哈爾濱工程大學碩士學位論文 a b s t r a c t 1 1 l ec l a s s i f i c a t i o na n di d e n t i f i c a t i o no f t h es e a b e dg e o l o g i c a lt y p ei st h eb a s i c o fo c e a ns c i e n t i f i cr e s e a r c h , i th a ss i g n i f i c a n tm e a n i n gt oc l a s s i f ya n di d e n t i f yt h e m a r i n es e d i m e n t se x a c t l ya n dq u i c k l yi nm i l i t a r ya n dl o c a t i o n t a k i n gt h ea c o u s t i c m e t h o d ，t h r o u g hd i s t a n td e t e c t i o no ft h ec h a r a c t e ro ft h em e s e d i m e n t st o l e a r ni t sp h y s i c a lq u a l i t yh a st h ec l m r a c t e r i s t i co fe f f i c i e n c y ，e c o n o m i c a l ，g e t t i n g d a t ac o n t i n u o u s l y , w h i c hc o m b i n e dw i t hao e r t a i l lt r a d i t i o n a lm e t h o da n do p t i c a l o b s e r v a t i o no f f e r sa q u i c k l ya n dr e l i a b l ew a yi nt h ec l a s s i f i c a t i o no ft h em a r i n e s e d i m e n t s f o rt h ec o m p l i c a t e dt r a i to ft h es e a b e d , c e r t a i nm e t h o da n dc e r t a i n c h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t yc a no n l yi d e n t i f y 疊n ep a r to ft h em a r i n es e d i m e n t s i t n e e d ss e v e r a lc h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t i e s ，e v e ns o m ed i f f e r e n tm e t h o d st oa v a i l a b l y i d e n t i f ym a r i n es e d i m e n t s s oe x p l o r i n gn e wa n dm o r ee f f e c t i v ew a y st oc l a s s i f y t h ec h a r a c t e r i s t i cq u a n t i f i e sh a sf u r t h e rm e a n i n g i nt h et h e s i s ，s e v e r a lc l a s s i f i c a t i o nm e t h o d sb a s e do ns t a f f s t i cc h a r a e t e r i s t i e s 骶p r e s e n t e d a tt h ed o m a i no ft i m e ，f r e q u e n c ya n df r e q u e n c y - t i m e ，t h e c l a s s i f i c a t i o no fo c e a nb o t t o mi sa n a l y z e dr e s p e c t i v e l y i nt i m ed o m a i l l t h e c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sc o r r e l a t e dt od u r a t i o no fe c h os i g n a l 黜r e s o r t e dw i t h t h em e t h o d so fp o w e rc u r v ea n dp h a s ep l a n e i nf r e q u e n c yd o m a i n ，蛐b - b a n d p o w e ri su s e di nr e s o r t i n gt ot h ec h a r a c t e ro ff r e q u e n c ya l t e r n a t i o n i nt h ed o m a i n o ft i m ea n df r e q u e n c y ，s h o r tt i m ef f to fr e c e i v e ds i g n a l s , c o n t i n u o u sw a v e l e t t r a n s f o r m ，d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r ma r ei n t r o d u c e dt o s e v e r a lt r a u s f o r m sa l e m a d et oh y d r o p h o n er e c e i v i n gs i g n a l s ，s u c ha s ，w i t hs i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n , t h er e s i d e n ti sa l s oc l a s s i f i e d i no r d e rt od e t e r m i n et h ee f f i c i e n c yo f t h ep r e s e n t e d m e t h o d s ，i ns o m ec r i t i c i s m sa r ei n t r o d u c e d c o m p a r i s o no fe v e r ym e t h o ds h o w s t h a td i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r mc o m b i n e dw i t hs v dh a st h eb e s te f f i c i e n c yo f c l a s s i f i c a t i o n b a s e do nt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o no ft h ea b o v em e t h o d s ，t h e e x p e r i m e n t a ld a t aa r eu s e d t od ot h er e s e a r c ho fr e s i d e n tc l a s s i f i c a t i o n s 曰l ef i n a l 哈爾濱工程人學碩士學位論文 r e s u l t sm e e t 誦t ht h eb o t t o ms a m p l i n gw e l l k e yw o r d s ：c l a s s i f i c a t i o nb a s e d0 1 1s t a t i s t i cc h a r a c t e r i s t i c s ；p h a s ep l a n e ；w a v e l e t t r a n s f o r m ；s m g l l h rv a l u ed e c o m p o s i t i o n 哈爾濱工程大學 學位論文原創性聲明 本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導師的指導 下，由作者本人獨立完成的。有關觀點、方法、數據和文 獻等的引用已在文中指出，并與參考文獻相對應。除文中 已經注明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集 體已經公開發表的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻 的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意 識到本聲明的法律結果由本人承擔。 作者( 簽字) ：整墊 日期：御7 年吾月，6 日 哈爾濱工程大學碩士學位論文 第1 章緒論 1 1 本文的研究背景及意義 海洋蘊藏著各種各樣、極其豐富的資源，隨著科學技術的進步和人們對 海洋研究的日益深入，海洋資源的探測與合理開發逐漸受到世界各國的普遍 重視，海底底質聲學特性一直是海洋地質調查、海洋漁業、潛艇、水雷、水 下通訊等領域研究的重要內容，海底底質類型的分類與識別是海洋科學研究 的基礎，海底底質是海洋工程環境的重要評價指標。 隨著海洋資源開發活動的大規模開展，以及港口、航道、海上平臺和海底 管線等海洋工程建設的大量進行，迫切要求更新、更快的方法對海區的底質類 型及分布情況有全面、系統、科學的精確掌握。專屬經濟區區域界定要參照 島礁、海底大陸架的信息，如釣魚島問題、南中國海都需要提出準確的海底 信息，更增加了對海底研究的重要性。美國一些著名的大學、研究所和軍事 部門在海底沉積物中的問題上都進行了很多年的理論研究和全球范圍的實驗 研究工作。此外。加拿大、日本等許多國家多年來也在海底研究方面進行了 大量工作。我國的中國科學院等部門也開展了“中國數字地球發展戰略 研究”，以探討中國“數字地球”建設問題，海洋界提出“數字海洋”研究 課題，數字化的海底是“數字地球”的重要組成部分。同時，臺灣近幾年也 加強了淺海、大陸坡架區的海洋聲傳播研究，而這一區域的海底聲學特性依 然是支配聲傳播的關鍵因素。 在世界海洋中，洋底的大部分覆蓋著一層比較松軟的沉積層。不同地點 的沉積層厚度差別很大，在0 米到數千米范圍內變化。我國是一個海洋大國， 擁有1 8 1 0 4 k m 海岸線，海疆面積達3 1 0 6 k m 2 ，準確、迅速地對海底沉積物 類型進行分類識別具有重要的軍事及民用意義。在軍用上，海底各類沉積物 介質的聲參量研究與淺海聲場數值預報、匹配場定位、低頻遠程海底反射聲 納作用距離預報、潛艇沉底隱蔽地點選擇等方面的研究密切相關；在海洋工 程應用領域，修筑大型港口，建設跨海大橋等海上建筑以及海底管線布設規 劃都需預知海底沉積物類型；此外對海底沉積物類型的了解也關系到海底礦 物及油、氣勘探的效率。因此，對大陸架及深海海底的底質類型進行研究一 哈爾濱工程大學碩士學位論文 直是一個經典、熱點課題，也是我國新一輪國土資源大調查的重要內容之一。 1 2 國內外研究歷史和現狀 傳統的底質分類方法是通過對海底沉積物直接取樣分析，但是采樣需要 耗費大量人力、物力、財力，效率低，在水深較深時尤其困難。同時，采樣 一般是按一定網絡( 如間隔數百米至數十公里) 定點離散地取樣，并通過資料 內插與外延來了解區域內海底沉積物的特性進行分類，因此其代表性常受影 響，可靠性也常不夠，無法滿足實際需要。特別是，若要了解海底以下數十 米乃至數百米深度范圍內沉積物的特性，傳統的取樣管取樣方法無法完成， 需進行淺鉆取樣，工作更加受限制，常只能零星布站取樣，其代表性、可靠 性更受影響。另外，由于采上樣品后環境參數發生了改變，其聲學參數也隨 之改變，采樣褥到樣品的聲學參數與實際并不完全相符。海底照像與水下攝 影等光學方法可得到海底沉積物的詳細特征，但是一般設備昂貴、操作復雜、 效率低，無法作為一種區域性研究海底沉積物的手段。 雷達通過寬頻帶電磁波信號進行底質探測，但由于電磁波在海水中的吸 收等問題，很難應用于海底底質勘探，迄今為止，聲波仍是海洋中唯一有效 的信息載體，能夠在海洋中進行遠距離傳輸的能量形式，這使得水聲技術成 為海軍水下作戰的最主要的導航、定位、探測的手段，同時也是海洋資源探 測與調查、海洋資源開發的主要技術手段之一。 聲學方法通過遙測海底沉積物的聲學特性來了解其物理力學性質，具有 工作高效、經濟，取得資料連續、豐富的特點，結合一定的傳統取樣或光學 觀察，為海底沉積物分類提供了一種迅速而可靠的方法。它同時獲得盼大量 有關沉積物物理、聲學性質方面的信息，也為諸如海底地聲結構、沉積物一 結構物相互作用、聲波與海底互作用、海底高頻聲散射等研究及海底測繪、 海洋工程等提供基礎資料。在海洋地質領域的研究過程中，聲學方法研究海 底表面特性和海底底質特性的分類顯示出極大的優越性，受到廣大研究者的 高度重視。因此，用聲學的手段對海底進行底質分類是地球物理學科和海洋 聲學學科的熱點問題。 2 哈爾濱工程大學碩士學位論文 1 2 1 國外研究回顧 早期有關海底沉積物聲學性質的研究，始于瑞典科學家a r r h c n i u s 在1 9 4 7 年至1 9 4 8 年開展的深海勘探計劃。從上世紀5 0 年代開始，美國等國家的科 研工作者開始在海底沉積類型與聲學參數的關系方面展開研究，并取得了一 定的成績。5 0 6 0 年代，l i b e r m a n n 和m a c k e n z i e 用脈沖聲源和水下定深炸彈 對不同類型海底進行反射損失實測。b i o t 曾試圖從理論上完全確定聲速等參 數同多孔液態飽和介質構成物質粒度、含水量、孔隙率等關系，在海底沉積 層聲學理論計算做出了很重要的貢獻”心。美國海軍電子實驗室( n a v y e l e c t r o n i c sl a b o r a t o r y ) 的h a m i l t o n 等人通過實驗手段測量圣地亞哥灣沉積層 的聲學參數m h 。他們總結了大量實驗結果，并給出了經驗公式，為以后的工 作打下了堅實的基礎。 隨著聲學技術、電子技術和信號處理方法的不斷發展，這一領域也取得 了長足的進步。美國、意大利、挪威、英國、日本等國家均設立相關課題研 究海底問題。科研工作者應用淺層剖面儀、側掃聲納及多波束聲納等各種回 聲探測儀器來進行海底分類。每種儀器都有相應的適用范圍，但回聲法遙測 海底分類的思路都是相同的。即用電聲轉換裝置把電信號轉化成聲信號，聲 波信號垂直或保持一定角度射向海底，海底散射信號通過掛在船側和安裝在 船底的水聽器陣接收后存儲在記錄設備上，通過計算機處理存儲的數據可以 得出海底的分類情況。 上世紀9 0 年代以來，各國科研小組在海底分類方面取得了很大的進展。 由d a n i s h t e c h n i c a l r e s e a r c h c o u n c i l 資助的d 2 k 公司基于側掃聲納的圖像數 據對海底進行分類，它不僅應用圖像像素點的灰度信息，還分析圖像的機構 紋理特征，從中提取能量、均值、熵、動力參數等特征量1 ”；然后應用人工 神經網絡技術進行海底分類。加拿大多利亞大學r e z a m d i z a j i 等人也在海底 分類工作上做了一些研究，他們對原始散射信號進行處理，提取f f t 譜特征、 s v d 分解值以及小波分析熵值特征量，利用這些特征量對不同底質分類。美 國o n r 支持的l e b l a n c 和s c h o c k y 研究小組采用c h i r p 聲納技術，研制成功 c h i r p 聲學剖面系統，并與q t c 公司以及b e n t h o s 公司合作生產出淺層剖 面儀，它能夠在走行時得到海域的海底地形、海底地貌資料。同時反演海底 3 哈爾濱工程大學碩士學位論文 i j i ；i i i i i | i i 目# _ 眚t r - - ；i ；j j t i ；i i i i i i i | ；皇j 自i j i j | _ 的聲阻抗剖面，然后根據h a m i l t o n 等人建立的關于海底沉積物聲學性質及物 理力學性質的經驗公式，來預報海底的分類情況。隨著計算機技術和d s p 芯 片技術等的突破性發展，對以數字形式存儲的信號序列的運算可以定時實現， 國外陸續發展出一些商業化的附加了底質分類功能的底質探測設備。其中比 較典型的包括美國a s c s 底質分類系統，挪威s i m a r d 公司的t r i t o n 多波束 底質分類軟件系統和加拿大q u e s t t a n g e n t 公司的q t cv i e w 系統等”1 。 1 ，2 2 國內研究回顧 八十年代初，聲學所孟金生、關定華等進行了相關研究，發現回波能量 累計與沉積物衰減系數相關，提出用回波能量積累歸一化函數進行底質分類， 并對用正入射脈沖法估算海底表層沉積物的衰減系數進行了研究。中國科學 院南海海洋研究所的梁元博、盧捧等入八十年代以來一直從事海底沉積物方 面的研究，他們對海底沉積物的物理力學特性、聲學特性以及二者的關系進 行了系統分析，并從實驗獲得了我國南海海域沉積物的大量數據。 中國科學院聲學研究所的周志愚等對南海和黃海海域海底聲速的垂直分 布的測量；高天賦、周志愚等所提出的射線法應用于海底參數研究；蔣德軍、 馬力等所做的海底參數反演以及其他一些較為零散的研究。中國科學院聲學 研究所二部二室研制開發了海底表層底質探測系統，作為實驗走航式的表層 底質聲學分類系統，它利用一次回波信號，通過提取信號的反射系數、衰減 系數、能量特征參數等多個特征量，對海底表層沉積物進行分類。 海底底質的聲學方法研究是為了對底質聲學遙測的實用化，實現底質的 快速、方便、準確的識別分類。縱觀國內所做的研究，多因為經費問題和采 集設備短缺而只局限于理論分析，在海底底質分類方面的研究程度還較薄弱， 雖然近些年來引進了多波束系統，獲得了大量的數據資料，但仍然只利用了 該系統的海底測深功能，其底質分類等功能的技術潛力還沒有得到充分開發 和利用。麗海底沉積物聲學遙測是一項實驗性很強的研究，它的實用化，必 須基于大量采集的現場數據。我國在海底參數的數據收集、參數分類和分類 理論模型的建立等方面的研究與國外的差距仍然很大。總體來說，國內的方 法大多仍停留在理論和實驗驗證階段，鑒于海底分類應用的重要性，兩我國 在這方面的研究相對落后，國家技術研究發展計劃以及軍事9 7 3 計劃均設立 4 哈爾濱工程大學碩士學位論文 了與海底分類的課題。 1 3 海底沉積物物理參量及類型簡述 1 3 1 沉積物的物理參量 在海底的地殼上面，都覆蓋著一層非凝固態的沉積層問。在深海中只是 少數的地區，通常是在傾角很大且具有本生巖露頭的強切割地形區，沒有松 軟的沉積物。沉積物源自陸源的顆粒狀沉積物或是生物物質在海底的沉積。 海底沉積物的最上層是流動的或半流動的稠性介質，且是一種多孔、無氣、 無粘結( 只有部分粘結) 、飽含水以及在宏觀上各向同性的介質。如果從沉積 物學角度看，它是一個物理量頗多、特征變化范圍頗大的固體層( 嚴格地說有 部分海底是半固體層) 。 常用的沉積物物理參量有孔隙度、密度、土粒比重、含水量、粘土含量、 飽和度、粒徑、平均顆粒度。這些量互有相關性，它們的相關性隨著沉積物 的沉積環境和沉積條件的不同而不同。 反映聲學特性的主要參量有聲速、聲阻抗、聲衰減系數、聲反射系數和 反射損失等。沉積物類型與聲學參數值之間存在緊密的依賴關系，不同類型 的沉積物有不同的聲學性質，因此，可以根據海底沉積物的聲學參數判斷沉 積物類型。 海底反射系數的物理意義明確、直觀，是最早應用于表征海底沉積物的 聲學特性。不同的沉積物具有不同的密度和速度，因而具有不同的阻抗，反 射系數也不相同。 由聲納方程可以知道，回聲信號級為s l - 2 t l + t s ，其中s l 是聲源級，t l 是傳輸損失，t s 是目標強度。對于正入射的回波信號，t s = 1 0 1 9 ( , l j ) ， 表示海底的入射聲強，l 表示海底的反射聲強，r ，= 五則代表聲強反射系 數。因此，通過確定s l 、t l 和回波信號級，可以得到目標強度t s ，從而計 算反射系數。正入射的情況下，海底的聲壓反射系數r 。可以表示為： r 。：p 2 c 2 - p i c l( 1 1 ) 島乞+ n q 其中向表示水的密度，q 表示水中的聲速，島表示水下沉積物的密度，乞表 哈爾濱j ：程大學碩士學位論文 示水下沉積物的聲速。水的密度和水中聲速近似為常量，因此通過測量反射 系數可以反演沉積物的聲阻抗。不過反射系數是個絕對量，要精確測量有一 定的困難。除了需要準確知道前置放大器增益外，還需要進行精確的時間增 益補償：同時航行中載體的姿態、速度都會對測量結果產生影響。在相同的 測量條件下，計算得到相對反射系數依然可以用于不同類型沉積物的比較“。 1 3 2 海底沉積物類型 按海底基本的地形要素來劃分，或者說按深度和離岸遠近來劃分，海洋 沉積物分為三類1 ： 1 深海沉積物，包括大洋盆地和深水海淵的沉積物，面積占7 2 ： 2 ，大陸沉積物，即淺海區的沉積物，這種類型約占海洋面積的8 2 ； 3 陸坡沉積物，即次深海沉積物，面積占1 9 4 。 上述沉積物類型中，因為深海區域的沉積條件最穩定，所以深海沉積物 也相對穩定。大陸架沉積物受緯度、氣候、季節的影響，尤其水動力( 波浪、 恒流、潮汐等) 因素引起的沉積物的成分變化最為強烈，有機物質作用引起的 化學作用也最活躍，致使有些海區可交替出現沉積物的沖刷帶和沉積帶。這 使得大陸架沉積物比大陸坡沉積物，特別是比深海沉積物要復雜得多。陸坡 沉積物屬性介于前兩者之間。 沉積層的分類及物理參數范圍的劃分目前還沒有統一的標準，但大同小 異，這里給出h a m i l t o n 的分類結果： 表1 。l 沉積層類別及參數 砂泥 類型粗砂細砂特細砂泥砂砂泥泥 ，粘土 粘泥泥觥 密度( g 冊3 ) 2 0 3 41 9 5 71 8 6 61 0 8 61 7 8 71 7 6 71 5 8 31 4 6 91 4 2 1 聲速( 捌j ) 1 8 3 61 7 5 31 6 9 71 6 6 81 6 6 41 6 2 31 5 8 01 5 4 61 5 2 0 k 。( d b m i d t z ) 0 4 7 90 5 1 00 6 7 30 6 9 20 7 5 60 6 7 3o 1 1 30 0 9 50 0 7 8 海底底質分類命名：綜合考慮海洋界和水聲界的習慣，以s h e p a r d 分類 命名為基礎，并考慮h a m i l t o n 等人的習慣表示法，同時為了簡化，將其中的 “砂質粘土”和“粘土質砂”并入“砂粉砂粘土”類“，如圖1 1 所示： 6 哈爾濱一啊鼉大學碩士學位論文 粘土 5 02 5粉砂 圖1 1 海底底質的s h e p h a x d 三角圖分類法 1 4 海底底質分類聲學方法介紹 利用聲學方法遙測海底沉積物類型的原理是利用聲學換能器向海底發射 聲波，通過記錄并分析回波信號來了解海底沉積物的屬性，具有工作高效、 經濟、取得資料連續、豐富的特點，結合一定的傳統取樣或光學觀察，為海 底沉積物分類提供了一種迅速而可靠的方法。 1 4 1 根據入射信號的角度分類 淺海表層海底沉積物聲學遙測的儀器及方法多種多樣，根據入射聲信號 與海底所成角度不同，可分為正入射法和斜入射法“4 。 1 4 l 1 正入射法 正入射法是在傳統的回聲測深與海底地層剖面儀基礎上發展起來，它利 用垂直入射聲脈沖海底面及海底沉積物的回聲信號特征分析來遙測海底沉積 7 哈爾濱j ：程大學碩士學位論文 物的物理性質與沉積物類型。回聲信號特征分析主要是從回聲信號中分離出 與沉積物類型之問有較好關系的聲學分類特征量，如根據回聲振幅計算反射 系數( b r e s l a u 等，1 9 6 5 年) ，從回波包絡估算沉積物的聲衰減系數( 孟金生，1 9 8 2 年，1 9 8 4 年) ，根據多層介質聲學理論估算各層沉積物的聲阻抗( 8 e n n e t t 等， 1 9 9 2 年) 等，然后根據這些聲學特征量與沉積物物理性質之闊的經驗關系， 如h a m i l t o n 等人的工作( h a m i l t o n ，1 9 8 0 ) ，來估計沉積物物理性質，確定沉 積物類型。也有的是根據聲散射理論從相鄰回波互相關系數等特征量估算海 底粗糙度并進而識別海底沉積物的類型。 正入射分類方法根據其聲換能器激發的聲信號不同( 如選通等幅脈沖，寬 頻帶脈沖，連續線性掃頻脈沖等) ，其設備及所用信號處理方法也有較大差異。 1 4 1 2 斜入射方法 斜入射方法是通過非垂直入射情況下的海底回聲特征來遙測沉積物性 質。與正入射方法相比。它要復雜得多，但由于斜入射時海底回聲對海底沉 積物參數往往更敏感，同時采用斜入射法常可進行條帶狀的探測，因此斜入 射法有其優點。除了聲納浮標、折射與反射地震等較大深度的遙測方法外， 目前常用的斜入射遙測方法主要有側掃聲納與多波束回聲測深兩種，且都是 遙測海底表層沉積物性質的。 側掃聲納接收的是斜入射倩況下的海底反向散射信號，這些信號包含了 大量有關海底沉積物的信息，可用來進行沉積物分類。 多波束回聲測深是7 0 年代發展起來的新一代深測量技術，能精密測定海 底一定條帶范圍內的水潺地形。目前用多波束測深方法遙測沉積物已積累了 一定經驗，由于它是同時結合水深地形的精密測量進行，因此它可望有較高 的準確度，也有很好的發展前途。但是多波束測深系統昂貴，因此它也有較 大的局限性。 1 4 2 根據使用特征量處理方法分類 根據對分類所使用特征量的處理方法不同，又可分為海底聲學參數反演， 對特征量進行統計特征分類以及圖像的紋理特征分類方法。 哈爾濱j 二程大學碩士學位論文 i 4 2 1 海底聲學參數反演 該方法通過反演海底表層沉積物的聲學參數( 如聲阻抗、聲吸收系數) ， 結合沉積層物理性質( 密度、聲速、平均粒徑、孔隙率等) 的經驗公式進行沉 積物分類，目前研究得最為廣泛和深入的是對一維分層介質模型的阻抗剖面 反演問題。現有的反演方法多種多樣，各有優缺點及適用范圍，主要分為逆 散射方法和特征線方法兩大類。逆散射方法最初從量子力學領域發展起來并 逐步應用于電磁學、聲學、地球物理等研究領域中的反問題研究方法。逆散 射方法能夠求得數學上的精確解，但也存在計算量大、不適用于參數發生突 變的情況等缺點。 特征線法則屬于時域反演方法。在時域內求解的方法較在頻域內求解的 方法有許多優點，在問題的描述上比較直觀，物理意義明確，更重要的是能 夠實現局部重構，即反射信號最先到達的部分只包含介質最上層的信息，后 期到達的信號包含上層信號和下層信號的疊加。研究波動現象時，從特征線 理論出發的方法是一種非常直觀的方法。 另外，還有一些科研工作者通過將實驗數據與模型預報值進行匹配的方 法反演海底介質各參數用于海底介質分類。該方法的基本思路是尋找使現場 實測信號與由模型參數搜索空間中某組參數形成的仿真波形間的失配值為最 小( 或相關值為最大) 的一組參數值，該組參數即是反演的最佳值。該方法避 開了一般反演方法中的非唯一性問題，目前已被廣泛應用于聲源定位及海洋 地聲模型參數反演等領域，實驗證明其反演精度明顯優于其它算法。 1 4 2 ，2 統計特征分類 統計特征分類方法是對大量海底沉積物回波信號進行統計，運用不同的 統計方法，提取各種統計特征量以進行海底沉積物類型的多參數分類與識別。 該方法不需要得到沉積物各參數的準確值，而只需通過比較統計特征值之間 的差別來進行分類。加拿大維多利亞大學d i z a j i 等人對原始散射信號進行處 理，提取f f r 譜特征、s v d 分解值以及小波分析熵值等特征量，利用這些特 征量對不同海底分類；t e g o w s k i 和l u l m i e w s k i 從海底回波信號中提取分形維 數并與反向散射強度及回波信號持續時間特征量結合對波羅的海g d a n s k 灣 9 哈爾濱_ l 程大學碩七學位論文 附近海底沉積物進行了識別與分類；k i m 、c h a n g 和j o u 等人對回波信號作 k - l 變換提取相似性指數( s 0 作為海底分類的特征量。目前市場上基于該原理 的比較成熟的海底底質分類系統有s t e n m a rm i c r os y s t e ml t d 的r o n a n n 以及 q u e s t e r t a n g e n t 公司的q t c v i e w , 前者從回波信號及多次反射信號中提取特 征量進行底質識別與分類，后者則從回波的時、頻域信號中提取多達1 6 6 個 特征參數，然后利用主成分分析進行參數壓縮，得到最有利于分類的3 個特 征值，在三維空間中進行聚類分析。 1 4 2 3 圖像的紋理特征分類 對淺層剖面儀、測掃聲納、多波束聲納等聲學設備生成的圖像的紋理特 征進行分析也可以得到統計特征量用于海底底質分類。紋理是很難下定義的， 它表征相鄰像元的灰度或彩色的空間相關性或它隨空間麗變化的對人視覺的 反映和理解。紋理是海底表面結構粗糙程度的直接反映，可利用它進行分類， 描述紋理的特征量有許多，如紋理的密度、紋理的方向、紋理的粗細程度等。 一般使用灰度共生矩陣法來統計紋理，用不同的權矩陣對其進行加權運算可 以得到一系列的紋理特征量，可以用于提取圖像中紋理信息的特征統計量主 要有：反差、熵、逆差距、灰度相關，能量、角二階距和方差等。為了避免 過分依賴于單一形式的紋理，還可提取海底地形的分維數，其反映了地形粗 糙程度。如果影像沒有匹配的水深數據，可直接計算影像的分維數，它是海 底地形分形的直接反映。 海底環境復雜多變，采用某種方法、某個特征量可能只對識別一部分 沉積物有效，而要有效地識別各種沉積物海底，則可能需要使用幾個特征量， 甚至使用凡種不同的方法，因此有必要尋找新的更有效的分類特征量。 1 5 本文的主要研究工作 本文主要應用聲學參數統計特征分類方法，即從時域、頻域、時頻分析 三個方面采用不同的方法，通過處理舟山海上實驗數據，對實驗海域表層沉 積物類型進行分類研究。 論文簡要描述了舟山海上實驗的概況，包括實驗方案、實驗布置、海底 沉積物的樣品分析及實驗的數據校正；分別從時域、頻域、時頻分析三個方 1 0 哈爾濱： 程大學碩七學位論文 面所采用的不同的統計特征分類方法進行了理論闡述；重點是將統計特征分 類方法進行了海上實驗數據驗證，針對不同方法分別提取分類特征量對該海 域的沉積物類型進行分類。時域上基于能量歸一化曲線和相平面方法提取與 回波信號持續時間相關的特征量；頻域上應用等q 值子帶能量特征提取與頻 率衰減相關的特征量；時頻域上對回波信號進行短時傅立葉變換、連續小波 變換、離散小波變換、頻域離散小波變換，將各變換后得到的矩陣分別進行 奇異值分解作為特征量進行底質類型分類。另外，定義各分類方法提取特征 量的類內距與類間距的比值，作為特征有效性的判別準則，判斷不同方法提 取的各分類特征量的有效性。 哈爾濱工程大學碩士學位論文 第2 章舟山海上實驗介紹 2 0 0 6 年4 月中科院聲學所和哈爾濱工程大學在浙江省舟山群島進行了關 于“”項目的海上實驗。實驗所用船是舟山海洋環境監測站的“浙海環監” 調查船。 2 1 海上實驗方案 2 1 1 實驗海區 實驗海區位于舟山本島與金塘島之間的橫水洋西北端、金塘島東側邊坡， 屬典型的潮汐通道，水下邊坡坡度較大，水深o m - 7 0 m 。周邊有眾多島嶼環 繞，環境隱蔽，較少受外海波浪影響。不正規半日潮流，作用較強，以往復 流為主。泥沙來源主要受長江入海泥沙擴散南移影響，懸浮泥沙濃度分布季 節變化明顯。海底表層沉積物類型多種，有泥質也有砂質沉積，東西兩岸為 軍用和民用的待開發深水岸段，其中東岸部分深水岸段己建有碼頭。 圖2 1 實驗海區圖 1 2 哈爾濱j 二程大學碩士學位論文 j i _ i i i i i e i | i i i i i i i i i j i i ；e _ l it 日_ 2 1 2 實驗設備 2 1 2 ，1 實驗船只 本實驗使用船只是浙江省舟山市環境監測站的“浙海環監”實驗調查船。 該船排水量4 9 0 t , 船長5 4 m ，型寬8 2 m ；吃水2 6 m ，干舷1 2 m - 吊放能力后 甲板l t 搖臂吊一臺，水文吊4 臺；專業實驗室四間( 總計約6 0 m 2 ) ：主機 1 2 0 0 馬力，航速2 1 3 節，變矩漿無級變速；輔機3 臺；參試人員艙位3 0 人。可完成海洋地質、地球物理、海洋物理、海洋化學、海洋生物等海洋調 查任務。 圖2 2 實驗船只“浙海環監” 2 1 2 2 實驗儀器 1 聲源系統 信號源使用a g i l e n t3 3 2 0 a 任意波形發生器；發射換能器應用換能器 基陣，發射波束寬度很窄，換能器的發射頭漂浮在海面上，垂直指向海底。 主要技術參數：發射信號類型為c w 脈沖、線性調頻，脈寬為2 m s 、5 m s ， 定時發射周期為1 s 。 2 數據采集系統，使用的b k 公司生產的3 5 6 0 e p u l s e 多分析儀。 3 水昕器及導流罩，水聽器具有寬帶，全指向性，高靈敏度特性。為了 哈爾濱工程大學碩士學位論文 降低海流沖擊水聽器引起的噪聲，水聽器上加導流罩。 4 g p s 定位系統，利用g p s 定位系統準確對每個站位定位。 2 1 2 3 實驗布置方案 海雇 船頭 船尾 l 4 m jij 1 0 m 1- l 接收水新器 j 1 m ， 一： 一l 鉛魚 圖2 3 實驗布置方案圖 如圖2 3 所示，發射換能器發射寬帶信號，發射換能器發射頭漂浮在海 面上，垂直指向海底。水聽器吊放在發射換能器的垂直下方，距海面1 4 米 水聽器接收到的第一個峰是入射信號，也就是由聲源到水昕器的直達信號， 第二個峰是海底回波信號。由于實驗需要同時采集直達信號和海底散射信號， 如果把接收水聽器放在水面附近，散射信號和直達信號幅度相差太大，散射 信號難以準確測量；如果把接收水聽器放在海底，直達信號和散射信號會重 疊在一起，使實驗數據難以分析。所以將水聽器置于水面和海底之間，這樣 散射信號和直達信號幅度相差不大，可以準確測量，同時水聽器距離海底1 0 米以上，直達信號和散射信號可以完全分開。 在水聽器下吊放懸掛鉛球的作用是為了使水聽器保持豎直，在海流比較 急的時候，需要增加鉛魚個數。為提高信號的信噪比，在接收聲信號時拋錨 停船，同時關閉輔機，船上的儀器用電都由船頂部的柴油發電機提供。 1 4 哈爾濱工程大學碩士學位論文 2 2 實驗結果分析 2 2 1 海底采樣底質分析 c 區水下地形復雜，海底基本由潮汐通道和潮汐通道邊坡組成。潮汐通 道內有高低起伏的高地出現。潮汐通道邊坡下部和潮汐通道的底部均分布粗 顆粒沉積物( 含礫砂和砂) 。潮汐遇道邊坡的上部和c 區的西南部，分布細顆 粒沉積物粘土質粉砂，除潮汐通道底部的站位外，大部分的樣品的表層有 3 - 5 e r a 左右的灰黃色浮泥，這層浮泥與季節和潮汐變換有關，潮汐通道底部 沉積物顆粒粗。 a 區水深變化不大，有成層地層分布，沉積韻律明顯。所有表層樣品均 為粘土質粉砂，大部分的樣品表層有3 - 5 c m 左右的灰黃色浮泥，這層浮泥與 季節和潮汐變化有關。 2 2 2 數據處理分析 2 2 2 。1 回波信號的時頻特征 圖2 4 和圖2 5 分別是第3 站位原始信號時域波形和頻譜特征，圖2 a 第 一個峰是入射信號，即聲源到水聽器的直達波，第二個峰是海底【回波信號。 - - l上址 一 i 7 。 圖2 43 站位的原始信號時域波形 t 乜) 哈爾濱工程大學碩士學位論文 圖2 53 站位的原始信號的頻譜 在相同的實驗條件下，測得了五個站位的海底回波數據，標號分別記為 l 、2 、3 、4 、5 號站位，其中l 、2 號站位海域屬于c 區，海底底質類型為礫 粉；3 、4 、5 號站位屬于a 區，海底底質類型為粘土質粉砂。 2 - 2 2 2 幾何擴散校正 在進行底質分類識別及信號處理之前，需要對幅度及波形進行校正。其 中對信號的幅度影響較大的是幾何擴展損失，所以我們對信號的校正主要是 幾何擴展校正。在實驗中發射換能器的發射頭是，= 0 3 m 的正方形，可以把 聲源近似看作活塞聲源。由于聲源接近水面，海水與空氣的聲阻抗相差很大， 可以把海面看作無限大障板。因此，該問題轉化為無限大障板的活塞輻射問 題”“。聲場計算的原理如圖2 6 所示。 設圖中面元d 8 對位于m 點處的聲場貢獻為： 咖= 竺口( “ 舳協( 2 1 ) h 式中a 為距d s 單位距離處的聲場振幅，h 為d s 距m 點的距離。由聲場疊加原 理可知，整個活塞聲源在m 點處的輻射聲壓為； 1 6 哈爾濱工程大學碩七學位論文 p 2 晗“枷西 c z 國 圖2 ，6 聲場計算原理圖 遍及整個活塞表面，當d r 時( d 為活塞中心到觀察點1 1 1 的距離) ，可粗 略地認為從活塞上各面元到達m 處的振幅相差很小，上式中的h 可近似用d 來代替，上式( 2 - 2 ) 可以寫為： p - “- j - p ”喇s ( 2 3 ) u 式中s 為活塞面積。從式( 2 3 ) 可以看出，對于活塞聲源很遠的觀察點，聲壓 近似艟距離成反比衰減。利用式( 2 3 ) 對海底回波信號按球面波擴展進行幾何 擴展校正，下圖為第4 站位信號的校正結果。 “ 一 哈爾濱工程大學碩士學位論文 - l r 1 _ 圖2 84 站位幾何擴展校正后的時域波形圖 2 3 本章小結 本章對2 0 0 6 年4 月舟山海上實驗進行了介紹，包括實驗方案、實驗設備、 海底沉積物樣品分析、實驗數據的幾何擴展校正等。從海底樣品分析結果中 可以看出，實驗中的五個站位的海底底質類型大致可分為兩類，礫粉和粘土 質粉砂。 1 8 哈爾濱r 程大學碩士學位論文 第3 章統計特征分類方法 統計特征分類方法通過從回波信號中提取特征量，并比較它們的差別來 進行沉積物分類，該方法比較的是不同底質特征量之間的差別，因此對實驗 系統及數據精度的要求比較寬松，是目前應用比較廣泛的海底底質分類方法。 應用統計特征方法進行沉積物分類識別流程如圖3 1 所示。 信號預處理 l 特征量提取 j l i 底質分類識別 l 圖3 1 統計特征分類流程圖 3 1 時域方法 3 1 1 能量歸一化函數和系數 海底回波信號是由海底表面的散射信號和沉積物中的反向散射信號形成 的”。入射至4 海底的聲信號在海水海底界面散射，形成比發射脈沖長的回波。 另外，海底沉積物是不同粒徑、不同形狀、不同礦物成分顆粒的混合體，并 包含海水。一般情況下，沉積物不是均勻的，聲速、密度在垂直和水平方向 上都有起伏變化。海底沉積物通常是分層的，除了大的分層，也可能有細的 1 9 哈爾濱工程人學碩士學位論文 分層結構。透射入沉積層中向下傳播的聲波，由于沉積物的不均勻性產生反 射和散射，這也使接收到的回波信號形成拖尾。總之，回波的形狀與海底表 面的粗糙度、沉積物中聲波的衰減系數、海底聲速結構等有關。 因此，回波形狀包含著有關沉積物的結構和物理性質的信息，拖尾長度 和形狀與沉積物的衰減系數有關，定義了能量歸一化函數，和能量歸一化系 數分別為： l ，【n d e o ) = ，0 f t ( 3 1 ) j ：，( ) 鴛 1 ， f = 去【e ( t ) d t ( 3 2 ) v 式( 3 1 ) 中，j ( f ) 為回波包絡信號，t 的取值是從回波前沿到拖尾結束，r 的大小取決于聲波穿透深度。式( 3 1 ) 是針對高頻率的短脈沖發射信號而提出 的，因為較高頻率的信號對地層的穿透能力很弱，如2 5 k h z 聲波對于泥底最 大可穿透5 米以上，而對于砂底則僅十幾至數十厘米，所以說回波信號中的 拖尾具有比較明顯的起止范圍。回波尾部衰減越快，則e ( f ) 曲線趨向飽和就 越快，從而該曲線與時間軸之聞包圍的面積就越大。廠實際上是回波衰減快 慢的一個量度。在計算廠時已經對回波總能量歸一化，故，只取決于回波包 絡的形狀，而與回波幅度的絕對值無關。 j a c k s o ndr 等人曾多次對海底沉積層的聲散射特性進行了理論研究和 實驗分析。研究表明；砂質海底沉積物層，水和沉積層界面的粗糙度對聲波 散射起主導作用；淤泥海底沉積物層，沉積層內非均勻介質的體積散射起主 導作用。因此，回波形狀包含著有關沉積物的結構和物理性質的信息，可以 從中提取有效的分類特征。 回波形狀在很大程度反映在回波包絡形狀上。對于信號包絡的提取，目 前最常用的方法是采用h i l b e r t 變換將原始實信號變換成復解析信號，將其模 作為包絡信號，我們將這種包絡提取法簡稱為h t 方法；另外，對信號取絕 對值，然后經過一個低通濾波器的方法；h t 方法對于窄帶載波信號的包絡 提取是很有效的，但對于時變的寬帶回波信號，h t 方法將信號中的高次諧 波也一同提取出來，產生了不光滑的毛刺，導致較差的分類效果”。 哈爾濱工程大學碩士學位論文 下面以第4 站位海底回波信號時域波形如圖3 2 為例，分別應用h t 方 法和經過低通濾波器的方法得到回波信號的包絡如圖3 3 所示： 00 5 礦( v ) 0 0 n 0 3 n 0 2 n 0 1 0 圖3 24 站位原始回波信號波形 h 。 j 。 啊盯h ii 顧始回波信號時域波形圖 o0 0 2 0 0 4o0 6 00 80 1 希爾伯特方法得到的信號包絡 2 圖3 34 站位回波信號的包絡 對于低通濾波方法的運算量較小，是工程中的常用方法。本文回波信號 包絡的提取是采用對信號進行小波消噪后，再進行低通濾波的方法獲得 2 l 哈爾濱工程大學碩士學位論文 3 1 2 相平面方法 相平面法是用來解低維動力學系統的一種圖解法，其實質是將系統的運