[發明專利]一種聲學底質與水柱測試系統及方法

有效

• 申請號: 201711133386.3
• 申請日: 2017-11-15
• 公開（公告）號: CN107942392B
• 公開（公告）日: 2023-08-11
• 發明（設計）人: 趙荻能;朱超;吳自銀;韓冰;陽凡林;劉洋;周潔瓊;尚繼宏;李守軍;張田升
• 申請（專利權）人: 自然資源部第二海洋研究所;東海實驗室
• 主分類號: G01V1/38
• 分類號: G01V1/38
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林松海

本發明公開了一種聲學底質與水柱測試系統及方法。系統包括底質分類聲學水槽和移動聲學測試平臺，底質分類聲學水槽包括槽體、底質傳送帶、底質進出窗口、氣泡注入管和導軌；槽體為雙層結構，底質傳送帶橫臥在槽體下部，導軌安裝在槽體頂部；氣泡注入管從槽體頂部伸入到槽體內部。移動聲學測試平臺包括移動聲學測試吊車、可伸縮聲學儀器安裝桿、控制終端。使用時，通過底質進出窗口送入測試底質，開動傳送帶將其送入水槽底部，控制終端遙控吊車的前進并采集底質聲強數據。本發明克服了傳統聲學水槽難以直接應用于聲學底質測試的缺點，為準確構建聲學關系模型，實現聲學底質分類提供了良好的試驗環境和方法，可在海洋測繪與海洋工程中廣泛應用。

技術領域

本發明屬于海洋調查與海底探測技術領域，具體是指一種聲學底質與水柱測試系統及方法。

背景技術

海底底質類型是一種重要的海洋環境參數，底質類型的分布對海洋科學研究、海洋工程以及國防建設等具有重要的科學與實際意義。傳統的地質取樣方式在分析底質特征、確定底質類型時存在設備笨重，工作費時、費力等不足；且傳統取樣通常按一定網格離散取樣(常大于5km)，通過資料內插與外延來了解區域內海底底質特性，取樣網格間的底質類型可靠性無法驗證。隨著海洋資源開發活動的大規模開展，迫切要求更新、更快的方法對海區底質類型及其分布情況有全面、系統的掌握。

由于不同類型的海底底質其反射散射聲波的能力不同，從而可以以聲強測量信息為特征，進行聲學底質分類。利用聲強數據，并結合一定的傳統地質取樣進行底質分類，為海底底質分布提供了一種快速而有效的探測方法。聲學底質分類相比于傳統地質取樣方法具有快速、全覆蓋、高采樣率、高效率和低成本等優點。

反射散射聲波強度不但同海底底質粒度有關，而且同底質含水量、密度和力學強度等物理特性密切相關。通常情況下，可以根據海底反向散射強度的強弱不同劃分不同的底質類型，如巖石散射聲強的能力比礫石強，礫石散射聲強的能力強于砂，砂散射聲強的能力又強于泥等。但是，由于海底底質含水量、密度和力學強度等物理特性的不同，會產生迥然不同的情況，例如致密的泥的散射聲強要強于松散的砂；海底底質成因環境的不同，也會產生不同的情況，例如陸架現代沉積粘性土的散射聲強與陸架殘留粘性土的散射聲強就有明顯差異；這些并不完全符合散射聲強值與底質類型之間的一般規律。同時，由于海洋環境的復雜性(如水體中存在氣柱)及改正模型的不完善性，獲得只反映海底底質類型的海底反向散射強度數據仍是國際上研究的一個熱點問題。因此，底質聲學特性與多種因素相關，迫切需要開展聲學底質模型研究。

分析聲強與聲波入射角、底質平均粒度等因素之間的統計關系，構建底質類型與回波特征曲線關系，建立底質聲學關系模型，獲取聲強與底質類型之間的改正參數，將這一改正結果應用到底質分類中，可有效提高底質分類精度。因此，通過約束或給定研究條件(水深、頻率、底質類型等)，精細化分析聲強是海底底質分類技術發展的必經過程，建立底質聲學關系模型是進行聲學底質分類的關鍵。

國內外研究人員在聲學底質分類方面做了大量有益的工作，但存在分類精度不高、分類級別不多等問題。且當前的研究較少關注聲強與底質類型特征之間的關系模型建立技術，而這一模型的構建是聲學底質分類的核心內容以及提高分類精度的關鍵。通過實驗室水槽試驗，研究不同底質類型條件下，聲波信號頻率與回波反射散射強度之間的變化規律，詳細系統地尋求海底反向散射強度與底質類型特征之間的關系，揭示不同海底底質對聲波信號頻率變化的統計相關性以建立底質聲學關系模型，是開展反向散射強度數據底質類型分類理論依據的理想方法。而底質分類聲學水槽及實驗方法鮮有報道。

聲學水柱信息攜帶了從換能器到海底的完整聲學信號，為水中目標(包括氣體和固體)受聲照射后的反向散射成像。聲學水柱探測技術可廣泛應用于水下目標物(水雷、潛艇)識別、懸移質輸運、氣體泄露、海底熱液噴口、海洋內波等軍事民用領域。由于聲學水柱探測尚是一種新的探測手段，目前對其的研究還較少，且缺乏對聲學水柱信息和聲學散射模型關系的研究。

發明內容