基于光纤传感器的浅地层剖面探测技术

论文总字数：15046字

目 录

0前言·························2

0.1海洋声学技术 ···························2

0.2海洋沉积声学··························3

0.3海底沉积层的声学识别·····················3

1声学原理及理论基础···················4

1.1声速································4

1.2密度······························4

1.3平均粒径··························4

1.4孔隙率·························5

1.5经验公式及其来源··················5

2模拟海洋环境及参数的设置················6

2.1声学模拟器参数的设置························6·

2.2声波传播模型的参数设置·····················9

2.3运行模型的选择与设置····················10

2.4参数的保存与模型的运行·················11

3模拟的结果与反演过程·················12

3.1沉积层中的声速··························12

3.2沉积层密度、平均粒径以及孔隙率················15

3.3沉积物成分识别·······················15

4结论···························15

致谢····························16

参考文献·························17

基于光纤传感器的浅地层剖面探测技术

赵萍萍

，China

Abstract:In this paper, the technique of seabed acoustic detection and sediment identification is briefly introduced. In order to analyze the composition and properties of seabed sediments, the acoustic parameters of the submarine sound velocity simulated by Matlab are used to invert the physical parameters such as porosity and average particle size of seabed sediments. Learn and understand the simulator, set the marine environment and initial parameters, simulate the time taken from the transmitting end to the receiving end, calculate the sound velocity in the sediment layer, and then use various empirical formulas related to the speed of sound to invert he physical parameters corresponding to the sediments. Because these physical parameters have a roughly corresponding relationship with the composition of the sediment layers, it can be used to analyze the composition of the sediment. The results of the study suggest that the combination of the simulator and the empirical formula can determine the composition of the sediment correctly.

Key words: Submarine acoustics; submarine sediment layer composition; acoustic simulation

0前言

0.1海洋声学技术

我们国家是一个陆地国家的同时，也同样是一个海洋国家。我国所临的海域包括渤海、黄海、东海、南海、台湾以东一级一级台湾以南地区。在这些海域中，除了渤海是我国的内海之外，其他海域都与邻国相连，这样的情况下，就意味着存在着海洋权益的争端。因为在这些海域中，蕴藏着丰富的矿物、油气以及生物资源，所以，为了能够维护我们国家的海洋主权和权益，为了能够开发以及保护我们海洋中所蕴藏的资源，就需要大力发展海洋的高技术。而随着海洋科学的迅猛发展，海洋声学技术已经发展成为海洋科学中的重要组成成分，并且已经发展成为声学中的一门独立的分支学科。

目前唯一能够在水下远距离传播的能量形式是声波，声波是水中信息的主要载体。相较于电磁波和可见光，声波在海水中的传播衰减得更慢，传播过程中更有优势，所以，目前的海底探测方法，主要还是依赖于声学探测技术，利用海洋声学技术实现海洋中的探测、定位、导航以及通信。在各种水下辐射形式中，以声波在海水中的传播为最佳。海洋传递声音的性能比大气好得多，并且在海洋中声波的衰减远远小于无线电波的衰减。水声的这些特征使得它成为海洋工程的重要工具，作为通讯、导航、探测和监测手段，水声技术被广泛的应用在海洋开发以及军事等领域。

海洋声学是研究声波在海洋中的传播特性、规律和利用声波探测海洋的一门学科，是海洋学和声学的边缘学科，也是物理海洋学的一个分支。

0.2海底沉积声学

覆盖在海底地壳上面的，称之为沉积层，沉积层呈固液两个相态，主要由砂、黏土、泥以及孔隙流体海水构成。

几十年来，海洋沉积声学的研究方向及其内容主要可以分为以下几个方面：第一个方面是海底沉积层的声学特性，海底沉积层的声学参数，例如声速、声衰减等，与沉积相、力学参数、物理参数之间的关系，沉积声学理论；第二个方面是不同结构的沉积层的声反射特性，地声模型，海底声学特性对声传播的影响，用声传播的数据反推海底成分性质的方法；第三个方面是海底沉积物特性的声学遥测方法；第四个方面是海底沉积物的声学识别分类方法。

0.3海底沉积层的声学识别

用声学方法实现海底沉积物成分的识别对于研究海洋和开发海洋有着非常重要的意义。海底探测与识别是一个经典课题，同时，关于海底的声学特性研究已经成为我国国防部门的一个重要课题。水下工程地质、海底矿产资源开发、海洋地质等领域，对海洋成分的分析一直都有较高的要求。传统的海底沉积物的成分识别方法，有利用重力取样器、活塞式取样器、箱式取样器等，这些传统的方法非常笨重，同时也很缓慢，浪费时间和精力，并且，这些传统方法只能通过间隔数百米以至数十里进行离散采样，而这样的离散采样的方式，使得在水深超过数百米的深海中，这些方法显得更加艰难。考虑到这些传统的机械的采样测量方法，在效率、费用等方面，都不能满足实际的试验需求，海洋地质学家、水声物理学家以及海洋工程师们都致力于找到一种高效可靠的海底沉积物成分的识别方法，而这种方法正是利用声波的方法得到实践，用声波进行探测的方法具有高效、连续、经济等多种优势。 基于声波在海底的散射与反射原理,对海底沉积物的的声学探测方法经济方便且高效，因而，利用声学方法进行海底成分的探测一直受到广大研究者的重视。随海区而异，沉积层主要分为三大典型类别：大陆台（包括大陆架及大路坡），深海丘陵，深海平原。大陆架深度一般小于200m，只占海洋面积的7.6%，大陆架的宽度变化非常大，如加利福尼亚海岸只有数海里，而西伯利亚极地则有800海里。大路坡的深度在200~3000m范围，占海洋面积的15.3%。大陆坡的典型陡坡度为4°。深海平原深度为3000~6000m，占比75.9%。海沟深度为6000~11000m,只占1.2%。沉积层具有重要的声学特性和物理特性，其中，声速是重要的声学参量，孔隙率、密度、平均粒径是重要的物理参量。海洋中的声速是研究声波在海水中传播的最基本的物理量之一。同时，海底的声学参数也是海底施工，渔业资源，海洋油气平台，渔业资源等领域必不可少的信息。大量实测数据表明，大部分浅海大陆架属于高声速海底，c_底gt;c_水，而大部分深海沉积层属于低声速海底，即c_底lt;c_水，其表层声速比其上面的声速低1%~2%。海底表层沉积物构成了海水的下边界和沉积物的上边界，相比较于结构紧实的深层沉积物，松散的表层沉积物，即1m埋深范围内的沉积层，具有更复杂的声学特征和独特的声学指示意义。经过多年的研究与实践，研究者提出了许多种海洋沉积物声学识别和分类的方法，总结归纳出两种：一种是直接提取沉积物的声学特征，根据沉积物的物理参量和声学参量之间的相互关系进行分类与识别；还有一种是基于声波的基本理论建立波动方程，限定必要的边界条件之后，去解波动方程，调整改变波动方程中的各种参数，其中海底边界的边界参数是关键，使得理论值与观测值相一致，从而确定海底的声学参量，最后根据这些参量对海底的成分属性进行识别与分类。而本文中声学参数的得出，是利用水声模拟器模拟得出的。从海底沉积物的物理特性和声学特性两者的相关性出发，国外研究者通过取样测量的方法和原位测量技术进行了大量的海底沉积物声学测量工作，建立了声速与物理参数之间的经验公式，讨论了声学性质与物理性质之间的关系，其中以Hamilton为代表人物。 本文将利用模拟器模拟海洋环境，阅读大量文献，根据声波声速与海底物理属性之间的经验关系，对海底沉积物的密度、孔隙率、平均粒径等物理参量进行反演，根据物理参量与沉积物成分构成之间的大致对应关系，进行海洋底质的分类与识别。

1声学原理及理论基础

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