多波束声呐(multibeam sonar)是目前使用最为广泛的海洋测量仪器之一, 不仅能够获得水深数据,
还能够获得反向散射强度(backscatter strength, BS)。反向散射强度经过一系列的处理后, 可以绘制海底
声呐图像, 为海底底质分类、海洋目标探测、海洋环境调查等诸多领域提供基础数据支撑
[1-2]
。多波束反向
散射强度用于定量描述目标反射特性, 不仅受海底底质的影响, 而且还依赖于仪器特性及海洋环境
[3-4]
。多
波束回波数据处理过程中, 去除海洋环境影响尤为重要, 海洋中的诸多因素都对声信号的传播产生影响,
这些因素主要包括声速剖面、水体温度、水体盐度、压强以及悬浮颗粒物等
[5-6]
。
国内外学者
[7]
都已展开多波束回波声传播损失的研究, 现有的反向散射强度传播损失改正方法主要
有多波束换能器增益处理和声学模型后处理, 多波束换能器增益是通过时间变化增益(time varied gain,
TVG)减少传播损失的影响, 唐秋华等
[8]
分析了强度数据获取过程中系统进行的实时补偿。Beaudoi 等
[9]
分
析了多波束系统换能器接收增益对回波强度值的影响, 声学模型法主要是通过声传播公式推导回波强度与
海洋环境参数的关系, 彭临慧等
[5]
研究了混浊海水对声传播的影响, Alexandre 等
[4]
对多波束反向散射强度
传播损失与海洋环境参数的关系进行了相关研究。
在近岸河海交汇处, 河流携带大量的泥沙汇入海洋, 产生大片混浊海域。混浊海水中的悬浮颗粒物,
通过热传导以及黏滞作用导致声波衰减, 对多波束声呐系统的工作性能产生显著影响, 降低了声呐的识别
能力。因此研究混浊水域中的多波束传播损失成为关键问题。波束传播损失与波束的传播路径密切相关,
未考虑声速剖面对波束传播路径的影响。而传统的传播损失与波束的传播路径密切相关, TVG 改正方法忽
略了海水介质中环境参数的动态性, 而传统的多波束传播损失声学模型通常只考虑了纯净海水黏滞性对波
束传播的影响
[10]
, 未考虑混浊海水中悬浮颗粒物对海水黏滞性的影响, 在复杂海洋环境下适应性较弱, 改
正效果不理想。
针对上述问题, 本文从声学机理出发, 考虑混浊水域中悬浮颗粒物对黏滞吸收的作用, 提出了混浊水
域多波束声传播损失改正模型, 针对海洋环境参数的动态性, 对每个波束分层计算传播损失, 最后将各层
传播损失累计, 获得每个波束的传播损失。
1 多波束传播损失影响因素 1.1 声传播基本原理
波束发射后, 经海水传播, 再到接收的整个过程形成了声呐方程。声呐方程的影响因素主要包括声
传播介质、海底及水体目标、背景干扰和声呐参数。图 1 展示了波束信号从发射到接收的过程, 图 1 中
各个参数表示如下: SL 为多波束系统的声源级; TL 为波束的传播损失; TS 为目标强度; A 为声照区面积;
EL 为回波能级; NL 为海洋环境的声噪水平; A/D 为模数变换; D
t
和 D
r
分别发射和接受指向性; 为 G
b
为
ADC 阶段之前实施的增益; G
a
为 ADC 阶段之后实施的增益; RL 为系统增益之后接收回波能级。BS
B
为海
底反向散射强度。则声呐方程可表示为
[10]
: