浅海厚沉积层环境下舰船地震波的理论模型及信号特征研究

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。浅海海底多数存在较厚的粘土、砂土沉积层，属于典型的饱水两相多孔介质。目前已有的舰船地震波单相液态或固态介质理论模型难以较好地反映浅海沉积层中存在的三种体波（快纵波、慢纵波和剪切波）及其波速、衰减的频散特性，在描述浅海沉积层的多孔介质波动特性方面存在不足。本项研究在多孔介质沉积层条件下建立浅海舰船地震波的理论模型，对舰船地震波进行理论分析和数值计算；进行典型浅海厚沉积层环境下的实船地震波信号测量试验，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，获取浅海厚沉积层环境下舰船地震波信号的时域、频域特征，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。浅海海底多数存在较厚的粘土、砂土沉积层，属于典型的饱水两相多孔介质。目前已有的舰船地震波单相液态或固态介质理论模型难以较好地反映浅海沉积层中存在的三种体波（快纵波、慢纵波和剪切波）及其波速、衰减的频散特性，在描述浅海沉积层的多孔介质波动特性方面存在不足。本项研究在多孔介质沉积层条件下建立浅海舰船地震波的波动模型；给出波动模型的理论解和数值计算方法；进行典型浅海厚沉积层环境下的实船地震波信号测量试验。通过理论解、数值计算和测试结果，进一步揭示舰船地震波的形成机理，获取浅海厚沉积层环境下舰船地震波信号的时域、频域特征。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。采用波数积分方法，给出了波动模型的理论解，建立了低频声源激励海底地震波的合成波列计算方法，根据典型浅海厚沉积层环境下合成波列计算结果，分析了声源频率和沉积层的孔隙率、渗透系数等多孔介质特性对海底低频地震波的波动成分和传播规律的影响。采用高阶交错网格有限差分法，建立了浅海厚沉积层条件下海底地震波的三维数值计算方法，并初步分析了近场和远场海底地震波的波动成分。对已有的三分量高分辨率地震波测试系统进行了改进和完善，在浅海和内河浅水厚沉积层环境下开展了实船地震波检测试验，获取了多个批次实船地震波检测数据。对实船地震波检测试验的三分量地震波信号进行了数据处理，分析了信号的时频特征。研究结果形成了一套浅海厚沉积层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，获取了浅海厚沉积层条件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。