回波强度及其数据处理

5.2　回波强度及其数据处理

声呐扫测系统的测量是通过系统的底部检测完成的。底部检测的目的在于寻找和确定每个波束的到达角和往返传播时间(或相位变化)，再根据相关的改正技术，确定波束在海底投射点的水平距离和深度。通过底部检测易于获得每个到达波束的回波强度，而回波强度正是声呐图像形成的基本参数。根据式(5-17)，影响BS _B的因素主要有SL、EL、DI _R、TL、NL和声波的散射以及混响。若能准确获得这些参量，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。混响又可分为容积混响、海面混响和海底混响。

海面混响对浅水多波束的影响比较严重。海面混响强度与声波的掠射角、工作频率以及海面的粗糙度有关。海面混响对声强的影响S _S可描述为:

　　　S_S=-10lg8πa²+ 2.17a^-2 tan²φ，a²= 0.003+ 5.12×10^-3ω　　　(5-18)

式中:ω为风速(m/s)，φ为声波的掠射角(度);a²为海浪斜度均方值。

为使接收到的波束的回波强度能够直接反映真实的海底底质特征，必须对其进行预处理。预处理主要包括传播损失TL、声线弯曲改正、Lambert法则改正、海底地形、海洋声场变化对声强的影响改正等，下面分别予以介绍。

1.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=4πR²₁和S₂=4πR²₂，在波阵面上所对应的声强为I₁和I₂，则扩展损失为:

　　　　　　　　　　　TL= 10lg(I₁/I₂)　　　　　　　　　　(5-19)

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，则有关系式:

根据无耗损介质的特点有:　　

当R₁=1m时，　　　　　　

波束在海水中传播时，水中含有大量的自由离子，对声能具有较强的吸收作用;另外一个降低声能的因素是海水的吸收。综合考虑，则距离声源R处的声强I₂为:

式中:α为衰减系数;n为波束的传播形式，对于球面传播，n等于2。

海水中声能的传播损失为:

　　　　　　　　　　TL= 20lg R+ 10αR　　　　　　(5-22)

式中:TL、R、α的单位分别为dB、m和dB/m，第一项为波束的球面扩展损失，第二项为海水吸收损失。衰减系数α是频率f(kHz)、盐度S(ppt)、温度T(℃)和深度Z(km)的函数，c为声速(m/s)，pH为5.6～8.2级。α的综合表示式为:

从式(5-23)可以看出，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α对声强的影响变成一个主要因素，因而在声呐测量系统的设计和选型时，必须考虑频率的影响。返回信号的强弱包含了海底地形和传播距离的变化信息。为了削弱衰减的影响，就必须对衰减引起的信号减弱进行补偿。当水文因素和工作频率不变时，衰减与传播时间(距离)存在着一定的关系，传播距离愈大，强度衰减愈显著。为了消除衰减造成的回波强度损失，系统对此进行了时间增益补偿。

波束的扩展损失和衰减损失与波束经历的传播路径密切相关。为了得到准确的TL，就需对声波的传播路径进行追踪，即声线弯曲改正。

2.声线弯曲改正

根据前面介绍的声线跟踪原理，设波束在层i中以常声速c_i传播，Δz_i、Δt_i为层厚度和波束传播时间，p为Snell常数，则波束在整个水柱中经历的实际声程R为:

或　　　　　　　　　　　

若声速在层i中以常梯度g_i变化，波束在整个水柱中经历的实际声程R为:

式中:θ_i和θ_i+1为厚度Δz_i水层表面波束的入射角和层底的出射角，对应声速c_i和c_i+1。

根据Snell法则，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法则进行声能计算。

多波束或侧扫声呐系统在进行回波强度计算时，假设海底地形变化平坦，但实际上，海床还存在着小波长尺度的地形变化，对回波强度会产生一定的影响。

3.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θ，由于海底地形的影响，实际入射角θ'为:

式中:θ_R、θ_T为因坡面影响产生的二维入射角在横向和纵向的分量，β为海底坡度。式(5-27)(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;式(5-27)(b)式是坡面产生的二维入射角，为一般情况。根据Lambert法则，有

　　　　　　　　　　　BS _B= BS₀+ 20lgcosθ'　　　　　　　(5-28)

取坡面上三点M₁(x₁，y₁，z₁)、M₂(x₂，y₂，z₂)、M₃(x₃，y₃，z₃)，其中z₁＞z₂＞z₃，则坡面方程为:

A(x-x₁)+ B(y-y₁)+C(z-z₁)=0

系数A、B、C可通过坡面的法向量n确定。则坡度β为:

坡度β的计算精度主要受测深精度的影响。若波束投射点落在两个坡面形成的交叉地带，则波束形成一个空间二面角，实际的波束入射角可通过式(5-27(b))获得。

4.声照区面积改正

式(5-9)表明，BS与波束脚印面积AE有关，海底平坦时，AE可表达为式(5-10)。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10lgAE'。

5.Lambert法则改正

根据式(5-11)，为得到完全反映海底底质信息的声强BS₀，需将等式右边与入射角相关的项20lgcosθ消除。由于该项与波束入射角有关，因而只要根据声线跟踪，确定波束在海床上的入射角，并消除海底地形的影响，根据式(5-28)右边第二项，消除与入射角相关的影响，就能获得纯粹反映海底地质特征的声强信息。

综上所述，海底地形对回波强度的总影响可表示为:

统计分析(见图5-3)和式(5-31)表明，海底地形对声强的影响与波束的入射角有关，最大影响量达到7dB，在实际数据处理中应予以重视。

在海洋测量中，声传播的起伏变化将产生声场变化。声呐信号的起伏主要由于测量船的漂移、姿态的变化以及影响声速变化的海洋水文因素等引起的，另外，海洋中生物体、声照射区底质特征及地形变化也会有一定的影响。这些因素造成所接收到的信号可能在全部或局部范围内的统计特性带有随机性。这种变化导致所形成的声呐图像复杂化(见图5-4)，无法用于解释海底地形、地貌。在实际数据处理中，应根据随机变化的统计特性，一般需要对数个或数十个回波信号取平均，其平均值被认为是接近实际的回波强度，从而消除声信号起伏所产生的影响。

图5-3　海底地形对声强的影响

图5-4　回声信号振幅的随机变化特征