海底浅地层声能衰减模型构建及其两个重要声能衰减特征参数提取方法技术

本发明专利技术公开了海底浅地层声能衰减模型构建及其两个重要声能衰减特征参数提取方法，主要包括以下步骤：(1)首先根据声呐方程计算出接收换能器接收到来自海底的反射波声能级；(2)自海底起，依次计算海底浅地层沉积物各个层的回波声能级；(3)根据测量平差理论，推导出浅地层整个声能传播过程的数学模型；(4)依据浅地层在横向小范围内沉积物类型变化缓慢规律，再根据最小二乘法则，得出同一个地层上相邻道的反向散射差和衰减补偿残余都近似相等。本发明专利技术揭示了声波在海底浅地层沉积物中的衰减规律，并推导了两个能够反映沉积物物理特性的重要声学参数，因此可为浅地层底质类型分类提供了重要的声学特征参数，更利于提高底质分类的精度。

Construction of acoustic attenuation model and two important methods for extracting acoustic attenuation characteristic parameters in submarine shallow strata

The invention discloses a subbottom acoustic energy attenuation model and its two important energy attenuation characteristic parameter extraction method includes the following steps: (1) according to the sonar equation to calculate the receiving transducer receives the reflected wave from the bottom of the sea level; (2) from the sea bottom, followed by calculating the echo level of the shallow stratum each sediment layer; (3) according to the adjustment theory, derived mathematical model of the acoustic propagation process in the shallow strata; (4) according to the type of sediment in the transverse small range shallow slow change rule, according to the least squares rule, that the backscattering of the same formation on adjacent channel and attenuation compensation the residual are approximately equal. The invention discloses attenuation of acoustic waves in the shallow stratum in the sediments, and two important acoustic parameters can reflect the physical properties of the sediment are derived, thus providing the acoustic characteristics parameters for shallow sediment type classification, more conducive to improve the accuracy of seafloor classification.

【技术实现步骤摘要】
海底浅地层声能衰减模型构建及其两个重要声能衰减特征参数提取方法
本专利技术涉及海洋地质工程领域，特别涉及海底浅地层声能衰减模型构建及其两个重要声能衰减特征参数提取方法。
技术介绍
众所周知，海底浅地层沉积物探测是海底资源调查研究、海洋环境开发和海洋工程设计的工作基础，而浅地层剖面仪作为目前海底浅地层沉积物高精度探测的主要设备之一，可借助其实现海底沉积物类型高精度探测、海底资源精准探测开发、海底沉积物演变、海底滑坡及垮塌等地质灾害的预警、跨海大桥建设辅助勘测等。目前，浅地层沉积物探测尤其受到相关领域专家的密切关注，而在沉积物探测中，沉积物的声学特征参数对沉积物分类起到重要的作用，声学特征参数可从浅地层声能衰减过程中提取，为此，研究浅地层的声能衰减规律及对其构建模型尤为重要。国外一些科研机构和学者对浅地层声能衰减规律及其对沉积物分类的作用研究较早，Frazer通过计算浅地层的声能品质因子获得声能的衰减，认为品质因子与沉积物的类型和密度、饱和度有关(Frazeretal.,1999)。Caulfield运用小波变换对原始浅剖数据进行估计浅地层的吸收，以此可探测海区的异常污染物和天然气沉积物(Caulfieldetal.,2000)。Stevenson提出一种计算浅地层各层声速的方法，并给出了浅地层声能的时间和频率分辨率的计算方法(Stevensonetal.,2001)。2002年Stevenson通过浅剖数据估计沉积物的品质因数Q(振幅衰减至初始值的1/eπ所经过的周期数)，与实验室模拟原位测量的品质因数比对确定层内的沉积物类型(Stevensonetal.,2002)。由于沙、淤泥和黏土的品质因数非常相近，所以用这种方法无法区分这三种沉积物。Gutowski等利用发射低频段不同频率的声波，生成浅剖图像，通过比较图像的分辨率和声能衰减，可知高频的声波能获得分辨率较高的图像，但是声能在沉积物中的衰减越快，最后通过实验证明发射信号包络满足正弦平方函数的声波具有最优的剖面图像分辨率和沉积物穿透力(Gutowskietal.,2002)。Harrison通过谱分解恢复不连续地层反射系数的相位，以期通过傅里叶变换获得每个波速掠射角最小的相位冲击影响，该方法可从海底周围环境提取平面波反射系数(Harrison,2004)。Szpak运用核磁共振方法对浅剖数据进行处理以发现海底天然气麻坑，这种方法在没有明显的天然气烟囱和偏移距情况下都可发现天然气麻坑，并可从浅地层剖面中分辨出天然气水合物的边界(Szpaketal.,2012)。国内一些学者在相应领域的研究也取得一些成果，如王方旗根据浅地层介质的反射系数给出一种浅地层剖面地层畸变及校正方法(王方旗etal.,2011)。李鲲鹏提出了基于小波包分解的地层吸收补偿方法，该方法适用于地层介质品质因子Q未知的情况下，在实际应用中可取得一定的效果(李鲲鹏etal.,2000)。张固澜提出基于改进的广义S变换的地层吸收衰减补偿方法，通过提取地层品质因子Q并利用无损的广义S反变换进行相应的声能补偿(张固澜etal.,2010)。宫同举结合平面波的传播理论和粘弹性理论提出提取介质品质因子Q的改进方法，并针对微测井资料的品质因子进行反演，进而给出基于动力学特征的反Q补偿方法，通过实验验证了方法的有效性(宫同举,2010)。张瑾针对基于波动理论反Q滤波方法计算的振幅算子补偿较深层的地震数据存在较不稳定的现象，提出基于波场延拓反Q滤波的正则化方法，同时给出了基于振幅补偿算子压制高频干扰信号的迭代滤波法，并提出了基于Kolsky模型波场延拓经验公式的纵波、横波Q值估计方法(张瑾,2013)。由此可见，上述现有技术仍存在以下缺陷：(1)没有公开到浅地层整个声能衰减规律，也无具体的数学模型可以描述浅地层的声能衰减规律。(2)传统的浅地层底质分类过程中，一般使用到浅地层声呐图像的纹理特征参数，几乎极少用到能够反映浅地层衰减规律的声学特征参数，即使用到一些声学参数，但也未必能够准确地反映或检测出声能在浅地层传播过程中的衰减。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是揭示海底浅地层声能传播衰减方式，在全面分析水声信道传播特性、浅地层底质物理特性与声能衰减关系的基础上，公开一种海底浅地层声能衰减模型构建及其两个重要声能衰减特征参数提取方法，以满足高精度的浅地层底质分类的要求。为达到上述专利技术目的，本专利技术要解决的技术问题主要包括如下几个方面：(1)海底浅地层整个声能传播过程的数学模型构建。(2)回波损失能级曲线上每个峰差的相对上下界反向散射差BL*i和相对衰减补偿残余两个重要声能衰减特征参数的提取。为此，本专利技术提供的海底浅地层声能衰减模型构建及其两个重要声能衰减特征参数提取方法，主要包括以下步骤：(1)首先根据声呐方程计算出接收换能器接收到来自海底的反射波声能级；(2)自海底起，依次计算海底浅地层沉积物各个层的回波声能级；(3)根据测量平差理论，推导出浅地层整个声能传播过程的数学模型；(4)依据浅地层在横向小范围内沉积物类型变化缓慢，再根据最小二乘法则，得出同一个地层上相邻道的反向散射差和衰减补偿残余都近似相等，因此，可进一步简化浅地层声能传播过程的数学模型，进而推导出回波损失能级曲线上每个峰差的相对上下界反向散射差BL*i和相对衰减补偿残余进一步，一种利用浅地层声能衰减模型测量海底浅地层沉积物中声能衰减量的方法，包括以下步骤：(1)首先根据声呐方程计算出接收换能器接收到来自海底的反射波声能级；(2)自海底起，依次计算海底浅地层沉积物各个层的回波声能级；(3)根据测量平差理论，推导出浅地层整个声能传播过程的数学模型；(4)依据浅地层在横向小范围内沉积物类型变化缓慢规律，再根据最小二乘法则，得出同一个地层上相邻道的反向散射差和衰减补偿残余都近似相等，通过简化浅地层声能传播过程的数学模型，推导出回波损失能级曲线上每个峰差的相对上下界反向散射差BL*i和相对衰减补偿残余以及(5)测定海底浅地层沉积物中声能衰减量。通过上述技术方案，本专利技术的有益效果是：(1)在分析了声呐方程和海底浅地层底质物理特性与声能衰减关系的基础上，构建了浅地层整个声能传播过程的数学模型，揭示了声能在浅地层的衰减规律。(2)提取了回波损失能级曲线上每个峰差的相对上下界反向散射差BL*i和相对衰减补偿残余两个重要声能衰减特征参数。(3)为高精度的浅地层底质分类提供了两个重要的声学特征参数。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是浅地层剖面的声波传播模型；图2是浅地层两个重要的声能衰减特征参数提取过程。具体实施方式为了使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本专利技术。首先，本专利技术涉及如下技术术语：声呐方程声呐系统一般由接收器、声源、海水信道三个环节组成，上述环节中诸多因素影响声强，如声源级SL、指向性DI、传播损失TL、目标强度BS、环境噪声NL、等效混响RL等(赵建虎,2本文档来自技高网...

【技术保护点】
海底浅地层声能衰减模型构建及其两个重要声能衰减特征参数提取方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)首先根据声呐方程计算出接收换能器接收到来自海底的反射波声能级；(2)自海底起，依次计算海底浅地层沉积物各个层的回波声能级；(3)根据测量平差理论，推导出浅地层整个声能传播过程的数学模型；以及(4)依据浅地层在横向小范围内沉积物类型变化缓慢规律，再根据最小二乘法则，得出同一个地层上相邻道的反向散射差和衰减补偿残余都近似相等，通过简化浅地层声能传播过程的数学模型，推导出回波损失能级曲线上每个峰差的相对上下界反向散射差BL

【技术特征摘要】
1.海底浅地层声能衰减模型构建及其两个重要声能衰减特征参数提取方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)首先根据声呐方程计算出接收换能器接收到来自海底的反射波声能级；(2)自海底起，依次计算海底浅地层沉积物各个层的回波声能级；(3)根据测量平差理论，推导出浅地层整个声能传播过程的数学模型；以及(4)依据浅地层在横向小范围内沉积物类型变化缓慢规律，再根据最小二乘法则，得出同一个地层上相邻道的反向散射差和衰减补偿残余都近似相等，通过简化浅地层声能传播过程的数学模型，推导出回波损失能级曲线上每个峰差的相对上下界反向散射差BL*i和相对衰减补偿残余。2.如权利要求1所述的海底浅地层声能衰减模型构建及其两个重要声能衰减特征参数提取方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：何林帮，赵建虎，卢建华，邱振戈，
申请(专利权)人：上海海洋大学，
类型：发明
国别省市：上海,31