水体悬浮沉积物浓度多频声学反演研究

作     者：尹明宇 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐文

授予年度：2021年

学科分类：082403[工学-水声工程] 08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：悬浮沉积物浓度 悬浮沉积物颗粒粒径 声学反向散射回波 双频反演算法 多频反演算法 

摘      要：悬浮沉积物浓度声学反演被认为是获取水体中悬浮泥沙浓度实时数据的主要方法之一。与传统的定点采水测量技术相比,声学测量方法具有对被测环境的非入侵性、较高的空时分辨力以及能够实现剖面测量等技术特性,近年来备受关注。论文围绕将声学方法运用到水体悬浮泥沙浓度测量过程中所涉及的科学问题展开研究,目的在于探求行之有效的悬浮沉积物浓度声学反演方案。利用声学方法测量悬浮沉积物浓度的重点在于声学反向散射原理,发射声波经过目标水域悬浮沉积物颗粒散射作用后,其散射回波信号便与散射体颗粒的物理特征信息密切相关,通过对散射回波特性和散射过程进行探究便能够获取悬浮沉积物物理参数如浓度和颗粒粒径信息。因此论文基于声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiler,简称ADCP）构建了一种自上向下测量的声学反向散射模型,将仿真的发射信号和实际测量环境代入到该模型模拟声波在水中传播所产生的能量变化和相位变化,并从频域完成散射回波信号的重构。其中能量变化根据主动声呐方程描述,主要探讨声波衰减特性（海水及散射体的吸收衰减和声波的几何衰减）和声波散射特性（散射体的散射作用）;相位变化根据统计特性分析采用均匀分布。最后通过对模拟回波信号和实测回波信号的统计特性分析对比验证了声学反向散射模型的正确性。论文对利用声学反向散射技术反演悬浮沉积物浓度和粒径的理论基础做了详细推导,并梳理了单频浓度反演的算法流程,在此基础上分别发展了双频浓度反演和多频浓度反演算法（能量比算法、差值算法和K近邻算法）,并重点探究当悬浮沉积物浓度处于较高水平时由其产生的散射衰减项对各种反演算法性能的影响。使用声学反向散射模型重构的200、300、500k Hz散射回波信号进行反演算法的仿真,结果表明双频反演能够有效的解决单频反演中迭代不稳定的问题,多频反演能够实现粒径和浓度信息的同时反演。论文使用多台不同频率的ADCP在舟山海域进行了多次相关海上试验,数据处理结果显示由单频、双频和多频反演算法估计出的悬浮沉积物浓度剖面信息与实际测量环境大体相符,证实了论文提出的悬浮沉积物浓度声学反演算法的可行性。