第八章第八章第八章海底地貌及底质探测海底地貌及底质探测SurveySurveyofofSeabedSeabedTopographyTopography&&GeologyGeology概述本本声波与海底底质的相互作用回波强度及其数据处理章章声纳图像的形成原理多波束声纳图像内内侧扫声纳及其声纳图像基于声纳图像判读海底地貌容容海底浅层剖面仪海底底质分类思考题海底地貌是指海底表面的形态、样式和结构。由于地壳构造等内营力、海水运动等外营力相互作用生成，并由于这种作用的性质、强弱和时间等因素，使海底地表起伏形成大、中、小不同规模的三级地貌单元。按所处位置和基本特征分为大陆边缘、大洋盆地和大洋中脊三大基本地貌单元。海底地貌的探测通过海底地貌探测仪来实现，通常采用的是侧扫声纳系统。海底底质探测主要是针对海底表面及浅层沉积物性质进行的测量。在所有的海底底质探测手段中，基于声学设备通过获取海底底质声纳图像反映海床底质、地貌的方法具有简单、有效等特点，它们也成为本章介绍的重点。8.18.1声波与海底底质的相互作用波束传播过程中的声能变化可用下式描述：则距离声源R处的声强为：波束在传播的过程中，随着球形扩展和海水的吸收，能量的减少量TL（传播损失）为：BS取决于海底底质类型、地形条件和波束在海底的投射面积AE，表达为：设τ为脉冲宽度，ψT、ψR、θ分别为发射、接收波束宽度以及波束的入射角，则AE为：BSB是BS0（反映海底底质特征和粗糙度）项以及角度相关项的和，即：00当波束入射角θ位于15~65范围时，BSB与入射角的相关性用Lambert法则（k=2）可以很好的描述；当波束近乎垂直入射时，BSB（BSN）是比较复杂的，是海底类型和粗糙度的函数。综上，θ≈00时：θ≈150时：由上可知，声能方程具有计算系统探测距离的能力；声能方程还能反映海底底质类型的变化，因而具有解释海底底质特征的作用。根据海水中声波传播理论，声波遇到不连续界面时会产生反射、折射和散射现象。讨论光滑界面上入射、反射和折射声压之间的关系时，需做如下两个假设：(1)界面上不存在剩余压力，即(2)界面上质点的法线方向运动速度为零Pi源脉冲方向P则反射系数R为：Pr入射角θi反射角θiρiCi散射散射ρC海床tt折射角令则：θtPt由此可知，声波在介质面处的反声波与介质面的作用射特性与物质的密度相关，密度大，则反射系数大。上述模型是在假设海底为镜面情况下得出的结论，实际海床的起伏、底质的多变均会给回波强度带来一定的影响，研究其影响对于波束为非垂直入射的声纳系统具有重要意义。根据声能方程式，发射波束与海底的直接作用体现在BS项上。海底对声波的散射强度与声波在海底的照射面积AE有关，还与海底物质的物理属性(BSB)有关。BSB可表达为：根据BSB与海底物质的关系，则可反演海底不同地质类型的区域分布，即海底底质分类。8.28.2回波强度及其数据处理底部检测可以获得每个到达波束的回波强度，而回波强度正是声纳图像形成的基本参数。回波强度反映的是波束与其海底投射点的相互作用产生的声能的变化。影响BSB的因素主要有SL、EL、DIR、TL、NL和声波的散射以及混响。若能准确得到这些参量，就能获得反映海底特征的真正散射信号强度。实际海洋环境是复杂的，影响声强的因素主要有：海洋环境噪声、声波的散射和混响、声能的传播损失、海底沉积层对声波的吸收、海底地形的影响、声速剖面的影响。信号的传播损失扩展损失是波阵面随距离扩展产生的声强衰减。2设距离声源R1和R2的两个波阵面面积分别为S1=4πR12和S2=4πR2，在波阵面上所对应的声强为I1和I2，可表示为：由于在无耗损介质中，声波穿透波阵面的功率应该保持不变，则有关系式：根据无耗损介质的特点有：R1=1m时，综合考虑，则距离声源R处的声强I2为：式中α为衰减系数，n为波束的传播形式，对于球面传播n等于2。则海水中声能的传播损失为：在海洋水文因素一定的情况下，吸收造成的衰减主要与频率相关，频率愈大，衰减愈大，当频率大于10kHz时，衰减因子α对声强的影响变成一个主要因素。声线弯曲改正根据声线跟踪原理，波束在整个水柱中经历的实际声程R为：或若声速在层i中以常梯度gi变化，则式中，θi和θi+1为厚度∆zi水层表面波束的入射角和层底的出射角，对应着声速Ci和Ci+1。根据Snell法则，结合声速剖面和波束在水表层发射时刻的入射角，便可追