劉保華，闞光明，裴彥良，楊志國(guó)，于凱本，于盛齊

(1.國(guó)家深?；毓芾碇行?，山東 青島 266061；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋地質(zhì)過(guò)程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237；3.國(guó)家海洋局第一海洋研究所 海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237)

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海底聲散射特性研究進(jìn)展

劉保華1，2，闞光明2，3*，裴彥良2，3，楊志國(guó)1，于凱本1，2，于盛齊1

(1.國(guó)家深海基地管理中心，山東 青島 266061；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋地質(zhì)過(guò)程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237；3.國(guó)家海洋局第一海洋研究所 海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237)

海底是水下聲場(chǎng)的重要邊界，其聲散射特性對(duì)水下聲場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)及分布規(guī)律具有至關(guān)重要的影響。對(duì)目前國(guó)際上海底聲散射特性研究方面的進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和總結(jié)，從海底聲散射測(cè)量技術(shù)、海底聲散射特性及機(jī)理、海底聲散射預(yù)測(cè)模型3個(gè)方面進(jìn)行了論述，并提出了未來(lái)研究的方向、研究重點(diǎn)與難點(diǎn)。該工作對(duì)于充分了解和認(rèn)識(shí)海底聲散射研究的目前現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)具有很好的借鑒和指導(dǎo)意義。

海底聲散射特性；散射模型；海底混響；水下聲場(chǎng)

1 引言

水下聲場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)及分布規(guī)律研究在水下目標(biāo)探測(cè)、水下通訊和導(dǎo)航、水文測(cè)量和海底地形地貌勘測(cè)等軍事、海洋科學(xué)及生產(chǎn)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。海底是水下聲場(chǎng)的一個(gè)重要邊界，包括海底聲散射特性在內(nèi)的海底聲學(xué)特性對(duì)水下聲場(chǎng)的空間結(jié)構(gòu)和分布規(guī)律具有至關(guān)重要的影響。海底聲散射是海洋混響的重要來(lái)源，而海洋混響則是主動(dòng)聲吶探測(cè)的主要干擾源。因此，研究海底聲散射有利于包括海底混響在內(nèi)的海洋混響的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，對(duì)于提高水下聲吶性能和目標(biāo)探測(cè)的精度具有重要意義。另外，海底聲散射研究還與淺海聲場(chǎng)預(yù)報(bào)、匹配場(chǎng)定位、潛艇著底隱蔽地點(diǎn)選擇等應(yīng)用具有密切的關(guān)系。

海底聲散射特性與海底粗糙度、沉積物非均勻性以及聲波掠射角密切相關(guān)，對(duì)于不同的測(cè)量頻率，其相關(guān)性變化規(guī)律也不相同。而且，不同的海底環(huán)境條件以及不同的聲波頻率，其聲散射機(jī)理也不相同。因此，深入認(rèn)識(shí)海底聲散射特性、影響機(jī)理以及預(yù)測(cè)模型，是進(jìn)行水下聲場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)研究、水下聲場(chǎng)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)和水下目標(biāo)精確探測(cè)的重要環(huán)節(jié)。鑒于海底聲散射特性的重要性，早在20世紀(jì)50年代，國(guó)外科學(xué)家就開始了海底聲散射特性的測(cè)量和研究[1]。之后，不同研究者分別從測(cè)量技術(shù)、特性及機(jī)理分析、預(yù)測(cè)模型等方面開展了大量的研究工作。與國(guó)外相比，目前國(guó)內(nèi)無(wú)論是在海底聲散射測(cè)量技術(shù)還是在散射機(jī)理和模型等方面開展的研究還非常少，存在很大的差距。

本文對(duì)目前國(guó)際上海底聲散射特性測(cè)量技術(shù)及機(jī)理和預(yù)測(cè)模型方面的研究成果進(jìn)行了總結(jié)，闡述了國(guó)際上在海底聲散射測(cè)量技術(shù)研發(fā)、海底聲散射特性測(cè)量及機(jī)理分析、海底聲散射預(yù)測(cè)模型研究等方面的發(fā)展現(xiàn)狀，并提出了目前研究工作中尚未解決的問(wèn)題及未來(lái)研究的方向、研究重點(diǎn)與難點(diǎn)，以期能夠?qū)ξ覈?guó)將來(lái)海底聲散射特性的研究工作提供借鑒和指導(dǎo)。

2 海底聲散射特性測(cè)量技術(shù)研究進(jìn)展

美國(guó)海底聲散射測(cè)量開始于20世紀(jì)50年代。Urick[1]將一收發(fā)合置的圓柱活塞換能器固定在木桿上，借助于駁船將換能器放置在靠近海底處，進(jìn)行了最早期的海底反向散射測(cè)量。測(cè)量的頻率范圍為10～60 kHz，通過(guò)水平和垂直方向旋轉(zhuǎn)木桿，來(lái)獲得不同方位角和掠射角的測(cè)量數(shù)據(jù)。Urick和Saling[2]又采用炸藥聲源對(duì)水深為4 400 m的海底進(jìn)行了反向散射測(cè)量，聲源的頻帶約為500～8 000 kHz，炸藥的爆炸深度和水聽器沉放深度均為15 m。Wong和Chestermax[3]采用一個(gè)磁致伸縮的換能器作為聲源和接收水聽器，在香港的近岸海域進(jìn)行了海底的反向散射測(cè)量，測(cè)量的頻率為48 kHz，發(fā)射聲波的脈沖寬度為0.4 ms和2.8 ms兩種。總之，在20世紀(jì)50-60年代，海底聲散射測(cè)量剛剛起步，實(shí)驗(yàn)所使用的均是非常簡(jiǎn)單的裝置，還未開展專業(yè)的海底聲散射測(cè)量技術(shù)研究。

20世紀(jì)70年代末，美國(guó)華盛頓大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的Barry等[4—5]研制出一種拖曳式海底反向聲散射測(cè)量裝置(圖1)。通過(guò)一個(gè)類似于球狀萬(wàn)向節(jié)(ball-in-socket)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，將發(fā)射和接收合置的聲學(xué)換能器安裝在拖曳平臺(tái)上，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以方便實(shí)現(xiàn)換能器掠射角的調(diào)整，平臺(tái)上還安裝由測(cè)深和姿態(tài)傳感器。Jackson等[6]采用該設(shè)備對(duì)粉砂、砂質(zhì)和礫石海底度進(jìn)行了反向聲散射測(cè)量，通過(guò)安裝3個(gè)不同頻帶的收發(fā)合置平面換能器獲得了20～85 kHz的頻帶覆蓋范圍，換能器垂直方向發(fā)射和接收波束角為20°～40°，水平波束角為10°～20°，聲源級(jí)為205 dB re.μPa@1 m，實(shí)驗(yàn)中平臺(tái)的拖曳速度為2～5 kn。Stanic等[7]研制出一種適用于淺水的坐底式海底聲散射系統(tǒng)(圖2)，整套系統(tǒng)由兩個(gè)坐底式的塔式支架組成，兩個(gè)支架安裝由16個(gè)水聽器組成的T型接收陣，其中一個(gè)還安裝有高頻參量陣聲源，聲源的差頻頻率為20～180 kHz，差頻聲源級(jí)為187 dB re.μPa@20 kHz和214 dB re.μPa@180 kHz，該系統(tǒng)可進(jìn)行高頻的海底反向聲散射和前向聲散射測(cè)量。除上述兩套海底聲散射測(cè)量設(shè)備外，Boehme等[8]將發(fā)射和接收換能器安裝在一個(gè)高4 m的三角架上，將該裝置放置在海底進(jìn)行了頻率范圍為30～95 kHz的海底反向聲聲散射測(cè)量。從上述的分析可以看出，在20世紀(jì)70-80年代，海底聲散射測(cè)量技術(shù)得到快速發(fā)展，研發(fā)出了多臺(tái)套的專門用于海底聲散射測(cè)量的專業(yè)設(shè)備，測(cè)量精度得到很大提高。本階段的測(cè)量頻率主要集中在20 kHz以上的高頻。

圖1 Barry等研發(fā)的拖曳式海底聲散射測(cè)量裝置(改自文獻(xiàn)[5-6])Fig.1 Towed sonar system for bottom scattering measurement(modified from reference[5-6])

圖2 Stanic等研發(fā)的坐底式海底聲散射測(cè)量系統(tǒng)(改自文獻(xiàn)[7])Fig.2 Bottom-mounted bottom scattering measurement system(modified from reference[7])

20世紀(jì)90年代中，Greaves和Stephen[9]采用由10個(gè)低頻彎張換能器組成的垂直線陣聲源和由128個(gè)水聽器組成的水平接收陣在大西洋中脊進(jìn)行了海底聲散射測(cè)量。垂直線陣聲源的彎張換能器的排放間距為2.29 m，通過(guò)各換能器的時(shí)延相控發(fā)射，聲源可以形成俯角為9°的相控波束，在實(shí)驗(yàn)中，聲源進(jìn)行LMF掃頻發(fā)射，掃頻寬度為200～255 Hz，信號(hào)長(zhǎng)度為5 s。接收陣列的基元間距為2.5 m，通過(guò)波束形成技術(shù)，產(chǎn)生了126個(gè)具有不同方向的接收波束，但0°～30°和150°～180°兩個(gè)波束方向的數(shù)據(jù)因波束太寬且受接收陣姿態(tài)變化和船舶噪音的影響大而無(wú)法使用[9]。20世紀(jì)90年代末和21世紀(jì)初，美國(guó)海軍研究辦公室聯(lián)合華盛頓大學(xué)、Scripps海洋研究所、意大利NATOSACLANT海底科學(xué)研究中心等科研機(jī)構(gòu)開展了兩個(gè)綜合的海底聲學(xué)實(shí)驗(yàn)，分別為：SAX99(Sediment Acoustic Experiment-1999)和SAX04(Sediment Acoustic Experiment-2004)[10—12]。在SAX99實(shí)驗(yàn)中采用了BAMS(Benthic Acoustic Measurement System)、STMS(Sediment Transmission Measurement System)、XBAMS(Accelerated Benthic Acoustic Measurement System)3種系統(tǒng)進(jìn)行海底聲散射測(cè)量[10-11]。BAM系統(tǒng)的工作頻率為40 kHz和300 kHz，XBAMS的工作頻率為300 kHz，二者的換能器均可以按一定的波束角在水平方向上步進(jìn)旋轉(zhuǎn)，以獲得不同方位角的海底聲散射強(qiáng)度(圖3)。STMS為一個(gè)可用于海底沉積物聲衰減測(cè)量、海底聲透射和海底聲散射測(cè)量的綜合測(cè)量系統(tǒng)，其海底聲散射測(cè)量的工作頻率為20～150 kHz，換能器不能夠自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，需要潛水員通過(guò)移動(dòng)設(shè)備來(lái)進(jìn)行不同區(qū)域的海底散射測(cè)量。SAX04項(xiàng)目使用的設(shè)備類似于STMS的固定式換能器，但較SAX99具有如下兩點(diǎn)改進(jìn)：(1)測(cè)量頻帶拓寬為20～500 kHz；(2)將聲學(xué)測(cè)量設(shè)備安裝在一個(gè)長(zhǎng)約28 m的鋪設(shè)在海底的導(dǎo)軌上，聲學(xué)測(cè)量設(shè)備在導(dǎo)軌上按照指定步長(zhǎng)自動(dòng)移動(dòng)，以減少潛水員人工移動(dòng)設(shè)備對(duì)測(cè)量產(chǎn)生的影響[11]?？v觀20世紀(jì)90年代的海底聲散射測(cè)量技術(shù)發(fā)展，主要有如下兩個(gè)特點(diǎn)：(1)新技術(shù)不斷被應(yīng)用到海底聲散射測(cè)量，如：低頻彎張換能器技術(shù)，時(shí)延相控發(fā)射技術(shù)，多基元接收波束形成技術(shù)，步進(jìn)自動(dòng)控制技術(shù)等；(2)同步開展海底粗糙度、沉積物非均勻性等環(huán)境參數(shù)測(cè)量以及相關(guān)技術(shù)研發(fā)，以便能夠建立精細(xì)的海底聲散射預(yù)測(cè)模型。

進(jìn)入21世紀(jì)，海底聲散射測(cè)量及相關(guān)技術(shù)研發(fā)在很多國(guó)家得到廣泛重視。2000年，意大利SACLANT海底研究中心的Holland等[12]采用如圖4所示垂直接收陣和組合換能器聲源對(duì)400～4 000 Hz頻帶范圍內(nèi)的海底反向聲散射進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)采用的ITC4001換能器聲源由3個(gè)換能器組成，通過(guò)不同組合間隔產(chǎn)生頻率分別為1 200 Hz、1 800 Hz、3 600 Hz的指向性聲波，彎張換能器聲源由兩個(gè)間距為1.25 m的低頻彎張換能器組合產(chǎn)生頻率為600 Hz的指向性聲波。接收采用間距為18 cm的32基元垂直接收陣。加拿大國(guó)防研究發(fā)展中心的Hines等[13]研發(fā)了一種用于淺海中頻小掠射角海底聲散射測(cè)量的設(shè)備，對(duì)頻率為4 kHz和8 kHz、掠射角為3°～15°的砂質(zhì)海底反向聲散射特性進(jìn)行了測(cè)量。系統(tǒng)主要由參量陣聲源、超指向性線列陣、聲強(qiáng)立體接收陣、安裝平臺(tái)等部分組成(圖5)。參量陣聲源由9個(gè)基元組成，4 kHz和8 kHz的發(fā)射響應(yīng)分別為185 dB和192 dB(測(cè)量距離為5 m)，水平和垂直波束寬度為4°～7°。超指向性接收陣由6個(gè)小型全向性水聽器組成，基元間距為16 cm。安裝參量陣和超指向性線列陣的支架可以360°旋轉(zhuǎn)，水平和垂直轉(zhuǎn)角的測(cè)量精度為±1°。2010年，韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)的La和Choi采用單個(gè)的全向性聲源和全向性水聽器在韓國(guó)南部的近岸淺水海域開展了頻率為8 kHz的海底聲散射測(cè)量[14]。Manik等[15]使用定量回聲測(cè)深儀進(jìn)行了海底反向散射測(cè)量。近幾年的海底聲散射測(cè)量的顯著特點(diǎn)是：研究人員將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了10 kHz以下的中低頻海底聲散射的測(cè)量和研究，主要原因在于中低頻聲吶在水聲通訊、水下探測(cè)等方面的廣泛應(yīng)用。

圖3 SAX99實(shí)驗(yàn)海底聲散射測(cè)量觀測(cè)系統(tǒng)示意圖(改自文獻(xiàn)[11])Fig.3 Geometry of bottom scattering in SAX99(modified from reference[11])

圖4 中低頻(400～4 000 Hz)海底聲散射測(cè)量裝置(改自文獻(xiàn)[12])Fig.4 The device used for bottom scattering measurement at low-mid frequency(400-4 000 Hz) (modified from ref-erence[12])

圖5 淺海小掠射角海底反向散射測(cè)量實(shí)驗(yàn)(改自文獻(xiàn)[13])Fig.5 Geometry of bottom backscattering at low grazing angle in shallow water(modified from reference[13])

在國(guó)內(nèi)，金國(guó)亮等[16]在放置于海底的支架上安裝10個(gè)換能器，輪流以其中一個(gè)作為發(fā)射，其余作為接收，進(jìn)行了頻率為10 kHz的海底聲散射測(cè)量[16]。近幾年，宋磊[17]和薛婷[18]研究了采用具有指向性平面換能器和T型接收陣進(jìn)行海底散射系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法，并在淺海進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。曹正良等[19]采用T矩陣方法對(duì)平面海底界面上球體目標(biāo)的聲散射建模進(jìn)行了研究?？傮w來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)目前還沒有用于海底聲散射測(cè)量的專業(yè)設(shè)備，研究主要集中于理論分析和數(shù)值仿真。

3 海底聲散射特性及機(jī)理研究進(jìn)展

20世紀(jì)50-60年代，海底聲散射特性研究主要是分析海底反向聲散射與掠射角、聲波頻率、發(fā)射脈沖長(zhǎng)度、海底底質(zhì)類型等參數(shù)的關(guān)系[1—3，20]。主要結(jié)論如下：(1)海底聲散射總體上隨著掠射角的增大而增加，但對(duì)于不同的海底類型和掠射角范圍，二者的函數(shù)關(guān)系則不同；(2)絕大部分研究人員認(rèn)為海底聲散射強(qiáng)度不存在明顯的頻率依賴性，或僅存在很弱的頻率依賴性；(3)海底聲散射強(qiáng)度與發(fā)射脈沖長(zhǎng)度不存在明顯的相關(guān)性；(4)雖然散射強(qiáng)度與海底沉積物顆粒粒徑不存在明顯變化規(guī)律，但對(duì)于不同類型的海底，聲散射強(qiáng)度還是存在一些普遍的趨勢(shì)，即：砂質(zhì)和巖石等硬質(zhì)海底聲散射強(qiáng)度一般大于黏土和粉砂等軟質(zhì)海底的聲散射強(qiáng)度。在聲散射機(jī)理方面，研究人員得出一些初步的認(rèn)識(shí)，普遍認(rèn)為海底聲散射主要是由海底的粗糙度或微起伏所引起的。但對(duì)于海底沉積物顆粒對(duì)聲散射的貢獻(xiàn)，不同研究者給出了不同的結(jié)論。Urick[1]認(rèn)為海底聲散射主要由海底粗糙性(即不規(guī)則性)引起，而不是沉積物顆粒對(duì)聲波的散射。Wong和Chestermax[3]則指出，對(duì)于48 kHz的聲波，砂質(zhì)或更大粒徑的顆粒是小掠射角時(shí)海底聲散射的主要散射體，在較大掠射角和近垂直入射時(shí)，海底粗糙散射是主要機(jī)制。McKinney和Anderson[20]指出沉積物的顆粒屬性也是引起海底聲散射的一個(gè)重要方面，但顆粒和粗糙性并不是相互獨(dú)立的兩個(gè)方面，沉積物顆粒堆積在一起形成與聲波波長(zhǎng)尺寸相當(dāng)?shù)纳⑸潴w，這是海底散射與顆粒具有一定相關(guān)性的原因；另一方面，這些顆粒堆積體也正是形成海底微起伏(即粗糙性)或沉積層結(jié)構(gòu)的重要因素。除此之外，Urick和Saling[2]基于中低頻(500～8 000 Hz)聲散射數(shù)據(jù)指出海底沉積物中沉積層反射可能是引起海底聲散射增加的一個(gè)因素。

20世紀(jì)70-80年代，海底聲散射測(cè)量主要集中在淺海(水深小于50 m)和高頻(20～180 kHz)反向聲散射測(cè)量，海底底質(zhì)包括淤泥、粉砂、細(xì)砂、含貝殼層、礫石和巖石等多種類型。此時(shí)期主要的研究進(jìn)展如下：(1)海底聲散射強(qiáng)度隨掠射角的增大而增強(qiáng)，二者關(guān)系可以采用Lambert法則公式較好地?cái)M合，即：BS=10lgμ+10lg(sin2θ)，θ為掠射角，10lgμ為垂直入射時(shí)的聲散射[21—24]；(2)聲散射存在微弱的頻率依賴性，但不同研究者依據(jù)不同的底質(zhì)類型和測(cè)量頻率分別給出了不同的變化關(guān)系，總體來(lái)說(shuō)，聲散射與聲波頻率的關(guān)系很難用一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)來(lái)表述，其與海底底質(zhì)類型、海底粗糙度、測(cè)量頻率等多個(gè)參數(shù)有關(guān)[6，21—24]；(3)開展了聲散射強(qiáng)度與方位角關(guān)系的研究，Stanic等[22—23]在Panama城附近海域的砂質(zhì)海底和Jacksonville附近海域的含有粗貝殼層海底的測(cè)量數(shù)據(jù)均未顯示出明顯的方位角依賴性，而Boehme等[21]通過(guò)在水平方向上以不同的方位角掃描具有良好分界的細(xì)砂和粗砂海底，發(fā)現(xiàn)了在分界線處海底散射強(qiáng)度的明顯變化；(4)在開展海底聲散射測(cè)量的同時(shí)，采用側(cè)掃聲吶、水下攝像、立體照相、高分辨率測(cè)深、淺地層剖面、沉積物巖心分析等技術(shù)對(duì)海底粗糙性和非均勻性等底質(zhì)環(huán)境進(jìn)行了測(cè)量，為深入研究散射機(jī)理和模型奠定了基礎(chǔ)[21]；(5)雖然海底粗糙性是引起海底聲散射的主要機(jī)制，但多個(gè)海區(qū)的數(shù)據(jù)表明海底散射強(qiáng)度與均方根高度沒有明顯的相關(guān)關(guān)系，這說(shuō)明對(duì)于海底聲散射來(lái)說(shuō)海底均方根粗糙度不是海底粗糙性的有效表述參數(shù)，研究者開始采用海底粗糙度譜來(lái)表征海底粗糙度[23]。在海底聲散射機(jī)理研究方面，在目前研究的頻率范圍內(nèi)(20～180 kHz)，顆粒散射不是海底聲散射的主要機(jī)制，這一點(diǎn)得到普遍共識(shí)。Jackson等[6]綜合多種數(shù)據(jù)指出，對(duì)于顆粒粒徑大小相似的海底散射強(qiáng)度相差10～15 dB。研究人員普遍認(rèn)為，海底粗糙散射和體積散射是海底散射的主要機(jī)制，但對(duì)于兩種散射機(jī)制對(duì)海底聲散射的貢獻(xiàn)程度及適用條件，不同研究研究人員給出了不同的結(jié)論：Bunchuk和Zhitkovskii[24]認(rèn)為在淺水區(qū)主要是體積非均勻性而不是界面粗糙性來(lái)主導(dǎo)海底聲散射；而Jackson等[25]則認(rèn)為，對(duì)于淤泥和粉砂等軟質(zhì)海底，在除了很小和很大掠射角之外的中等掠射角范圍內(nèi)，體積散射占主導(dǎo)作用，而對(duì)于粗砂等硬質(zhì)海底，在很寬的掠射角范圍內(nèi)粗糙散射均占主導(dǎo)地位。Jackson等開發(fā)了包括粗糙散射和體積散射在內(nèi)的復(fù)合粗糙度散射模型，但該模型并未給出體積散射強(qiáng)度的計(jì)算公式，而是采用一個(gè)自由變量來(lái)代替，需通過(guò)數(shù)據(jù)擬合來(lái)確定[25]。如何能夠更好地揭示粗糙散射和體積散射兩種機(jī)制，則需要更完善的模型以及更多的聲學(xué)和底質(zhì)參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)。

20世紀(jì)90年代，海底聲散射特性測(cè)量和研究具有如下進(jìn)展和特點(diǎn)：(1)除傳統(tǒng)的高頻(20～300 kHz)測(cè)量外，研究人員對(duì)1 000 Hz以下的低頻海底聲散射特性進(jìn)行了測(cè)量和散射機(jī)理研究：Tang等[26]采用頻率為250～650 Hz的深拖地震技術(shù)測(cè)量了大西洋中脊附近沉積物盆地的海底聲散射特性；Greaves和Stephen[9]采用200～255 Hz的聲波對(duì)大西洋中脊地殼特征進(jìn)行了測(cè)量，試圖建立聲散射強(qiáng)度與地殼傾角的相關(guān)關(guān)系以便能夠采用聲散射數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別具有不同傾角的地殼類型，但未能給出滿意的結(jié)果。(2)測(cè)量和研究了海底淺表層沉積物中存在的氣泡所引起的聲散射特性及模型：Tang等[27]對(duì)比了砂質(zhì)海底與含氣泡層的粉砂海底的聲散射特性，指出砂質(zhì)海底的聲散射主要是由海底界面散射引起，而粉砂海底聲散射主要由淺表層沉積物中的氣泡對(duì)聲波的散射引起；Chu等[28]進(jìn)一步建立了一個(gè)雙層的模型來(lái)模擬由海底氣泡引起的雙基地散射強(qiáng)度，模型假設(shè)氣泡為扁圓球形，且不同氣泡散射不存在相干性，均為一次散射。(3)開展了高頻的收發(fā)分置的雙基地海底聲散射的測(cè)量和研究：Stanic等[29]采用如圖2所示裝置測(cè)量了頻率為20～180 kHz的海底雙基地散射特性；Williams和Jackson[30]分別測(cè)量了頻率為40 kHz的粗砂海底和含氣的粉砂海底前向散射強(qiáng)度，并將測(cè)量數(shù)據(jù)與基于反向散射模型推導(dǎo)出的前向散射模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。(4)SAX99和SAX04綜合聲學(xué)實(shí)驗(yàn)開始實(shí)施，實(shí)驗(yàn)的最大特點(diǎn)是同步開展了精細(xì)的海底環(huán)境特性測(cè)量和精確的高頻海底聲散射同步測(cè)量，對(duì)海底粗糙度和沉積物非均勻性特征進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量和表征，為高頻海底聲散射特征及聲散射模型綜合研究提供了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[10—11，31—32]。在聲散射機(jī)理研究方面，除海底粗糙界面引起的聲散射之外，研究者開始關(guān)注海底之下沉積物特性引起的聲散射，并給出了多種海底之下聲散射的機(jī)制[25，27—28，33—35]。Jackson等建立的復(fù)合粗糙度散射模型雖然指出沉積物體積散射的存在，并沒有分析引起沉積物體積散射的具體機(jī)制[25]；Hines認(rèn)為海底沉積物孔隙度的波動(dòng)是引起體積散射的重要機(jī)制[33]；Lyons等[34]將海底之下聲散射歸結(jié)為兩種機(jī)制：一是與Hine提出的孔隙度波動(dòng)相類似的沉積物的非均勻性，另一種是海底沉積物層引起的粗糙界面聲散射；Tang等[27]和Chu等[28]認(rèn)為，對(duì)于淺表層沉積物含氣泡的粉砂質(zhì)海底，氣泡對(duì)聲波的散射是海底散射的主要機(jī)制；Jackson和Ivakin[35]認(rèn)為除了密度和縱波速度(聲速)非均勻性之外，剪切波速度非均勻性也是引起體積散射的主要因素?？傊?，到目前為止，研究人員普遍認(rèn)識(shí)到海底散射主要由海底界面散射和來(lái)自海底沉積物的聲散射組成。海底的粗糙性是引起界面散射的主要機(jī)制，可采用海底粗糙度譜來(lái)表征海底的粗糙性。海底沉積物的聲散射來(lái)源于多種機(jī)制，包括由海底沉積物非均勻性(密度、孔隙度、聲速、剪切波速度等非均勻性)引起的體積散射、海底氣泡引起的聲散射、海底沉積物層(或基底)粗糙性引起的聲散射、非連續(xù)沉積層引起的體積散射等。因此，在進(jìn)行海底聲散射特性研究時(shí)，應(yīng)針對(duì)不同的聲波頻率和特定的海底環(huán)境條件，認(rèn)真分析引起聲散射的機(jī)制，以便更好地對(duì)聲散射特性進(jìn)行建模。

21世紀(jì)以來(lái)，中低頻的海底聲散射特性測(cè)量和研究獲得廣泛關(guān)注。Holland等[12]采用圖4所示的方法分別在泥質(zhì)和巖漿巖海底測(cè)量了頻率為400～4 000 Hz的海底反向散射強(qiáng)度，掠射角為10°～40°。測(cè)量結(jié)果表明，在該頻段內(nèi)巖漿巖海底的散射強(qiáng)度均大于泥質(zhì)海底。機(jī)理分析認(rèn)為，泥質(zhì)海底聲散射主要來(lái)自于海底之下沉積層的體積散射，而海底界面散射非常?。粠r漿巖海底聲散射在低于臨界掠射角時(shí)為海底界面散射，大于臨界掠射角時(shí)主要為體積散射。Soukup和Gragg[36]采用由全向性換能器組成的線性聲源陣和9基元垂直接收陣對(duì)石灰?guī)r海底進(jìn)行了頻率為2～3.5 kHz的海底反向聲散射測(cè)量，并分析了此頻率段內(nèi)海底反向聲散射強(qiáng)度與掠射角的關(guān)系。Hines等[13]采用如圖5所示裝置在兩個(gè)砂質(zhì)海底站位測(cè)量了頻率為4 kHz和8 kHz的海底反向散射，掠射角為3°～15°?？傮w來(lái)說(shuō)，目前中低頻海底聲散射特性測(cè)量逐步開始，但其散射機(jī)理及預(yù)測(cè)模型還未開展系統(tǒng)性的研究。

4 海底聲散射模型研究進(jìn)展

4.1 Lambert模型

Lambert模型(或稱為L(zhǎng)ambert定律)能夠很好地描述粗糙面上反向散射強(qiáng)度以及在相對(duì)光滑界面上(組成界面的小散射體的幾何尺度遠(yuǎn)小于入射聲波波長(zhǎng))較小掠射角情況下的反向散射強(qiáng)度與掠射角的關(guān)系[37]。但是，Lambert定律是半經(jīng)驗(yàn)公式，缺乏具體的物理含義，而且，Lambert定律僅僅描述了散射強(qiáng)度與掠射角的關(guān)系，與海底粗糙度參數(shù)無(wú)關(guān)。通過(guò)該定律只能獲得入射聲線、散射聲線及散射面法線位于同一平面時(shí)的散射強(qiáng)度。Ellis[38]，Caruthers和Novarini[39]對(duì)Lambert定律進(jìn)行改進(jìn)，給出了一種與Lambert定律類似的三維散射強(qiáng)度計(jì)算模型。

4.2 基爾霍夫(Kirchhoff)近似模型

基爾霍夫近似模型適合粗糙界面起伏變化比較緩慢的情況(Rc?λ/πsin3θ，Rc為界面的曲率半徑，λ和θ為入射波局部掠射角和波長(zhǎng))，而對(duì)海底起伏高度和界面斜率沒有要求。Echart最早將基爾霍夫近似用于海面的聲散射研究，Jackson等[25]將基爾霍夫近似用于鏡面反射方向附近的頻率為10～100 kHz的海底聲散射的計(jì)算，并將近垂直的方向散射測(cè)量數(shù)據(jù)與基爾霍夫模型預(yù)測(cè)進(jìn)行了對(duì)比。Moustier[40]將基爾霍夫近似應(yīng)用于多波束數(shù)據(jù)的近垂直入射時(shí)聲散射與海底底質(zhì)屬性關(guān)系的研究。Dacol[41]曾將基爾霍夫近似用于具有隨機(jī)粗糙特性的彈性海底的聲散射研究。Williams和Jacson[30]將基爾霍夫近似用于收發(fā)分置的雙基地散射模型的研究。對(duì)于高頻聲散射，Jackson和Richardson[42]等給出了高頻極限條件下的基爾霍夫近似的散射截面表達(dá)式?；鶢柣舴蚪浦形纯紤]影區(qū)效應(yīng)和多次散射，目前基爾霍夫近似主要用于傾角變化緩慢的粗糙海底近垂直方向附近的海底聲散射場(chǎng)的計(jì)算。

4.3 小粗糙度微擾近似模型

微擾近似理論適用于粗糙界面起伏很小(小于入射波波波長(zhǎng))且界面斜率足夠小的情況，因此稱為小粗糙度微擾近似模型。微擾理論認(rèn)為當(dāng)粗糙界面起伏比較小時(shí)，它對(duì)聲場(chǎng)的影響比較小，可以將聲場(chǎng)看成由光滑界面產(chǎn)生的場(chǎng)和一個(gè)擾動(dòng)散射場(chǎng)疊加組成。小粗糙度微擾近似是在海底聲散射場(chǎng)計(jì)算中得到廣泛應(yīng)用的模型，根據(jù)導(dǎo)出散射截面表達(dá)式時(shí)所基于的波動(dòng)方程類型的不同，又可以分為小粗糙度微擾近似流體模型、小粗糙度微擾近似彈性模型以及小粗糙度微擾近似多孔彈性模型。Kuo[43]給出了無(wú)損耗流體沉積物情況下的小粗糙度微擾流體近似模型表達(dá)式，Jackson和Briggs[44]將表達(dá)式推廣到有限衰減的情況，并將模型預(yù)測(cè)與砂和粉砂等不同類型的海底聲散射測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，但該模型假設(shè)沉積物各向同性，且不存在任何形式的分層或梯度。后來(lái)，Moe和Jackson[45]將微擾流體模型應(yīng)用于具有聲速梯度的海底，給出了此種情況下的海底聲散射強(qiáng)度和散射截面的一般表達(dá)式。Kuperman等研究人員將微擾流體模型擴(kuò)展至分層海底的情況，并將剪切效應(yīng)納入到海底聲散射的研究，建立了各向同性小粗糙度微擾近似彈性模型，用于彈性海底聲散射的研究[46—48]。實(shí)際海底是由流體和固體骨架組成的兩相多孔彈性介質(zhì)，Williams等[49]將Biot模型與小粗糙度微擾近似相結(jié)合來(lái)研究海底聲散射問(wèn)題，建立了小粗糙度微擾多孔彈性模型。Jackson和Richardson[42]對(duì)該模型運(yùn)算進(jìn)行了改進(jìn)，采用矩陣方法來(lái)表示散射截面，從而降低代數(shù)運(yùn)算的復(fù)雜性。

4.4 小斜率近似模型

小斜率近似模型最早為研究海面聲散射而建立的，后來(lái)被廣泛應(yīng)用于海底聲散射的研究，其表達(dá)式是關(guān)于界面斜率的一系列展開式[50—52]。普遍認(rèn)為，小斜率近似比小粗糙度微擾近似和基爾霍夫近似更為精確，且一種近似方法幾乎可以涵蓋幾乎所有的掠射角范圍(基爾霍夫近似適合鏡像反射方向附近的散射，小粗糙度微擾近似適合鏡像反射附近之外的散射)。Broschat和Thorsos[53]詳細(xì)推導(dǎo)了適合Dirichlet邊界條件的粗糙界面小斜率近似模型的散射截面表達(dá)式，并詳細(xì)研究了小斜率近似用于海底聲散射計(jì)算時(shí)的精度，小斜率近似的精度與界面均方根傾角、界面相關(guān)長(zhǎng)度和入射角有關(guān)。目前，小斜率近似模型是應(yīng)用最廣泛的海底聲散射模型。Gragg等[54]采用小斜率近似模型研究包含均勻散射體的隨機(jī)粗糙海底的聲散射，推導(dǎo)出此種條件下的雙基地散射公式。Soukup等[55]，Jackson[56]將小斜率近似應(yīng)用于包含剪切效應(yīng)的彈性海底聲散射的研究，Jackson將其推廣到層狀海底聲散射研究。

4.5 復(fù)合粗糙度近似模型

復(fù)合粗糙度近似模型的核心思想是將海底粗糙度劃分為大尺度和小尺度兩部分，充分利用基爾霍夫近似和小粗糙度微擾近似在適用條件上的互補(bǔ)性，對(duì)于大尺度粗糙度采用基爾霍夫近似計(jì)算海底散射，對(duì)于小尺度粗糙度采用小粗糙度微擾近似。早期主要用于海面聲散射的研究，后來(lái)被Jackson應(yīng)用于海底聲散射研究，其將垂直入射附近的大尺度粗糙度采用基爾霍夫近似計(jì)算海底散射，小粗糙度采用微擾近似計(jì)算海底散射[23]。復(fù)合粗糙度近似模型的問(wèn)題在于用于區(qū)分大小尺度粗糙的截止波數(shù)的選擇很難十分清楚地確定，一般通過(guò)多次的試算和比較來(lái)確定。Thorsos[57]指出，對(duì)于小掠射角的聲散射計(jì)算，復(fù)合粗糙度近似模型的精度偏低。研究人員在早期的海底聲散射模型研究中采用復(fù)合粗糙度模型，目前復(fù)合粗糙度模型逐漸被小斜率近似模型代替。

4.6 其他模型

針對(duì)具有分層的海底中低頻聲散射，Jackson等[58]建立了GABIM模型。GABIM模型將海底視為多層的流體，綜合運(yùn)用基爾霍夫近似、一階微擾近似和經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算海底界面粗糙散射，采用一階微擾近似和經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算體積散射，該模型對(duì)100～10 000 Hz的中頻聲波海底散射強(qiáng)度具有較好的預(yù)測(cè)效果。國(guó)內(nèi)研究人員在海底聲散射和海底混響計(jì)算方法和模型方面也開展了卓有成效的研究，張仁和和金國(guó)亮[59]，李風(fēng)華等[60]采用簡(jiǎn)正波理論對(duì)淺海環(huán)境下的混響特性進(jìn)行了研究。彭朝暉等[61]結(jié)合Ivankin等提出的射線管積分法和Hines的復(fù)射線法，推導(dǎo)出了一種計(jì)算隨機(jī)非均勻海底和粗糙界面引起的平面內(nèi)海底散射模型，此模型中考慮了折射波和衰減波的貢獻(xiàn)。

5 發(fā)展趨勢(shì)及研究難點(diǎn)

5.1 海底中低頻聲散射測(cè)量及模型研究

從上述分析來(lái)看，國(guó)內(nèi)外對(duì)于海底聲散射特性研究主要集中在大于10 kHz的高頻段，而對(duì)頻率小于10 kHz的中低頻聲散射研究相對(duì)較少，目前所開展的相關(guān)測(cè)量也只是局限在中頻段的幾個(gè)離散頻率點(diǎn)，缺少系統(tǒng)性。中低頻聲散射研究可以彌補(bǔ)目前海底聲散射研究在頻段上的局限性。而且，中低頻聲波在海洋聲場(chǎng)測(cè)量與預(yù)報(bào)、海底埋藏物聲學(xué)探測(cè)、水聲通訊以及海洋地球物理探測(cè)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。海底中低頻聲散射的系統(tǒng)性測(cè)量以及相關(guān)模型研究已成為海底聲散射研究發(fā)展的趨勢(shì)和研究熱點(diǎn)。相對(duì)于高頻聲散射而言，海底中低頻聲散射無(wú)論是聲散射特性測(cè)量，還是散射機(jī)理分析和預(yù)測(cè)模型研究，均更為復(fù)雜。測(cè)量的復(fù)雜性在于常規(guī)中頻換能器聲源的指向性差，易受海面聲散射的干擾，影響測(cè)量精度；散射機(jī)理和模型的復(fù)雜性在于其可能同時(shí)受海底粗糙界面散射和沉積物內(nèi)非均勻體散射的共同作用，從而導(dǎo)致其預(yù)測(cè)模型更為復(fù)雜。研發(fā)聲學(xué)參量陣等中低頻高指向性聲源和多基元接收陣列是解決中低頻聲散射精確測(cè)量的途徑之一。在機(jī)理分析方面，與中低頻聲散射相匹配的海底粗糙度和海底非均勻等參數(shù)的測(cè)量和表征是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，也是今后需要重點(diǎn)解決的難點(diǎn)之一。而且，海底中低頻聲散射受海底粗糙面散射、海底體積散射、海底沉積層散射等多種機(jī)制共同作用，徹底弄清各種機(jī)理及其對(duì)聲散射的影響和貢獻(xiàn)，也是今后海底聲散射機(jī)理研究的難點(diǎn)和需要重點(diǎn)關(guān)注的研究課題。在中低頻模型研究方面，需要重點(diǎn)解決經(jīng)過(guò)高頻聲散射數(shù)據(jù)驗(yàn)證了的高頻聲散射模型在中低頻段的適用性問(wèn)題，通過(guò)數(shù)據(jù)和模型對(duì)比，研究建立適合中低頻海底聲散射特性預(yù)測(cè)的地聲模型。

5.2 小掠射角和各向異性粗糙海底等特殊條件下的聲散射特性研究

小掠射角(小于10°)聲散射是引起遠(yuǎn)距離混響的重要因素，在遠(yuǎn)程聲探測(cè)方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值，是在今后的研究中需要重點(diǎn)關(guān)注的研究課題。淺海小掠射角聲散射測(cè)量的難點(diǎn)在于海面散射和多途聲傳播的影響。在散射機(jī)理研究方面，當(dāng)聲波以小于臨界掠射角的小掠射角入射到海底時(shí)，有時(shí)在近海底沉積物中產(chǎn)生漸逝耗散波，這增加了小掠射角海底聲散射機(jī)理的復(fù)雜性，也是小掠射角聲散射研究的難點(diǎn)之一。在模型研究方面，目前常用的散射模型在小掠射角條件下的預(yù)測(cè)能力還未進(jìn)行足夠的測(cè)試，其適用性還有待研究。另外，目前海底聲散射測(cè)量和研究往往將海底看成是統(tǒng)計(jì)意義上的各向同性粗糙海底，主要關(guān)注海底聲散射隨掠射角的變化。而當(dāng)海底存在明顯方向性的地貌特征時(shí)(比如方向性的海底沙波或方向性明顯的海底沖刷溝槽等)，海底粗糙度表現(xiàn)出明顯的各向異性特征。由各向異性粗糙海底引起的聲散射強(qiáng)度，不僅與掠射角有關(guān)，還與方位角有關(guān)。各向異性粗糙海底聲散射測(cè)量和模型研究主要難點(diǎn)在于海底三維粗糙特性的測(cè)量和表征以及三維聲散射場(chǎng)的精確測(cè)量，這將會(huì)成為未來(lái)發(fā)展的方向。

5.3 多層海底聲散射模型研究

目前的海底散射模型一般將海底看作為未分層的半空間介質(zhì)，而實(shí)際的海底沉積物中往往存在分層結(jié)構(gòu)。在與海底相互作用過(guò)程中，聲波往往透射進(jìn)入海底界面之下(特別是對(duì)于中低頻聲波)，被沉積物中的非均勻體和粗糙沉積層界面再次散射。采用更接近實(shí)際海底條件的多層聲散射模型進(jìn)行海底聲散射特性預(yù)測(cè)將成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。雖然Jackson等在多層聲散射模型方面開展了一些研究，但建立的GABIM模型將多層海底簡(jiǎn)化成流體模型，且模型的預(yù)測(cè)結(jié)果未進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)的驗(yàn)證[58]。在多層海底散射模型方面今后還需要開展大量的針對(duì)實(shí)際海底情況的多層散射模型普適化和模型驗(yàn)證工作。多層海底聲散射模型研究的難點(diǎn)一方面在于如何甄別海底界面粗糙散射、沉積物中體積散射、海底沉積層界面粗糙散射、沉積物聲傳播衰減等多種機(jī)制對(duì)散射總場(chǎng)的影響，另一方面是如何測(cè)量和表征海底以下多個(gè)沉積層界面粗糙度特性和界面之間沉積物的體積非均勻性。

5.4 雙基地和前向聲散射特性研究

目前國(guó)內(nèi)外研究主要集中在收發(fā)合置(單基地)海底散射強(qiáng)度的測(cè)量和建模。相對(duì)于單基地聲吶，雙(多)基地聲吶具有探測(cè)范圍大、隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。隨著雙(多)基地聲納的廣泛應(yīng)用，研究不同入射和散射掠射角以及不同入射和散射方位角時(shí)的海底雙基地前向散射成為一種十分迫切的需要。研究人員在高頻海底前向聲散射測(cè)量方面做了一些嘗試試驗(yàn)，但總體研究水平較低，特別是目前還沒有開展中低頻海底前向聲散射測(cè)量。對(duì)于中低頻前向聲散射測(cè)量，研發(fā)滿足測(cè)量要求的指向性聲源和指向性接收換能器或接收陣列是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)于淺海中低頻前向海底聲散射測(cè)量，如何避免海面聲散射影響和聲波的多途傳播，是未來(lái)研究的難點(diǎn)。在散射模型研究方面，目前的海底聲散射模型是否還適用于海底前向聲散射特性的計(jì)算和預(yù)測(cè)，還需要開展大量的研究工作。

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A review on the progress of bottom acoustic scattering research

Liu Baohua1，2， Kan Guangming2，3， Pei Yanliang2，Yang Zhiguo1，Yu Kaiben1，2， Yu Shengqi1

(1.NationalDeepSeaCenter，StateOceanicAdministration，Qingdao266061，Chnia; 2.LaboratoryforMarineGeology，QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology，Qingdao266237，China; 3.KeyLaboratoryofMarineSedimentologyandEnvironmentalGeology，TheFirstInstituteofOceanography，StateOceanicAdministration，Qingdao266237，China)

Seafloor is an important boundary for underwater sound field， and its acoustic scattering property has significant influence to spatial structure and distribution of underwater sound field. In this paper， we systematically analyzed and summarized the present progress on the measuring techniques， mechanism and modeling of bottom acoustic scattering property in the world. In addition， some research directions and topics which should be paid more attention to in the future were put forwarded as well as some research difficulties. This work will have great contribution to further studying and understanding the present status and the future trend of the research on bottom acoustic scattering property.

bottom acoustic scattering property; scattering model; bottom reverberation; underwater sound field

2016-08-04；

2016-12-12。

國(guó)家自然科學(xué)基金(41330965, 41527809)；青島海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開放基金(QNLM20160RP0209)；海洋公益性科研專項(xiàng)資金項(xiàng)目(201405032)；泰山學(xué)者工程專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(TSPD20161007)。

劉保華(1960-)，男，山東省嘉祥縣人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事海洋地球物理研究。E-mail：bhliu@fio.org.cn

*通信作者：闞光明，男，副研究員，主要從事海底聲學(xué)研究。E-mail：kgming135@fio.org.cn

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.07.001

P733.23；P736.21

A

0253-4193(2017)07-0001-11

劉保華， 闞光明， 裴彥良， 等. 海底聲散射特性研究進(jìn)展[J]. 海洋學(xué)報(bào)， 2017， 39(7): 1-11，

Liu Baohua， Kan Guangming， Pei Yanliang， et al. A review on the progress of bottom acoustic scattering research[J]. Haiyang Xuebao， 2017， 39(7): 1-11， doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2017.07.001