一种基于多声纳设备的沉积层声特性获取方法及系统与流程

技术特征：
1.一种基于多声纳设备的沉积层声特性获取方法，其特征在于，该方法包括：以待反演声学特性参数为输入变量，基于kirchhoff近似模型与体积散射模型，建立时间域上的声压包络与海底浅表层沉积物声学特性参数之间的函数关系，采用基于物理模型的匹配场反演方法，将理论时间域上的声压包络与实际时间域上的声压包络进行匹配分析，通过调整输入变量，使代价函数达到最小，反演得到声学特性参数，并利用海底声学特性参数之间的经验性的函数关系进行推导，得到经验性声学特性参数；以待反演反向声学特性参数为输入变量，基于小斜率近似模型与体积散射模型，建立角度域上的反向散射回波相对强度与海底浅表层沉积物反向声学特性参数之间的函数关系，采用基于物理模型的匹配场反演方法，将理论角度域上的反向散射回波相对强度与实际角度域上的反向散射回波相对强度进行匹配分析，通过调整输入变量，使海底反向散射代价函数达到最小，反演得到反向声学特性参数，并利用海底反向声学特性参数之间的经验性的函数关系进行推导，得到经验性反向声学特性参数；将得到的海底浅表层沉积物声学特性参数和海底浅表层沉积物反向声学特性参数进行比较与组合，形成海底在水平方向上的海底声学特性参数；利用浅地层剖面仪采集的海底回波数据，采用基于图像的综合性数据处理方法，获得海底垂直方向上的海底沉积层的结构信息；将海底在水平方向上的海底声学特性参数，和海底垂直方向上的海底沉积层的结构信息组合在一起形成多维度的沉积层声特性。2.根据权利要求1所述的基于多声纳设备的沉积层声特性获取方法，其特征在于，所述海底浅表层沉积物声学特性参数包括：声学特性参数和经验性声学特性参数：其中，声学特性参数包括：单波束海底沉积物的特性阻抗ioi1、单波束海底体积散射系数σ
v1
和单波束海底表层沉积层粗糙度w1；经验性声学特性参数包括：单波束沉积层-水层密度比ρ1、单波束沉积层-水层声速比v1和单波束海底表层沉积物衰减系数kp1。3.根据权利要求2所述的基于多声纳设备的沉积层声特性获取方法，其特征在于，所述以待反演声学特性参数为输入变量，基于kirchhoff近似模型与体积散射模型，建立时间域上的声压包络与海底浅表层沉积物声学特性参数之间的函数关系，采用基于物理模型的匹配场反演方法，将理论时间域上的声压包络与实际时间域上的声压包络进行匹配分析，通过调整输入变量，使代价函数达到最小，反演得到声学特性参数，并利用海底声学特性参数之间的经验性的函数关系推导，得到经验性声学特性参数；具体为：对单波束声纳设备原始接收的海底回波散射信号进行滤波，获得滤波后的散射信号，再对其进行hilbert变换并取绝对值，获得变换后的散射信号，以待反演声学特性参数为输入变量，基于kirchhoff近似模型与体积散射模型，建立时间域上的声压包络与声学特性参数之间的函数关系，即公式(1)，以及海底声学特性参数之间的经验性的函数关系，即公式(2)-(4)：ρ1＝1.02 1.2ln(ioi1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)v1＝1.164-0.3001(ioi1) 0.1253(ioi1)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
kp1＝-3.31 4.33(ioi1)-1.138(ioi1)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，p(t,ioi1,w1,σ
v1
)为时间域上的声压包络；t为时间；ioi1为单波束海底沉积物的特性阻抗；w1为单波束海底表层沉积层粗糙度；σ
v1
为单波束海底体积散射系数；ρ
w
为水层密度；v
w
为水层声速；i(t,ioi1,w1,σ
v1
)为时间域上的声强包络；ρ1为单波束沉积层-水层密度比；v1为单波束沉积层-水层声速比；kp1为单波束海底表层沉积物衰减系数；基于公式(1)，对单波束数据选取代价函数f
cost1
：其中，n为时间轴上声压包络的采样点数；p
replica
(n)为理论时间域上的声压包络；p
exp
(n)为实际时间域上的声压包络；采用基于物理模型的匹配场反演方法，将理论时间域上的海底散射回波声压包络与实际时间域上的海底散射回波声压包络进行匹配分析，通过调整输入变量，使代价函数达到最小，反演得到声学特性参数；并利用海底声学特性参数之间的经验性的函数关系进行推导，获得经验性声学特性参数，将获得的经验性声学特性参数和反演得到的声学特性参数组合在一起，得到海底浅表层沉积物声学特性参数。4.根据权利要求1所述的基于多声纳设备的沉积层声特性获取方法，其特征在于，所述海底浅表层沉积物反向声学特性参数包括：反向声学特性参数和经验性反向声学特性参数；其中，反向声学特性参数包括：多波束沉积层-水层密度比ρ2、多波束沉积层-水层声速比v2、多波束海底表层沉积层粗糙度w2、多波束沉积层声波衰减系数和多波束海底体积散射系数σ
v2
；经验性反向声学特性参数包括：多波束海底表层沉积物的特性阻抗ioi2。5.根据权利要求4所述的基于多声纳设备的沉积层声特性获取方法，其特征在于，所述以待反演反向声学特性参数为输入变量，基于小斜率近似模型与体积散射模型，建立角度域上的反向散射回波相对强度与海底浅表层沉积物反向声学特性参数之间的函数关系，采用基于物理模型的匹配场反演方法，将理论角度域上的反向散射回波相对强度与实际角度域上的反向散射回波相对强度进行匹配分析，通过调整输入变量，使海底反向散射代价函数达到最小，反演得到反向声学特性参数，并利用海底反向声学特性参数之间的经验性的函数关系进行推导，得到经验性反向声学特性参数；具体为：对多波束声纳设备原始接收并记录多声波入射角下海底反向散射回波相对强度，进行时变增益补偿校准和海底声照射面积校准，以待反演反向声学特性参数为输入变量，基于小斜率近似模型与体积散射模型，建立角度域上的反向散射回波相对强度与反向声学特性参数之间的函数关系，即公式(6)，以及海底反向声学特性参数之间的经验性的函数关系，即公式(7)：
ioi2＝ρ2v2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)其中，bs为角度域上的反向散射回波相对强度；θ为波束入射角；ρ2为多波束沉积层-水层密度比；v2为多波束沉积层-水层声速比；w2为多波束海底表层沉积层粗糙度；为多波束沉积层声波衰减系数；σ
v2
为多波束海底体积散射系数；ioi2为多波束沉积层特性阻抗；基于公式(6)，对多波束数据选取海底反向散射代价函数f
cost2
：其中，m为反向散射回波相对强度的角度域上的角度值；bs
replica
(m)为理论角度域上的反向散射回波相对强度；bs
exp
(m)为实际角度域上的反向散射回波相对强度；采用基于物理模型的匹配场反演方法，将理论角度域上的反向散射回波相对强度与实际角度域上的反向散射回波相对强度进行匹配分析，通过调整输入变量，使海底反向散射代价函数达到最小，反演得到反向声学特性参数，并利用海底反向声学特性参数之间的经验性的函数关系进行推导，获得经验性反向声学特性参数，将获得的经验性反向声学特性参数和反演得到的反向声学特性参数组合在一起，得到海底浅表层沉积物反向声学特性参数。6.根据权利要求1所述的基于多声纳设备的沉积层声特性获取方法，其特征在于，所述浅地层剖面仪采集海底回波数据，采用基于图像的综合性数据处理方法，进而获得海底垂直方向上的海底沉积层的结构信息；浅地层剖面仪采集海底回波数据，从回波数据中得到水平距离r0和深度h0的浅剖数据矩阵，将浅剖数据矩阵表示为浅剖图像，再采用基于图像的综合性数据处理方法对该浅剖图像进行基于图像统计特性的均衡增强，获得均衡后的浅剖图像；利用二维多尺度线条滤波器对均衡后的浅剖图像进行多尺度线条滤波，提取所述均衡后的浅剖图像中的能量对比度的结构特征，滤除小尺度的随机高斯噪声，获得浅剖图像的分层界面结构的最大响应图像；再通过二维小波变换，将最大响应图像分解为水平方向细节子图像、垂直方向细节子图像和平滑的低频图像；将水平方向细节子图像作归一化处理后，再次利用二维多尺度线条滤波器进行滤波，获得完整的水平线条的区域信息的图像；对获得的完整的水平线条的区域信息的图像的界面结构和背景进行二值化处理，再通过列向量错位相减，获得水平线条的区域边界；进而获得海底垂直方向上的海底沉积层的结构信息；其中，海底沉积层的结构信息包括：海底沉积层的层数和沉积层各层的厚度信息。7.一种基于多声纳设备的沉积层声特性获取系统，其特征在于，该系统包括：声学特性获取模块，用于以待反演声学特性参数为输入变量，基于kirchhoff近似模型与体积散射模型，建立时间域上的声压包络与海底浅表层沉积物声学特性参数之间的函数关系，采用基于物理模型的匹配场反演方法，将理论时间域上的声压包络与实际时间域上的声压包络进行匹配分析，通过调整输入变量，使代价函数达到最小，反演得到声学特性参
数，并利用海底声学特性参数之间的经验性的函数关系进行推导，得到经验性声学特性参数；反向声学特性获取模块，用于以待反演反向声学特性参数为输入变量，基于小斜率近似模型与体积散射模型，建立角度域上的反向散射回波相对强度与海底浅表层沉积物反向声学特性参数之间的函数关系，采用基于物理模型的匹配场反演方法，将理论角度域上的反向散射回波相对强度与实际角度域上的反向散射回波相对强度进行匹配分析，通过调整输入变量，使海底反向散射代价函数达到最小，反演得到反向声学特性参数，并利用海底反向声学特性参数之间的经验性的函数关系进行推导，得到经验性反向声学特性参数；海底参数获取模块，用于将得到的海底浅表层沉积物声学特性参数和海底浅表层沉积物反向声学特性参数进行比较与组合，形成海底在水平方向上的海底声学特性参数；结构信息获取模块，用于利用浅地层剖面仪采集的海底回波数据，采用基于图像的综合性数据处理方法，获得海底垂直方向上的海底沉积层的结构信息；将海底在水平方向上的海底声学特性参数，和海底垂直方向上的海底沉积层的结构信息组合在一起形成多维度的沉积层声特性。

技术总结
本发明属于水声物理技术领域，具体涉及一种基于多声纳设备的沉积层声特性获取方法，包括：以待反演声学特性参数为输入变量，建立时间域上的声压包络与海底浅表层沉积物声学特性参数之间的函数关系，反演得到声学特性参数，并利用经验推导，得到经验性声学特性参数；以待反演反向声学特性参数为输入变量，建立角度域上的反向散射回波相对强度与海底浅表层沉积物反向声学特性参数之间的函数关系，反演得到反向声学特性参数，并利用经验推导，得到经验性反向声学特性参数；利用浅地层剖面仪采集的海底回波数据，采用基于图像的综合性数据处理方法，获得海底垂直方向上的海底沉积层的结构信息。结构信息。结构信息。


技术研发人员：倪海燕 王文博 肖旭 鹿力成 任群言 马力
受保护的技术使用者：中国科学院声学研究所
技术研发日：2020.04.27
技术公布日：2021/11/14