學(xué)碩士學(xué)位論文 第3 章統(tǒng)計(jì)特征分類方法 統(tǒng)計(jì)特征分類方法通過從回波信號(hào)中提取特征量，并比較它們的差別來 進(jìn)行沉積物分類，該方法比較的是不同底質(zhì)特征量之間的差別，因此對(duì)實(shí)驗(yàn) 系統(tǒng)及數(shù)據(jù)精度的要求比較寬松，是目前應(yīng)用比較廣泛的海底底質(zhì)分類方法。 應(yīng)用統(tǒng)計(jì)特征方法進(jìn)行沉積物分類識(shí)別流程如圖3 1 所示。 信號(hào)預(yù)處理 l 特征量提取 j l i 底質(zhì)分類識(shí)別 l 圖3 1 統(tǒng)計(jì)特征分類流程圖 3 1 時(shí)域方法 3 1 1 能量歸一化函數(shù)和系數(shù) 海底回波信號(hào)是由海底表面的散射信號(hào)和沉積物中的反向散射信號(hào)形成 的”。入射至4 海底的聲信號(hào)在海水海底界面散射，形成比發(fā)射脈沖長的回波。 另外，海底沉積物是不同粒徑、不同形狀、不同礦物成分顆粒的混合體，并 包含海水。一般情況下，沉積物不是均勻的，聲速、密度在垂直和水平方向 上都有起伏變化。海底沉積物通常是分層的，除了大的分層，也可能有細(xì)的 1 9 哈爾濱工程人學(xué)碩士學(xué)位論文 分層結(jié)構(gòu)。透射入沉積層中向下傳播的聲波，由于沉積物的不均勻性產(chǎn)生反 射和散射，這也使接收到的回波信號(hào)形成拖尾?？傊?，回波的形狀與海底表 面的粗糙度、沉積物中聲波的衰減系數(shù)、海底聲速結(jié)構(gòu)等有關(guān)。 因此，回波形狀包含著有關(guān)沉積物的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的信息，拖尾長度 和形狀與沉積物的衰減系數(shù)有關(guān)，定義了能量歸一化函數(shù)，和能量歸一化系 數(shù)分別為： l ，【n d e o ) = ，0 f t ( 3 1 ) j ：，( ) 鴛 1 ， f = 去【e ( t ) d t ( 3 2 ) v 式( 3 1 ) 中，j ( f ) 為回波包絡(luò)信號(hào)，t 的取值是從回波前沿到拖尾結(jié)束，r 的大小取決于聲波穿透深度。式( 3 1 ) 是針對(duì)高頻率的短脈沖發(fā)射信號(hào)而提出 的，因?yàn)檩^高頻率的信號(hào)對(duì)地層的穿透能力很弱，如2 5 k h z 聲波對(duì)于泥底最 大可穿透5 米以上，而對(duì)于砂底則僅十幾至數(shù)十厘米，所以說回波信號(hào)中的 拖尾具有比較明顯的起止范圍?；夭ㄎ膊克p越快，則e ( f ) 曲線趨向飽和就 越快，從而該曲線與時(shí)間軸之聞包圍的面積就越大。廠實(shí)際上是回波衰減快 慢的一個(gè)量度。在計(jì)算廠時(shí)已經(jīng)對(duì)回波總能量歸一化，故，只取決于回波包 絡(luò)的形狀，而與回波幅度的絕對(duì)值無關(guān)。 j a c k s o ndr 等人曾多次對(duì)海底沉積層的聲散射特性進(jìn)行了理論研究和 實(shí)驗(yàn)分析。研究表明；砂質(zhì)海底沉積物層，水和沉積層界面的粗糙度對(duì)聲波 散射起主導(dǎo)作用；淤泥海底沉積物層，沉積層內(nèi)非均勻介質(zhì)的體積散射起主 導(dǎo)作用。因此，回波形狀包含著有關(guān)沉積物的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的信息，可以 從中提取有效的分類特征。 回波形狀在很大程度反映在回波包絡(luò)形狀上。對(duì)于信號(hào)包絡(luò)的提取，目 前最常用的方法是采用h i l b e r t 變換將原始實(shí)信號(hào)變換成復(fù)解析信號(hào)，將其模 作為包絡(luò)信號(hào)，我們將這種包絡(luò)提取法簡稱為h t 方法；另外，對(duì)信號(hào)取絕 對(duì)值，然后經(jīng)過一個(gè)低通濾波器的方法；h t 方法對(duì)于窄帶載波信號(hào)的包絡(luò) 提取是很有效的，但對(duì)于時(shí)變的寬帶回波信號(hào)，h t 方法將信號(hào)中的高次諧 波也一同提取出來，產(chǎn)生了不光滑的毛刺，導(dǎo)致較差的分類效果”。 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 下面以第4 站位海底回波信號(hào)時(shí)域波形如圖3 2 為例，分別應(yīng)用h t 方 法和經(jīng)過低通濾波器的方法得到回波信號(hào)的包絡(luò)如圖3 3 所示： 00 5 礦( v ) 0 0 n 0 3 n 0 2 n 0 1 0 圖3 24 站位原始回波信號(hào)波形 h 。 j 。 啊盯h ii 顧始回波信號(hào)時(shí)域波形圖 o0 0 2 0 0 4o0 6 00 80 1 希爾伯特方法得到的信號(hào)包絡(luò) 2 圖3 34 站位回波信號(hào)的包絡(luò) 對(duì)于低通濾波方法的運(yùn)算量較小，是工程中的常用方法。本文回波信號(hào) 包絡(luò)的提取是采用對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波消噪后，再進(jìn)行低通濾波的方法獲得 2 l 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 1 2 相平面方法 相平面法是用來解低維動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的一種圖解法，其實(shí)質(zhì)是將系統(tǒng)的運(yùn)