复杂分层浅海环境中舰船地震波的理论建模和传播规律研究

The elastic wave in seabed caused by the low frequency noise of a sailing vessel is the so-called ship's seismic wave that can be used to identify ship targets in shallow sea.The hydrogeology conditions in shallow sea are complex including shallow water, negative sound-speed gradients, sloping sea bottom and poro-elastic sediments. At present, the theoretical models of ship's seismic wave can deal with either the sloping sea bottom or the poro-elastic sediments. The theoretical model of ship's seismic wave which can be applied to shallow sea with all the above conditions is needed. In this research, the theoretical model of ship's seismic wave in shallow sea is constituted on the basis of parabolic equation for poro-elastic media.The ship's seismic wave in shallow sea is simulated and analysed with the model developed above. The laboratory experiments in a scaled-down model and in-situ measurements of ship's seismic wave in a typical shallow water environment with sloping bottom and poro-elastic sediments are carried out. Test results are used to verify the theoretical model. With this research, the mechanism of ship's seismic wave is revealed further, the characterisic of ship's seismic wave in shallow sea with complex hydrogeology conditions is obtained in time and frequency domain.The research results provide preliminary theoretical model and test data for the devolopment of mine fuze with ship's seismic waves and quiet submarine detecting system assisted with ship's seismic waves.

舰船地震波是指航行舰船低频辐射噪声引起的远处海底表面的弹性波，是一种新型舰船物理场，主要应用于浅海区域的水中舰艇目标探测领域。浅海的水文地质条件较为复杂，包括浅水、负声速梯度、楔形斜坡海底和多孔介质沉积层等因素。目前已有的舰船地震波理论模型或者针对不规则倾斜海底，或者针对沉积层的多孔介质吸收衰减特性，未能同时考虑上述因素，存在不足之处。本项研究基于孔隙弹性介质的抛物方程法，开展复杂分层浅海环境中舰船地震波的理论建模和传播规律研究，并进行模拟孔隙弹性海底低频声传播的实验室缩比实验和实船地震波现场测量试验，利用试验结果对理论模型进行验证。项目研究可以进一步揭示舰船地震波的形成机理，获取复杂分层浅海环境下舰船地震波的传播规律和时域、频域信号特征，为海底地震波辅助的水下安静型潜艇目标探测、地震波引信水雷的舰艇目标探测提供理论基础。

舰船地震波是指航行舰船低频辐射噪声引起的远处海底表面的弹性波，是一种新型舰船物理场，可用于浅海区域的水中舰艇目标探测领域，在沉底水雷引信和安静型潜艇远程预警等领域具有重要的军事应用价值。浅海的水文地质条件较为复杂，如海水层水深较浅、负声速梯度和楔形斜坡海底，另外浅海沉积层为多孔介质，具有较强的吸收衰减特性。本项研究基于Biot多孔介质波动理论建立的舰船地震波波动模型能较好地反映实际浅海沉积层的高孔隙度和高渗透率等特点以及粘滞效应造成的波动能量衰减。根据抛物方程法理论，对舰船地震波波动模型的波动方程进行推导和变换，给出了海水层、多孔介质沉积层和下部基岩中抛物型波动方程及其递推计算方法。利用所建立的抛物方程方法，对具有负声速梯度、多孔介质沉积层海底和斜坡向上海底三个典型特征的浅海环境，开展舰船地震波传播规律的仿真数值计算，分析了声源频率、声源深度、海水层厚度、海水中声速梯度、沉积层厚度、沉积层软硬底质、沉积层吸收衰减特性和斜坡向上海底等因素对声传播损失空间分布规律的影响。构建了一套室内消声水池声传播损失的测试系统，在消声水池内开展了模拟孔隙弹性海底声传播的缩比实验，缩比实验结果初步验证了弹性介质抛物方程计算方法的准确性。采用分布式光纤地震波检测技术，在具有沉积层斜坡海底的典型复杂分层浅海环境下，对环境噪声、降雨、涨潮、轮渡船、大型货船和快船等引起的海底地震波信号进行了现场测量和数据采集。采用原有的海底微幅地震波检测系统，对大型货船引起的海底地震波信号进行了现场测量和数据采集，海底微幅地震波检测系统的精度比分布式光纤探头高，货船整个航行阶段都检测到了较强的实船地震波信号，检测距离可以达到3km左右。研究结果形成了一套复杂分层浅海环境下低频稳态声源引起海底地震波的理论模型和测量数据体系，进一步揭示了舰船地震波的形成机理，获取了复杂分层浅海环境下舰船地震波的时域、频域信号特征，为地震波辅助的常规声纳探测系统、地震波引信水雷的应用和发展提供了理论基础。