1、|概述|声波与海底底质的相互作用|回波强度及其数据处理|声纳图像的形成原理|多波束声纳图像|侧扫声纳及其声纳图像|基于声纳图像判读海底地貌|基于声纳图像划分海底底质类型|海底浅层剖面仪|思考题BSB是BS0反映海底底质特征和粗糙度项以及角度相关项的和，即：声线倾斜变形 由于换能器基阵向倾斜方向海底发射声波，并接收倾斜方向海底的反向散射声波。分位数(Quartile)；回波强度反映的是波束与其海底投射点的相互作用产生的声能的变化。这5种方法是反射系数；由于换能器水平开角大或副瓣大引起的双曲变形 由于开角大或存在较大的副瓣，换能器还没有正横通过目标时，就已经得到了目标的回波，而换能器已经正横通过目
2、标后，仍能得到目标的回波，从而直线目标的声图就产生了弯曲。色调特征是指声图上所表示的灰阶由深到浅的灰度。其中分辨声纳的分辨力最高，常用来探测海底精细地貌和探测分辨水下物体等。满足上述条件的点即为接边点，将重叠区内相邻断面行上的接边点连接起来，便形成了镶嵌线。2侧扫法 将用侧扫法提取的声学参数进行以下3 种方法的计算和统计分析, 以进行海底底质的分类。当波束入射角位于150650范围时，BSB与入射角的相关性用Lambert法那么k=2可以很好的描述；海底地貌图像包括海底起伏形态图像、海底底质类型图像、海底起伏和底质混合图像。三通道记录器以上功能均可。一般可采用以下几种方法进行判读声图图像：Ha
3、milton对海底沉积物的声学特性进行了系统研究,提出了简单且易于应用的粘弹模型,并据收集到的数据资料总结出了大量的经验公式。 海底地貌是指海底外表的形态、样式和结构。由于地壳构造等内营力、海水运动等外营力相互作用生成，并由于这种作用的性质、强弱和时间等因素，使海底地表起伏形成大、中、小不同规模的三级地貌单元 。按所处位置和根本特征分为大陆边缘、大洋盆地和大洋中脊三大根本地貌单元。 海底地貌的探测通过海底地貌探测仪来实现，通常采用的是侧扫声纳系统。海底底质探测主要是针对海底外表及浅层沉积物性质进行的测量。在所有的海底底质探测手段中，基于声学设备通过获取海底底质声纳图像反映海床底质、地貌的方法具
4、有简单、有效等特点，它们也成为本章介绍的重点。 波束传播过程中的声能变化可用下式描述：那么距离声源R处的声强为：波束在传播的过程中，随着球形扩展和海水的吸收，能量的减少量TL传播损失为：BS取决于海底底质类型、地形条件和波束在海底的投射面积AE，表达为：81 声波与海底底质的相互作用声波与海底底质的相互作用设为脉冲宽度，T、R、分别为发射、接收波束宽度以及波束的入射角，那么AE为：BSB是BS0反映海底底质特征和粗糙度项以及角度相关项的和，即： 当波束入射角位于150650范围时，BSB与入射角的相关性用Lambert法那么k=2可以很好的描述；当波束近乎垂直入射时，BSBBSN是比较复杂的，
5、是海底类型和粗糙度的函数。 00时： 150时： 综上，由上可知，声能方程具有计算系统探测距离的能力；声能方程还能反映海底底质类型的变化，因而具有解释海底底质特征的作用。根据海水中声波传播理论，声波遇到不连续界面时会产生反射、折射和散射现象 。讨论光滑界面上入射、反射和折射声压之间的关系时，需做如下两个假设：(1)界面上不存在剩余压力，即 (2)界面上质点的法线方向运动速度为零那么反射系数R为：令 那么： 由此可知，声波在介质面处的反射特性与物质的密度相关，密度大，那么反射系数大。声波与介质面的作用Pi源脉冲方向入射角i散射反射角i散射PriCiPt折 射 角ttCt海床 上述模型是在假设海底
6、为镜面情况下得出的结论，实际海床的起伏、底质的多变均会给回波强度带来一定的影响，研究其影响对于波束为非垂直入射的声纳系统具有重要意义。 根据声能方程式，发射波束与海底的直接作用表达在BS项上。海底对声波的散射强度与声波在海底的照射面积AE有关，还与海底物质的物理属性(BSB)有关。 BSB可表达为： 根据BSB与海底物质的关系，那么可反演海底不同地质类型的区域分布，即海底底质分类。 底部检测可以获得每个到达波束的回波强度，而回波强度正是声纳图像形成的根本参数。回波强度反映的是波束与其海底投射点的相互作用产生的声能的变化。影响BSB的因素主要有SL、EL、DIR、TL、NL和声波的散射以及混响。
7、假设能准确得到这些参量，就能获得反映海底特征的真正散射信号强度。 实际海洋环境是复杂的，影响声强的因素主要有：海洋环境噪声、声波的散射和混响、声能的传播损失、海底沉积层对声波的吸收、海底地形的影响、声速剖面的影响。 82 回波强度及其数据处理回波强度及其数据处理信号的传播损失信号的传播损失 扩展损失是波阵面随距离扩展产生的声强衰减。设距离声源R1和R2的两个波阵面面积分别为S1=4R21和S2=4R22，在波阵面上所对应的声强为I1和I2，可表示为： 由于在无耗损介质中，声波穿透波阵面的功率应该保持不变，那么有关系式：根据无耗损介质的特点有： R1=1m时， 综合考虑，那么距离声源R处的声强I
8、2为： 式中为衰减系数， n为波束的传播形式，对于球面传播n等于2。那么海水中声能的传播损失为： 在海洋水文因素一定的情况下，吸收造成的衰减主要与频率相关，频率愈大，衰减愈大，当频率大于10kHz时，衰减因子对声强的影响变成一个主要因素。 声线弯曲改正声线弯曲改正 根据声线跟踪原理，波束在整个水柱中经历的实际声程R为： 或 假设声速在层i中以常梯度gi变化，那么 式中，i和i+1为厚度zi水层外表波束的入射角和层底的出射角，对应着声速Ci和Ci+1 。 根据Snell法那么，结合声速剖面和波束在水表层发射时刻的入射角，便可追踪到波束到达海底的入射角，进而根据该角度和Lambert 法那么进行声
9、能计算。海底地形对波束入射角的影响海底地形对波束入射角的影响 设波束在平坦海底的入射角为，由于海底地形的影响，实际入射角为：式中，R、T为因坡面影响产生的二维入射角在横向和纵向的分量，为海底坡度；上式(a)式反映的是坡面与测量断面走向相同情况下波束在海底的实际入射角，为特殊情况；(b)式是坡面产生的二维入射角，为一般情况。根据Lambert法那么有： 坡面方程为：那么坡度为： 声照区面积改正声照区面积改正 Hammerstad 1994给出了实际投射面积AE的计算公式： 根据声能方程，波束在海底投射区面积对声能的影响应为10logAE。 Lambert 法那么改正法那么改正 综上，海底地形对回
10、波强度的总影响为： 对于回波强度测量，探测的是一个回向散射强度的时序观测量，每一个时序观测量相对波束投射点园要小的多，单位时间内，时序采样的个数是测深采样的几倍或十几倍(视声纳图像的分辨率而定)。回波强度采样测量的是该穿透区内、由多个波束模式所包围的波束投射点园区域。其原理图如下： 单个波束投射区内的声纳图像时序采样原理83 声纳图像的形成原理声纳图像的形成原理测区声纳图像的获得需要通过完成声线改正和图像镶嵌Mosaic两项工作后才能获得。 将每ping所形成的断面线按照船速和ping发射的时间序列紧密地排列起来，形成扫测系统原始声纳图像。如图自此，便完成了图像镶嵌的准备工作。 多波束声纳图像
11、的成像原理 在形成声纳图像之前，还需对回波强度进行如下处理： 1回波强度数据滤波 理论上，回波强度数据滤波也可采用深度数据滤波中的算法，由于数据量庞大，这里采用简单的滑动平均滤波，其模型为：式中N为选定窗口内声强的采样个数；BSi为第i个被平滑对象，BSj为窗口内声强采样。 2回波强度采样位置确实定由波束振幅投影法，设波束的入射角为，在角-不是很小的情况下，那么波束的横向距离为： 式中，d0为波束中心的横向距离，i为声强采样序号，i0为对应的波束中心声强采样序号，r为斜距方向距离采样的间隔，为坡度。假设海底地形起伏变化不大，由上式可以获得准确的回波强度采样位置；反之，投影到图中f-g线上的振幅
12、对应位置与投影到f-g (实际投影面)线上的位置将出现偏差，实际上该偏差很小，对于投影距离的计算精度影响甚微。 回声强度位置确实定 3回波强度数据的内插 为了得到等间距的声强分布，就需要根据波束投射点的位置对声强进行内插。一般采用简单的线形内插便可获得高精度的内插回波强度值。采样点空隙较大时，那么需根据周围回波强度数据内插。 多波束声纳图像通过将多个Ping多波束发射一次称为一ping，每一ping形成一个断面、条带的回波强度数据按照一定的原那么拼节起来，并对其进行抽样和量化来形成的。Ping与与Ping之间的拼接之间的拼接 受人为操作、海洋环境等因素的作用，测量船姿态引起换能器姿态做瞬时变化
13、，从而导致测量断面不完全与设计航线正交，因此，为了形成图像，就必须按照船位，在地理框架下实现测量断面的拼接。ping间回波强度数据拼接之前需首先对回波强度数据进行预处理。 前面已作介绍。对于每一个采样点实际上已经获得了它的平面位置(x、y)和回波强度，由此条带内ping与ping之间声强数据的拼接变得非常容易。84 多波束声纳图像多波束声纳图像条带图像间的拼接条带图像间的拼接 条带声纳图像间的拼接要解决两个问题：几何位置的统一和回波强度值的统一。 几何位置的统一实际上是为了实现条带重叠区重合采样点位置的对应。对于相邻条带而言，每个声纳采样点均能获得其坐标，且两个条带的坐标系统统一， 故解决该问
14、题较容易。 图像拼接的关键问题是解决接边线的问题，即选择出一条曲线，按照这条曲线把声纳图像拼接起来。待镶嵌的声纳图像按照这条曲线拼接后，曲线两侧的回波强度变化不显著或变化最小，这条理论上的曲线被称为接边线或镶嵌线。 要在重叠区找出镶嵌线，只要找出该线与每ping形成的断面线的交点即可。方法：选取一个长度为d的一维窗口，让该窗口在断面线内逐个采样点上滑动，假设窗口内所有重合点回波强度差值的绝对值和最小，那么该点即为镶嵌线与该断面线的交点亦称接边点。接边点的选取原那么即为： 式中：f1(i，j0+j)和f2(i，j0+j)为滑动窗口内重合点(i，j0+j)在图像f1和f2上对应的回波强度值假设图像
15、已经转换为8 bit的灰度图像，那么为对应的灰度值； i为重合点(i，j0+j)所对应的断面行，j0为窗口左端点对应的列，j0+j为点(i，j0+j)对应的列；图像镶嵌中镶嵌线确定示意图 满足上述条件的点即为接边点，将重叠区内相邻断面行上的接边点连接起来，便形成了镶嵌线。为了保证回波强度水平的一致，就需对镶嵌线确定的重叠点上的回波强度进行重新计算。下面介绍两种确定重叠点上回波强度的方法 ：均值法 设f(i，j)为最终确定的声强，那么： 加权平均法 式中，L为重叠区的宽度，x为重合点至重叠区靠近f1一侧的距离。测区格网化及回波强度数据的选取抽样测区格网化及回波强度数据的选取抽样 为了便于计算机图
16、像处理，就须对测区进行栅格化。每个小的格网需要代表一个回波采样，该格网即为图像的像素。 为了真实反映海底底质的特征，对于没有回波强度数据的格网，在灰度量化时，可将之设置为背景灰度级；对于存在单个回波强度数据的情况，用该回波强度反映格网所对应实际海床的底质类型；假设存在多个回波强度数据，最终回波强度可根据如下原那么确定：接近均值原那么 ；变化渐进性原那么 。 格网化和回波强度数据抽样工作完成的优劣，直接影响着多波束声纳图像质量的好坏，也影响着图像对海底地貌以及底质类型的反映。 回波强度向灰度级的转换量化回波强度向灰度级的转换量化 该转换实际上是将回波强度同描述图像的灰度级对应起来，实现回波强度向
17、灰度级的量化。 回波强度的变化范围主要取决于海床的地貌特征、底质类型以及多波束系统。对于一个测区而言，假设海底地貌特征和底质类型变化复杂，回波强度分布于整个变化范围，那么回波强度GBs可量化为灰度G为： G=126+GBs (128126dB) 对应灰度范围2550 或：G=128-GBs (128126dB) 对应灰度范围0255 式中，G为灰度级；GBs为回波声强。假设声强变化范围为(GBsmin GBsmax)，量化后的灰度范围为(Gmin Gmax)，那么声强GBS量化后的灰度级G可表达为：式中，GB为灰度级；(GBSmax GBSmin )对应于(GBmax GBmin )。 在声强
18、向灰度级的转换过程中，灰度级的选择十分重要。抽样和量化工作完成后，便形成了多波束声纳图像。 多波束声纳图像 如以下图，图像中每个像素对应着两组表达参量，一组为图像表达参量，即像素的位置i，j，以及与之对应的灰度f(i，j)；另一组为地理参量，即像素中心对应的地理坐标(x，y)和声强BS。 海底地貌探测仪又称侧扫声纳。它可显示海底地貌，确定目标的概略位置和高度。海底地貌仪分单侧和双侧两种，目前多使用双侧地貌仪。 侧扫声纳是一种主要用于大洋底勘探，而不是用于测量距离或深度的声纳。海底测绘用的是双侧扫声纳，把两个换能器装在称为“鱼形或流线型的拖曳体内，为了获得最正确效果，拖曳体离海底的深度是可调的。
19、 海底地貌探测仪组成可分为换能器、发射机、接收机、收发转换装置、记录器、主控电路六个主要部份。如图： 85 侧扫声纳及其声纳图像侧扫声纳及其声纳图像侧扫声纳系统的组成示意图 现以国产SDH8型双侧海底地貌仪为例，说明各局部的作用。 侧扫声纳换能器外部形状似鱼形，故称为拖鱼。拖体左右两侧各有一个长条型换能器基阵。 发射机与换能器基阵相对应，分左、右发射机，分别产生一定宽度、频率的高频等幅振荡电脉冲，再分别送入左、右换能器基阵，转换成声波脉冲向两侧海底辐射。 接收机可将两个换能器基阵送来的微弱电信号加以选择放大处理，然后送到记录器将信号在记录纸上记录下来。接收机还设有自动增益控制，能自动地压低强信
20、号，增强弱信号，即压缩回波信号的动态范围，使海底回波变化均能在记录纸上记录下来，从而正确反映海底精细地貌的变化。 收发转换装置的作用相当于在换能器基阵与发射机、接收机之间接入一个自动开关。 记录器有二个作用，一是产生总机触发信号，送往主控电路，产生同步触发脉冲，协调整机工作；二是同时记录左、右两侧的海底地貌回波信号。 由记录器产生的触发信号，经主控电路整形、延时后产生一定宽度的同步脉冲信号，用来控制整机工作。 侧扫声纳系统的横向距离取决于许多因素。它们包括：发射的频率和脉冲速率(由于声在水中被吸收，频率越高距离越短)；声能和声脉冲的方向性 (取决于换能器的物理性质)；换能器的倾斜角；拖鱼在海底
21、上面的高度；介质和反射面(噪声和目标靶的强度)的物理性质。 侧扫声纳的分辨率定义为从周围环境鉴别目标靶的能力。横向或水平分辨率是分辨平行于船迹的两个目标(或物体)的最小距离，垂直分辨率是在垂直于船迹的方向上别离两个目标(物体)的最小距离。 侧扫声纳换能器收到海底各点回波的时间有先后之分，故记录器在将一次声波脉冲发射过程中的各点回波记录时，是按先后次序依次记录在一条横线上的。如图： 图中O为零位线，M为海面线，它是从海面M反射回来的回波信号记录线，OM为换能器吃水深度，A为海底回波信号记录线，OA (Hf)为换能器至海底的深度；C为礁顶。 如图，海底有一障碍物(如暗礁、沉船等)。从a至b这一段海
22、底根本是平坦的，隆起物正面b至c一段海底。 如果海底地貌起伏变化，那么会引起回波强弱变化，在记录纸上那么以浓淡不同的黑度表示出来。 回波信号的强弱除与海底地貌的起伏、海底底质的性质等有关外，还与传播路径的远近有关。在海底平坦处，回波信号的强度随着距离的增大而迅速减弱。 海底隆起物反映在记录纸上是左黑右白的图形，黑的局部是隆起物朝向测量船方向的正面，而白的局部是该隆起物背后的阴影。 对于海底凹陷部位 (如沟或坑)，没有回波，反映在记录纸上为白色；而朝向换能器的一侧，反向散射回波变强，反映在记录纸上为黑色。海底凹陷部位的地貌声图是先白后黑，白色“影子的长短在一定条件下反映出凹陷部位的深浅程度。 在
23、声纳曲线图上有许多引起失真和干扰的因素，这些干扰因素可分为几何形状、周围环境和仪器3个方面。几何形状变形具体有： l比例尺不等变形 如果存在方形目标，随着船速增大，方形目标变成横向的长方形目标。当船速继续增大，椭圆目标和横向长方形目标的短轴均变得更短。 声图纵、横向比例尺不等 l声线倾斜变形 由于换能器基阵向倾斜方向海底发射声波，并接收倾斜方向海底的反向散射声波。在声图上扫描线反映换能器基阵至海底的倾斜距离，使声图横向产生比例尺不统一，引起声图目标横向变形。 声线倾斜变形示意图 l 拖鱼高度变化使声图横向比例尺变化 由声图结构可知，在声图上发射线至海底线的长度，表示拖鱼离底的高度。如拖鱼至海底
24、的高度变高，反映在声图上呈现零位线至海底的宽度加长，占用声图横向宽度增宽；同时，横向扫描线缩短，占用声图横向宽度变窄。从而使声图横向比例尺缩小。l 海底倾斜坡面引起横向比例尺变化 扫测船顺海底倾斜面的走向扫侧，迎斜面的一侧横向比例尺缩小，顺斜面的一侧横向比例尺增大。l 由于换能器水平开角大或副瓣大引起的双曲变形 由于开角大或存在较大的副瓣，换能器还没有正横通过目标时，就已经得到了目标的回波，而换能器已经正横通过目标后，仍能得到目标的回波，从而直线目标的声图就产生了弯曲。 周围环境的失真和干扰经经常是由于同时作业的其它电子仪器、水中较密的悬浮粒子、外表噪声和反散射、气泡、海洋生物、水温和水流的变
25、化等引起的。 仪器失真主要是由于记录螺旋线有缺陷或记录纸以及波道之间的电信号相互作用引起的。 根据侧扫声纳的用途不同，侧扫声纳大致可分为四类：分辨声纳、搜索声纳、地质声纳、远程声纳。其中分辨声纳的分辨力最高，常用来探测海底精细地貌和探测分辨水下物体等。 我国研制的旁视侧扫声纳主要有：SGPI型、PSl型、SDH8型和HRBSSS高精度测深侧扫声纳，它们都可以用于测绘海底地貌、探测海底礁石、沉船油管、水下障碍物和海底地质的某些待征等。 国外分辨声纳以美国克莱茵公司生产的侧扫声纳为代表，具有当代先进水平。该系统根本组成是换能器拖鱼和图示记录器。 其中图示记录器可分为一、二、三通道三种类型。一通道记
26、录器用来探测水深；二通道记录器用来记录航向左、右两侧一定宽度内海底地貌、底质声图；三通道记录器以上功能均可。如插入模数信息处理组件和磁带记录器，就可以组成多功能的模数自动绘图声纳，英文简称MAPS。该系统有三种根本工作方式： 现场记录方式 后期处理方式 实时处理方式 MAPS实现了大面积地貌声图的拼接，为绘制海底地形图创造了条件，提高了自动化程度。 为了能从声图上繁杂的图像中判读出目标图像及地貌图像，必须对各类声信号的图像进行分类，声图图像可分成四类，即目标图像，海底地貌图像，水体图像和干扰图像。l 目标图像包括沉船、沉鱼雷、礁石、海底管线、鱼群及海水中各种碍航物和建筑物的图像。 l 海底地貌
27、图像包括海底起伏形态图像、海底底质类型图像、海底起伏和底质混合图像。海底起伏形态图像如沙波、沙洲、沟槽、沙砾脊、沙丘、凹洼等形态;海底底质图像如漂砾、沙带、岩石等。l 水体图像包括水体散射、温度阶层、尾流、海面反射等水体运动形成的图像。86 基于声纳图像判读海底地貌基于声纳图像判读海底地貌l 干扰图像包括换能器基阵横向、纵向和舶向产生摇摆的干扰图像，海底和水体等的混响干扰图像，各种电子仪器及交流电源产生噪声的干扰图像。 声纳图像是海底目标、海底地貌、水体和干扰等多种反射声波的接收信号特征的记录，这些特征称之为判读特征，也称判读标志。声纳图像具有如下判读特征： 形状特征 ：是指某类图像外部轮廓在
28、声图上表现出的 形状。 大小特征：是指在声图上的尺寸。 色调和颜色特征：色调特征是对黑白声图而言，彩色特征是对伪彩色声图而言。色调特征是指声图上所表示的灰阶由深到浅的灰度。 阴影特征 ：是指目标和地貌的高出海底面阻挡声波照射的地段，在声图上表示为无灰度的小区域。 纹形特征 ：是指声图上强灰度的灰阶形成的各种形态特征，如鱼群的椭圆形态，燕尾形态；沙波的波状形态等。 相关体特征 ：是指伴随某类图像同时出现的无固定纹形特征的相关图像。如沉船图像周围必然伴随有堆积和沟槽图像。 一般可采用以下几种方法进行判读声图图像： 直接判读法：利用判读特征，直接对一张声图图 像判读目标和地貌。 比照判读法：把粗扫测
29、与扫测的声图进行对照比较来判读声图中的目标和地貌。 邻比判读法：把两扫测趟的重叠带的图像相拼，对照比较判读目标和地貌。 逻辑推理判读法：根据扫测区的水体的情况、潮流和气象等动力因素、海底底质分布状况、海区特点及海底地貌、海事资料，并结合扫测记录，来判读声图的目标和地貌图像。 影响判读效果的因素是多方面的，当各种判读因素提供得充分时，判读成功率高。影响判读声图中的目标和地貌成功率的主要因素有判读人员对声图的结构、特点、特征的理解认识程度、扫测记录的详尽程度、扫测符合规定要求情况、仪器状态以及声图图像清晰程度等。下面给出两张地貌声图供参阅。沉积岩褶皱形成的小盆地 沙砾海底上覆盖的沙带和沙波 利用声
30、纳图像除可以判断目标和海底地貌特征外，声纳图像还可用于计算目标的形状、尺寸和深度等几何参数。如： 海底目标高度的确定垂直深度： 目标靶高度： 目标靶深度：目标靶的水平距离： 海底底质声学特性一直是海洋地质、水下工程地质、海底矿产资源、海洋渔业和水下通讯等领域重要的研究内容, 通过海底声反射和声散射等手段可以进行海底底质的声学特征研究。 我国在海底底质分类方面的研究程度还较低, 虽然近些年来引进了多波束系统, 获得了大量的数据资料, 但仍然只利用了该系统的海底测深功能, 其底质分类等功能的技术潜力还没有得到充分开发和利用。 近几十年来,具代表性的海底声学特性研究是美国学者Hamilton和Bio
31、tStoll的研究工作。Hamilton对海底沉积物的声学特性进行了系统研究,提出了简单且易于应用的粘弹模型,并据收集到的数据资料总结出了大量的经验公式。 87 基于声纳图像划分海底底质基于声纳图像划分海底底质类型类型 中国科学院声学研究所研制并不断改进了海底表层底质探测系统, 屡次在海上作了海底底质分类工作, 获得回波的8 种参数(反射系数、能量归一系数、回波能量分布、回波间相关系数、包络谱等) , 将航线上的底质分为8 类, 即礁石、细砂、泥质砂, 砂质泥、泥和软泥等。 受各方面条件的限制，国内对海底声学底质分类技术的研究大都仅限于根底方面, 或是针对特定的海域, 或是针对特定的底质类型,
32、 研究的程度不高。 目前最典型的探测设备和软件主要有美国NOARL 公司(Naval Oceanographic and Atmospheric Research Laboratory) 的ASCS、挪威Simrad的多波束产品TRITON 分类软件和加拿大QTC 公司的QTC VIEW 等。 按照测量仪器获得的海底声纳图像的不同，海底分类常采用的方法有如下几种：1剖面声纳、测深仪法 对用剖面声纳、测深仪法提取的声学特征进行以下5 种方法的计算和统计分析, 以进行海底底质分类。这5种方法是反射系数；累积能量归一曲线(取决于沉积物衰减系数)；反射信号的时域波形特征(幅度分布统计、直方图等)；反射
33、信号的频域特征；回波的屏间相关统计2侧扫法 将用侧扫法提取的声学参数进行以下3 种方法的计算和统计分析, 以进行海底底质的分类。这3种方法是回波强度的统计量(分位点)；纹理特征提取；斜入射反向散射强度与入射角的关系。3多波束法 将利用多波束方法提取的声学特征进行以下6 种方法的计算和分析, 以进行海底底质的分类。这3种方法是均值；分位数(Quartile)；标准偏差(Standard deviation)；比照度(Contrast)；频谱；回波幅度的直方图等；分形锥法和神经网络法。综合看来, 底质分类的能力和效果不仅取决于所使用的声纳手段，还取决于分类算法。剖面声纳和测深声纳使用的都是正入射信
34、号，回波中能更多地携带地层信息，能以较高的置信度推测沉积物的物理性质，其中宽带剖面声纳所得到的分类和特征估计的效果要好于普通测深仪所得到的效果。共同的缺点是所测得的信息只是换能器正下方的单点信息。 海底浅层剖面仪又称次海底剖面仪，它是研究海底各层形态构造和其厚度的有效工具，其工作原理与回声测深仪相同。 浅地层剖面仪由发射机、接收机、换能器、记录器、电源等组成。发射机受记录器的控制，发射换能器周期性的向海底发射低频超声波脉冲，当声波遇到海底及其以下地层界面时，产生反射，返回信号，经接收换能器接收，接收机放大，最后输给记录器，并自动绘制出海底及海底以下几十米的地层剖面。 88 浅地层剖面仪浅地层剖
35、面仪 海底浅层剖面仪的探测深度与工作频率有关。常应用的工作频率为3.5kHz和12kHz两种，前者探测地层深度为100m，后者约为20m。频率增高，声波吸收衰减加大，探测深度减小，频率低，探测深度大，但是，剖面仪的分辨率差。 海底沉积层中声波的吸收衰减是根据大量的取样在勘测船上或在实验室中测定的。沉积层中除了泥、砂、石灰石外，还夹杂着水，其构造是比较松散的，对于这种介质而言，其吸收衰减主要取决于声波传播过程中质点所引起的摩擦损耗。这种损耗与沉积物的孔隙度n有关。 海底沉积层的结构是分层的，剖面仪测量的是地层界面反射信号的到达时间，假设沉积层中的声速在深度剖面内按常梯度增加，其关系式如下： 式中
36、c0为沉积层外表声速；k为沉积层声速梯度；t为声波在沉积层中单程传播时间。利用地层界面回波的单程传播时间t，求得沉积层中的平均声速为：由于海域不同，沉积层的地质构造不同，上式中的c0和k不是常数，一般根据钻孔取样所测得的数据确定不同海域中c0和k的经验值。 根据沉积层中的声速和吸收系数与孔隙度之间的关系，建立海底沉积层的声学模型，通过遥测海底声学参数来判断和分析沉积物的物理特性。 EdgeTech 2000C和EdgeTech 3100P浅地层剖面仪系统 其中，EdgeTech 2000C 是一种经济、适用于近海的组合式侧扫声呐/浅地层剖面仪系统。EdgeTech 3100P 是一种高分辨率宽带调频FM便携式浅地层剖面仪系统。主要应用于工程勘察、底质调查、管线探测、沉积物分类等。 根据浅地层剖面仪探测的海底回波的强度可以绘制浅地层剖面图。浅地层剖面图是反映海底浅地层底质性质的断面图或图像。 (a) 水库异重流现象 (b) 大坝坝前淤积情况 (c)根石层的分布情况 图(a)中，浅地层剖面图通过三种不同的颜色清楚地说明了存在三类不同地质的介质层，即异常流层、淤泥层和硬河底；图b中，浅地层剖面图通过颜色不同和颜色的分界清楚地说明了淤泥覆盖的坝体以及坝前淤泥层的分布和层厚度；图(c)中，也清楚地呈现出了河底、根石层及其厚度。
