劉保華，闞光明，裴彥良，楊志國，于凱本，于盛齊

(1.國家深?；毓芾碇行模綎| 青島 266061；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室，山東 青島 266237；3.國家海洋局第一海洋研究所 海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國家海洋局重點實驗室，山東 青島 266237)

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海底聲散射特性研究進展

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

(1.國家深?；毓芾碇行模綎| 青島 266061；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室，山東 青島 266237；3.國家海洋局第一海洋研究所 海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國家海洋局重點實驗室，山東 青島 266237)

海底是水下聲場的重要邊界，其聲散射特性對水下聲場空間結(jié)構(gòu)及分布規(guī)律具有至關(guān)重要的影響。對目前國際上海底聲散射特性研究方面的進展進行了系統(tǒng)的分析和總結(jié)，從海底聲散射測量技術(shù)、海底聲散射特性及機理、海底聲散射預(yù)測模型3個方面進行了論述，并提出了未來研究的方向、研究重點與難點。該工作對于充分了解和認識海底聲散射研究的目前現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢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

1 引言

水下聲場空間結(jié)構(gòu)及分布規(guī)律研究在水下目標(biāo)探測、水下通訊和導(dǎo)航、水文測量和海底地形地貌勘測等軍事、海洋科學(xué)及生產(chǎn)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。海底是水下聲場的一個重要邊界，包括海底聲散射特性在內(nèi)的海底聲學(xué)特性對水下聲場的空間結(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源，而海洋混響則是主動聲吶探測的主要干擾源。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，對于提高水下聲吶性能和目標(biāo)探測的精度具有重要意義。另外，海底聲散射研究還與淺海聲場預(yù)報、匹配場定位、潛艇著底隱蔽地點選擇等應(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)，對于不同的測量頻率，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，其聲散射機理也不相同。因此，深入認識海底聲散射特性、影響機理以及預(yù)測模型，是進行水下聲場空間結(jié)構(gòu)研究、水下聲場準(zhǔn)確預(yù)報和水下目標(biāo)精確探測的重要環(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，國外科學(xué)家就開始了海底聲散射特性的測量和研究[1]。之后，不同研究者分別從測量技術(shù)、特性及機理分析、預(yù)測模型等方面開展了大量的研究工作。與國外相比，目前國內(nèi)無論是在海底聲散射測量技術(shù)還是在散射機理和模型等方面開展的研究還非常少，存在很大的差距。

本文對目前國際上海底聲散射特性測量技術(shù)及機理和預(yù)測模型方面的研究成果進行了總結(jié)，闡述了國際上在海底聲散射測量技術(shù)研發(fā)、海底聲散射特性測量及機理分析、海底聲散射預(yù)測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題及未來研究的方向、研究重點與難點，以期能夠?qū)ξ覈鴮砗５茁暽⑸涮匦缘难芯抗ぷ魈峁┙梃b和指導(dǎo)。

2 海底聲散射特性測量技術(shù)研究進展

美國海底聲散射測量開始于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，進行了最早期的海底反向散射測量。測量的頻率范圍為10～60 kHz，通過水平和垂直方向旋轉(zhuǎn)木桿，來獲得不同方位角和掠射角的測量數(shù)據(jù)。Urick和Saling[2]又采用炸藥聲源對水深為4 400 m的海底進行了反向散射測量，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行了海底的反向散射測量，測量的頻率為48 kHz，發(fā)射聲波的脈沖寬度為0.4 ms和2.8 ms兩種?？傊?，在20世紀(jì)50-60年代，海底聲散射測量剛剛起步，實驗所使用的均是非常簡單的裝置，還未開展專業(yè)的海底聲散射測量技術(shù)研究。

20世紀(jì)70年代末，美國華盛頓大學(xué)應(yīng)用物理實驗室的Barry等[4—5]研制出一種拖曳式海底反向聲散射測量裝置(圖1)。通過一個類似于球狀萬向節(jié)(ball-in-socket)的調(diào)節(jié)機構(gòu)，將發(fā)射和接收合置的聲學(xué)換能器安裝在拖曳平臺上，調(diào)節(jié)機構(gòu)可以方便實現(xiàn)換能器掠射角的調(diào)整，平臺上還安裝由測深和姿態(tài)傳感器。Jackson等[6]采用該設(shè)備對粉砂、砂質(zhì)和礫石海底度進行了反向聲散射測量，通過安裝3個不同頻帶的收發(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°，聲源級為205 dB re.μPa@1 m，實驗中平臺的拖曳速度為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)由兩個坐底式的塔式支架組成，兩個支架安裝由16個水聽器組成的T型接收陣，其中一個還安裝有高頻參量陣聲源，聲源的差頻頻率為20～180 kHz，差頻聲源級為187 dB re.μPa@20 kHz和214 dB re.μPa@180 kHz，該系統(tǒng)可進行高頻的海底反向聲散射和前向聲散射測量。除上述兩套海底聲散射測量設(shè)備外，Boehme等[8]將發(fā)射和接收換能器安裝在一個高4 m的三角架上，將該裝置放置在海底進行了頻率范圍為30～95 kHz的海底反向聲聲散射測量。從上述的分析可以看出，在20世紀(jì)70-80年代，海底聲散射測量技術(shù)得到快速發(fā)展，研發(fā)出了多臺套的專門用于海底聲散射測量的專業(yè)設(shè)備，測量精度得到很大提高。本階段的測量頻率主要集中在20 kHz以上的高頻。

圖1 Barry等研發(fā)的拖曳式海底聲散射測量裝置(改自文獻[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量系統(tǒng)(改自文獻[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個低頻彎張換能器組成的垂直線陣聲源和由128個水聽器組成的水平接收陣在大西洋中脊進行了海底聲散射測量。垂直線陣聲源的彎張換能器的排放間距為2.29 m，通過各換能器的時延相控發(fā)射，聲源可以形成俯角為9°的相控波束，在實驗中，聲源進行LMF掃頻發(fā)射，掃頻寬度為200～255 Hz，信號長度為5 s。接收陣列的基元間距為2.5 m，通過波束形成技術(shù)，產(chǎn)生了126個具有不同方向的接收波束，但0°～30°和150°～180°兩個波束方向的數(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法使用[9]。20世紀(jì)90年代末和21世紀(jì)初，美國海軍研究辦公室聯(lián)合華盛頓大學(xué)、Scripps海洋研究所、意大利NATOSACLANT海底科學(xué)研究中心等科研機構(gòu)開展了兩個綜合的海底聲學(xué)實驗，分別為：SAX99(Sediment Acoustic Experiment-1999)和SAX04(Sediment Acoustic Experiment-2004)[10—12]。在SAX99實驗中采用了BAMS(Benthic Acoustic Measurement System)、STMS(Sediment Transmission Measurement System)、XBAMS(Accelerated Benthic Acoustic Measurement System)3種系統(tǒng)進行海底聲散射測量[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旋轉(zhuǎn)，以獲得不同方位角的海底聲散射強度(圖3)。STMS為一個可用于海底沉積物聲衰減測量、海底聲透射和海底聲散射測量的綜合測量系統(tǒng)，其海底聲散射測量的工作頻率為20～150 kHz，換能器不能夠自動旋轉(zhuǎn)，需要潛水員通過移動設(shè)備來進行不同區(qū)域的海底散射測量。SAX04項目使用的設(shè)備類似于STMS的固定式換能器，但較SAX99具有如下兩點改進：(1)測量頻帶拓寬為20～500 kHz；(2)將聲學(xué)測量設(shè)備安裝在一個長約28 m的鋪設(shè)在海底的導(dǎo)軌上，聲學(xué)測量設(shè)備在導(dǎo)軌上按照指定步長自動移動，以減少潛水員人工移動設(shè)備對測量產(chǎn)生的影響[11]?？v觀20世紀(jì)90年代的海底聲散射測量技術(shù)發(fā)展，主要有如下兩個特點：(1)新技術(shù)不斷被應(yīng)用到海底聲散射測量，如：低頻彎張換能器技術(shù)，時延相控發(fā)射技術(shù)，多基元接收波束形成技術(shù)，步進自動控制技術(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)測量以及相關(guān)技術(shù)研發(fā)，以便能夠建立精細的海底聲散射預(yù)測模型。

進入21世紀(jì)，海底聲散射測量及相關(guān)技術(shù)研發(fā)在很多國家得到廣泛重視。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400～4 000 Hz頻帶范圍內(nèi)的海底反向聲散射進行了測量。實驗采用的ITC4001換能器聲源由3個換能器組成，通過不同組合間隔產(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量的設(shè)備，對頻率為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行了測量。系統(tǒng)主要由參量陣聲源、超指向性線列陣、聲強立體接收陣、安裝平臺等部分組成(圖5)。參量陣聲源由9個基元組成，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)角的測量精度為±1°。2010年，韓國漢陽大學(xué)的La和Choi采用單個的全向性聲源和全向性水聽器在韓國南部的近岸淺水海域開展了頻率為8 kHz的海底聲散射測量[14]。Manik等[15]使用定量回聲測深儀進行了海底反向散射測量。近幾年的海底聲散射測量的顯著特點是：研究人員將研究重點轉(zhuǎn)向了10 kHz以下的中低頻海底聲散射的測量和研究，主要原因在于中低頻聲吶在水聲通訊、水下探測等方面的廣泛應(yīng)用。

圖3 SAX99實驗海底聲散射測量觀測系統(tǒng)示意圖(改自文獻[11])Fig.3 Geometry of bottom scattering in SAX99(modified from reference[11])

圖4 中低頻(400～4 000 Hz)海底聲散射測量裝置(改自文獻[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量實驗(改自文獻[13])Fig.5 Geometry of bottom backscattering at low grazing angle in shallow water(modified from reference[13])

在國內(nèi)，金國亮等[16]在放置于海底的支架上安裝10個換能器，輪流以其中一個作為發(fā)射，其余作為接收，進行了頻率為10 kHz的海底聲散射測量[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型接收陣進行海底散射系數(shù)的實驗測量方法，并在淺海進行了初步的實驗測量。曹正良等[19]采用T矩陣方法對平面海底界面上球體目標(biāo)的聲散射建模進行了研究?？傮w來說，國內(nèi)目前還沒有用于海底聲散射測量的專業(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理研究進展

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為海底聲散射強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)海底聲散射強度與發(fā)射脈沖長度不存在明顯的相關(guān)性；(4)雖然散射強度與海底沉積物顆粒粒徑不存在明顯變化規(guī)律，但對于不同類型的海底，聲散射強度還是存在一些普遍的趨勢，即：砂質(zhì)和巖石等硬質(zhì)海底聲散射強度一般大于黏土和粉砂等軟質(zhì)海底的聲散射強度。在聲散射機理方面，研究人員得出一些初步的認識，普遍認為海底聲散射主要是由海底的粗糙度或微起伏所引起的。但對于海底沉積物顆粒對聲散射的貢獻，不同研究者給出了不同的結(jié)論。Urick[1]認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聲波的散射。Wong和Chestermax[3]則指出，對于48 kHz的聲波，砂質(zhì)或更大粒徑的顆粒是小掠射角時海底聲散射的主要散射體，在較大掠射角和近垂直入射時，海底粗糙散射是主要機制。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重要方面，但顆粒和粗糙性并不是相互獨立的兩個方面，沉積物顆粒堆積在一起形成與聲波波長尺寸相當(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因素。

20世紀(jì)70-80年代，海底聲散射測量主要集中在淺海(水深小于50 m)和高頻(20～180 kHz)反向聲散射測量，海底底質(zhì)包括淤泥、粉砂、細砂、含貝殼層、礫石和巖石等多種類型。此時期主要的研究進展如下：(1)海底聲散射強度隨掠射角的增大而增強，二者關(guān)系可以采用Lambert法則公式較好地擬合，即：BS=10lgμ+10lg(sin2θ)，θ為掠射角，10lgμ為垂直入射時的聲散射[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)類型和測量頻率分別給出了不同的變化關(guān)系，總體來說，聲散射與聲波頻率的關(guān)系很難用一個簡單的函數(shù)來表述，其與海底底質(zhì)類型、海底粗糙度、測量頻率等多個參數(shù)有關(guān)[6，21—24]；(3)開展了聲散射強度與方位角關(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]通過在水平方向上以不同的方位角掃描具有良好分界的細砂和粗砂海底，發(fā)現(xiàn)了在分界線處海底散射強度的明顯變化；(4)在開展海底聲散射測量的同時，采用側(cè)掃聲吶、水下攝像、立體照相、高分辨率測深、淺地層剖面、沉積物巖心分析等技術(shù)對海底粗糙性和非均勻性等底質(zhì)環(huán)境進行了測量，為深入研究散射機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制，但多個海區(qū)的數(shù)據(jù)表明海底散射強度與均方根高度沒有明顯的相關(guān)關(guān)系，這說明對于海底聲散射來說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表征海底粗糙度[23]。在海底聲散射機理研究方面，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制，這一點得到普遍共識。Jackson等[6]綜合多種數(shù)據(jù)指出，對于顆粒粒徑大小相似的海底散射強度相差10～15 dB。研究人員普遍認為，海底粗糙散射和體積散射是海底散射的主要機制，但對于兩種散射機制對海底聲散射的貢獻程度及適用條件，不同研究研究人員給出了不同的結(jié)論：Bunchuk和Zhitkovskii[24]認為在淺水區(qū)主要是體積非均勻性而不是界面粗糙性來主導(dǎo)海底聲散射；而Jackson等[25]則認為，對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度的計算公式，而是采用一個自由變量來代替，需通過數(shù)據(jù)擬合來確定[25]。如何能夠更好地揭示粗糙散射和體積散射兩種機制，則需要更完善的模型以及更多的聲學(xué)和底質(zhì)參數(shù)測量數(shù)據(jù)。

20世紀(jì)90年代，海底聲散射特性測量和研究具有如下進展和特點：(1)除傳統(tǒng)的高頻(20～300 kHz)測量外，研究人員對1 000 Hz以下的低頻海底聲散射特性進行了測量和散射機理研究：Tang等[26]采用頻率為250～650 Hz的深拖地震技術(shù)測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的聲波對大西洋中脊地殼特征進行了測量，試圖建立聲散射強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)來識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聲波的散射引起；Chu等[28]進一步建立了一個雙層的模型來模擬由海底氣泡引起的雙基地散射強度，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量和研究：Stanic等[29]采用如圖2所示裝置測量了頻率為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度，并將測量數(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)測結(jié)果進行了對比。(4)SAX99和SAX04綜合聲學(xué)實驗開始實施，實驗的最大特點是同步開展了精細的海底環(huán)境特性測量和精確的高頻海底聲散射同步測量，對海底粗糙度和沉積物非均勻性特征進行了詳細測量和表征，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制[25]；Hines認為海底沉積物孔隙度的波動是引起體積散射的重要機制[33]；Lyons等[34]將海底之下聲散射歸結(jié)為兩種機制：一是與Hine提出的孔隙度波動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]認為，對于淺表層沉積物含氣泡的粉砂質(zhì)海底，氣泡對聲波的散射是海底散射的主要機制；Jackson和Ivakin[35]認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侥壳盀橹?，研究人員普遍認識到海底散射主要由海底界面散射和來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制，可采用海底粗糙度譜來表征海底的粗糙性。海底沉積物的聲散射來源于多種機制，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，在進行海底聲散射特性研究時，應(yīng)針對不同的聲波頻率和特定的海底環(huán)境條件，認真分析引起聲散射的機制，以便更好地對聲散射特性進行建模。

21世紀(jì)以來，中低頻的海底聲散射特性測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)和巖漿巖海底測量了頻率為400～4 000 Hz的海底反向散射強度，掠射角為10°～40°。測量結(jié)果表明，在該頻段內(nèi)巖漿巖海底的散射強度均大于泥質(zhì)海底。機理分析認為，泥質(zhì)海底聲散射主要來自于海底之下沉積層的體積散射，而海底界面散射非常小；巖漿巖海底聲散射在低于臨界掠射角時為海底界面散射，大于臨界掠射角時主要為體積散射。Soukup和Gragg[36]采用由全向性換能器組成的線性聲源陣和9基元垂直接收陣對石灰?guī)r海底進行了頻率為2～3.5 kHz的海底反向聲散射測量，并分析了此頻率段內(nèi)海底反向聲散射強度與掠射角的關(guān)系。Hines等[13]采用如圖5所示裝置在兩個砂質(zhì)海底站位測量了頻率為4 kHz和8 kHz的海底反向散射，掠射角為3°～15°?？傮w來說，目前中低頻海底聲散射特性測量逐步開始，但其散射機理及預(yù)測模型還未開展系統(tǒng)性的研究。

4 海底聲散射模型研究進展

4.1 Lambert模型

Lambert模型(或稱為Lambert定律)能夠很好地描述粗糙面上反向散射強度以及在相對光滑界面上(組成界面的小散射體的幾何尺度遠小于入射聲波波長)較小掠射角情況下的反向散射強度與掠射角的關(guān)系[37]。但是，Lambert定律是半經(jīng)驗公式，缺乏具體的物理含義，而且，Lambert定律僅僅描述了散射強度與掠射角的關(guān)系，與海底粗糙度參數(shù)無關(guān)。通過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的散射強度。Ellis[38]，Caruthers和Novarini[39]對Lambert定律進行改進，給出了一種與Lambert定律類似的三維散射強度計算模型。

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)，而對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的海底聲散射的計算，并將近垂直的方向散射測量數(shù)據(jù)與基爾霍夫模型預(yù)測進行了對比。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的計算。

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)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。微擾理論認為當(dāng)粗糙界面起伏比較小時，它對聲場的影響比較小，可以將聲場看成由光滑界面產(chǎn)生的場和一個擾動散射場疊加組成。小粗糙度微擾近似是在海底聲散射場計算中得到廣泛應(yīng)用的模型，根據(jù)導(dǎo)出散射截面表達式時所基于的波動方程類型的不同，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式，Jackson和Briggs[44]將表達式推廣到有限衰減的情況，并將模型預(yù)測與砂和粉砂等不同類型的海底聲散射測量數(shù)據(jù)進行了對比，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，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度和散射截面的一般表達式。Kuperman等研究人員將微擾流體模型擴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)合來研究海底聲散射問題，建立了小粗糙度微擾多孔彈性模型。Jackson和Richardson[42]對該模型運算進行了改進，采用矩陣方法來表示散射截面，從而降低代數(shù)運算的復(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，后來被廣泛應(yīng)用于海底聲散射的研究，其表達式是關(guān)于界面斜率的一系列展開式[50—52]。普遍認為，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式，并詳細研究了小斜率近似用于海底聲散射計算時的精度，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性，對于大尺度粗糙度采用基爾霍夫近似計算海底散射，對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算海底散射，小粗糙度采用微擾近似計算海底散射[23]。復(fù)合粗糙度近似模型的問題在于用于區(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，一般通過多次的試算和比較來確定。Thorsos[57]指出，對于小掠射角的聲散射計算，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，綜合運用基爾霍夫近似、一階微擾近似和經(jīng)驗公式來計算海底界面粗糙散射，采用一階微擾近似和經(jīng)驗公式來計算體積散射，該模型對100～10 000 Hz的中頻聲波海底散射強度具有較好的預(yù)測效果。國內(nèi)研究人員在海底聲散射和海底混響計算方法和模型方面也開展了卓有成效的研究，張仁和和金國亮[59]，李風(fēng)華等[60]采用簡正波理論對淺海環(huán)境下的混響特性進行了研究。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)出了一種計算隨機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。

5 發(fā)展趨勢及研究難點

5.1 海底中低頻聲散射測量及模型研究

從上述分析來看，國內(nèi)外對于海底聲散射特性研究主要集中在大于10 kHz的高頻段，而對頻率小于10 kHz的中低頻聲散射研究相對較少，目前所開展的相關(guān)測量也只是局限在中頻段的幾個離散頻率點，缺少系統(tǒng)性。中低頻聲散射研究可以彌補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測量與預(yù)報、海底埋藏物聲學(xué)探測、水聲通訊以及海洋地球物理探測等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。海底中低頻聲散射的系統(tǒng)性測量以及相關(guān)模型研究已成為海底聲散射研究發(fā)展的趨勢和研究熱點。相對于高頻聲散射而言，海底中低頻聲散射無論是聲散射特性測量，還是散射機理分析和預(yù)測模型研究，均更為復(fù)雜。測量的復(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，影響測量精度；散射機理和模型的復(fù)雜性在于其可能同時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量的途徑之一。在機理分析方面，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)的測量和表征是一個很大的挑戰(zhàn)，也是今后需要重點解決的難點之一。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制共同作用，徹底弄清各種機理及其對聲散射的影響和貢獻，也是今后海底聲散射機理研究的難點和需要重點關(guān)注的研究課題。在中低頻模型研究方面，需要重點解決經(jīng)過高頻聲散射數(shù)據(jù)驗證了的高頻聲散射模型在中低頻段的適用性問題，通過數(shù)據(jù)和模型對比，研究建立適合中低頻海底聲散射特性預(yù)測的地聲模型。

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°)聲散射是引起遠距離混響的重要因素，在遠程聲探測方面具有重要的應(yīng)用價值，是在今后的研究中需要重點關(guān)注的研究課題。淺海小掠射角聲散射測量的難點在于海面散射和多途聲傳播的影響。在散射機理研究方面，當(dāng)聲波以小于臨界掠射角的小掠射角入射到海底時，有時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理的復(fù)雜性，也是小掠射角聲散射研究的難點之一。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)測能力還未進行足夠的測試，其適用性還有待研究。另外，目前海底聲散射測量和研究往往將海底看成是統(tǒng)計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(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量和模型研究主要難點在于海底三維粗糙特性的測量和表征以及三維聲散射場的精確測量，這將會成為未來發(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程中，聲波往往透射進入海底界面之下(特別是對于中低頻聲波)，被沉積物中的非均勻體和粗糙沉積層界面再次散射。采用更接近實際海底條件的多層聲散射模型進行海底聲散射特性預(yù)測將成為未來發(fā)展的趨勢。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模型將多層海底簡化成流體模型，且模型的預(yù)測結(jié)果未進行實際數(shù)據(jù)的驗證[58]。在多層海底散射模型方面今后還需要開展大量的針對實際海底情況的多層散射模型普適化和模型驗證工作。多層海底聲散射模型研究的難點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制對散射總場的影響，另一方面是如何測量和表征海底以下多個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

目前國內(nèi)外研究主要集中在收發(fā)合置(單基地)海底散射強度的測量和建模。相對于單基地聲吶，雙(多)基地聲吶具有探測范圍大、隱蔽性好、抗干擾能力強等優(yōu)點。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量方面做了一些嘗試試驗，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量。對于中低頻前向聲散射測量，研發(fā)滿足測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)。對于淺海中低頻前向海底聲散射測量，如何避免海面聲散射影響和聲波的多途傳播，是未來研究的難點。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算和預(yù)測，還需要開展大量的研究工作。

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[61] 彭朝暉，周紀(jì)潯，張仁和. 非均勻海底和粗糙度界面引起的平面內(nèi)海底散射[J]. 中國科學(xué)：G輯， 2004， 34(4):378-391．

Peng Zhaohui， Zhou Jixun， Zhang Renhe. Bottom scattering in a plane from heterogeneous ocean bottom and rough interface[J]. Science in China (Series G)， 2004， 34(4): 378-391．

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。

國家自然科學(xué)基金(41330965, 41527809)；青島海洋國家實驗室開放基金(QNLM20160RP0209)；海洋公益性科研專項資金項目(201405032)；泰山學(xué)者工程專項經(jīng)費項目(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展[J]. 海洋學(xué)報， 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