海洋界面宽频声散射特性及模型研究

The acoustic scattering characteristics and modeling of marine interfaces (sea-surface and sea-floor) is one of the most important research topics in underwater acoustics and is a key for precise simulation and accurate prediction of the undersea acoustic field in complex conditions. Following the ideology of technology research to sea experiments and then to theoretical study, this project will first develop the measuring technique and methodology of the broadband (tens of hertz to 20 kilohertz) acoustic scattering characteristics of marine interfaces; on this basis, the measurements of the acoustic (forward and backward) scattering strength of marine interfaces as a function of grazing angle will be carried out at a typical Chinese sea with varying frequencies and environmental parameters; the impacting factors and variation pattern of the acoustic scattering characteristics of marine interfaces will be studied, and the mechanisms of the broadband acoustic scattering will be revealed; the models of the shallow water broadband acoustic scattering characteristics with respect to the different mechanisms will finally be established. The study will improve greatly the research level of our country in the area of acoustic scattering characteristics of marine interfaces and hence the prediction of undersea acoustic field.

海洋界面（海面和海底）的声散射特性及模型研究是海洋声学的重要研究内容，同时也是复杂环境下海洋声场模拟和数值预报需要解决的关键科学问题。本项目将遵循从技术研发、海上实验，到理论研究的指导思想，首先通过技术研发和技术集成，形成一套海洋界面的宽频（几十Hz-20 kHz）声散射特性测量技术和方法；在此基础上，选择典型海区和不同的海洋界面环境条件，分别测量不同频率声场情况下海气和海底界面的声散射强度（前向和后向）随入射角、掠射角的变化，分析其变化规律以及与海洋界面环境参数之间的关系，综合研究海洋界面的声散射特性及其影响因素，揭示其声散射机理；针对不同的散射机理，研究并分别建立海面和海底的声散射模型。该研究对丰富海洋声学理论，提高我国在海洋界面的声散射特性研究以及海洋声场模拟和数值预报水平，具有科学意义和应用价值。

海面和海底是海洋的两个重要界面，同时也是水下声场的重要边界，海洋界面声散射特性及模型研究是复杂海洋环境下声场预报需要解决的关键科学问题。国内外对于连接高频和低频的中频段声散射研究很少，从而使得对海洋界面宽频声散射特性研究明显不足。本项目通过技术研发和集成，形成包括中频段在内的海洋界面宽频声散射特性测量能力；选择典型海区开展海面和海底宽频声散射测量，分析声散射强度随频率、入射角、掠射角变化规律及其与界面环境参数之间的关系，综合研究海洋界面声散射特性及其影响因素，揭示散射机理，研究建立海面和海底声散射模型。.项目完成了相关技术的研发和集成，形成了用于1-24 kHz频段海洋界面宽频声散射测量的系列设备，建立了海洋界面宽频声散强度海上实验测量方法。在南黄海砂质和泥质等典型海底开展了海底宽频声散射测量，以及不同风速（3.0m/s~12.0 m/s）和不同海况（1~3级海况）条件下的海面宽频声散射测量，获得了1-24 kHz频带内的海面和海底宽频声散射数据。分别研究了砂质海底和泥质海底反向声散射强度与掠射角、声波频率的相关性及变化趋势，给出了不同掠射角处海底声散射强度随频率变化的线性斜率。分析了海底声散射机理，研究了海底地声属性、声波频率、沉积层埋深等对海底声散射强度的影响，分析了海底界面粗糙散射、沉积层体积散射、基底界面粗糙散射和基底体积散射等不同散射机理对海底散射的贡献。研究了海面声散射强度与频率、风速的关系，分析了海面气泡散射、界面粗糙散射等机理以及不同机理起主导作用的掠射角范围。通过砂质区和泥质区海底声散射强度实测数据与模型预测结果对比，给出了适合实验海区海底声散射强度预测的Lambert模型的µ参数值，建立了海底宽频声散射模型。通过对数据拟合分析，给出了实验海区海面声散射强度预测经验公式，建立了同时包含气泡散射和粗糙散射两种机制在内的海面复合散射模型。该研究对丰富海洋声学理论，提高我国在海洋界面声散射特性研究水平，具有科学意义和应用价值。