浅海沉积层中界面波的传播以及掩埋目标的回波

    1 引 言

    地声界面波是沿具有不同切变波速的两种介质的界面传播的导波。这种波通常根据涉及的介质特性的不同而有不同的名称, 当在固体的自由表面上传播时称 Rayleigh 波, 当沿着液-固界面传播时称Scholte波, 而沿固-固界面传播时称 Stoneley 波。在海水沉积层界面的情况下, 相应的波型是具有以下特性的 Scholte 波[1]: 波沿着海底表面传播, 离开界面时幅度按指数规律衰减( 波在两种介质中都是渐消的); 质点在深度-距离平面内作椭圆运动; 没有低频截止频率; 传播速度和衰减与沉积层的切变波特性有密切关系。

    二十世纪九十年代早期, 美国德州大学的应用研究实验室就开始了用于探测掩埋雷的界面波声纳系统概念研究[2]。该研究使用机电换能器驱动带有长钉的矩形板作为震源产生界面波。接收阵列由三个三轴地震检波器组成, 目标是一个掩埋在海滩上的圆柱状钛罐。文献中对发射源的性质, 界面波群速度的确定, 信号处理方法以及传播信道的稳定性和混响场的处理都做了一定程度的研究, 为后来的研究作出了开创性的工作。James 和 Muir[3]通过试验明界面波由于其能量集中, 对传播媒质反映敏感以及在地表处激发等特点, 对于应用地震波做回声定位是有特殊优势的, 可用于探测掩埋于松软的沉积层地区的目标。并且应用合成波束形成技术来修正这种波常有的散射特性。在应用中, 经常会遇到掩埋目标与激发出来的界面波波长相比较小, 能量在目标处发生散射。E.Smith[4]采用摄动法根据目标的材料特性和媒质的属性用数学公式预报目标的散射强度。美国海军研究生院的 Thomas G. Muir所带领的研究团队在应用地声界面波探测掩埋目标的领域中取得了显著的成果。后续的研究多根据文献[1] 中所介绍的原理, 在震源的激发形式, 接收阵列的布置和信号处理方面做了具体的研究。Patrick W. Hall[5]测量了界面波声纳系统的目标强度, 研究发现目标强度随着质量的增加而增大, 当质量达到一定值的时候, 目标强度变化趋于平缓。2000 年 Christoph 和 Waymond[6]采用有限差分模型研究了地震波对掩埋物体的交互作用。

    本文根据地声界面波相关理论, 采用时域有限差分法建立浅海沉积层中界面波传播模型。以不同掩埋目标为例, 通过理论和数值方法研究了地声界面波在海底沉积层中传播特性以及对不同掩埋目标的散射情况。利用界面波传播能量集中, 传播介质质点振动具有偏振特性等特点, 文章试图建立一种对浅海沉积层中掩埋小尺度目标的探测新方法。通过一些典型模型的分析, 从理论角度证明地声界面波对目标探测的可行性, 在海底探测方法方面做出了一定的探索。