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钴结壳是附着生长在海底岩石上的壳状物，出现在深海的海山或山坡上。结壳的厚度一般为2～6cm，最大结壳厚度约为10～20cm。富钴结壳含有钴、钛、铈、镍、锆等多种稀有元素，是一种重要的战略资源，受到各国政府和学者的重视。对其物理性质和分布进行研究不仅有利于资源的勘探和开发，对海底声学研究也具有重要的意义。 到目前为止，多种声学探测系统已经成功应用于海底结壳资源的探测和识别方面，但有关结壳厚度测量研究开展较少，而且常规探测系统纵向分辨率较低（约为几十厘米），对于较薄的结壳层（约1～25cm）来说分辨率欠佳。 针对富钴结壳探测问题，本文采用参量阵技术对结壳进行探测，并对粗糙海底散射回波信号的仿真、结壳回波参数估计和结壳上下界面回波到达时间估计等问题进行了一系列研究，主要包括以下几个方面: (1)介绍了非线性声学和参量阵的基础理论，推导了参量阵基阵的指向性函数，对差频波的指向性和基阵的指向性进行仿真，分析了换能器尺寸、声波频率和阵元的排布方式对阵列指向性的影响，为后续回波信号处理研究奠定了基础。 (2)针对富钴结壳表面粗糙的性质，对粗糙海底散射特性进行了研究，分析了不同近似方法、不同底质类型、不同入射频率对海底散射特性的影响，并进行了仿真研究;利用亮点模型，在小斜率近似下流体模型的基础上，考虑海底底质粗糙度、声速、密度和衰减的影响，提出了一种粗糙海底反向散射回波仿真方法，可为粗糙表面富钴结壳回波的仿真提供基础。同时，分析了滤波器对差频回波和原频回波信号的影响，为后续回波参数估计研究做了铺垫。 (3)回波信号中含有目标物理性质，以及传输路径上的各种信息，准确估计回波信号的参数具有重要意义。针对回波信号通过带通滤波器后，波形发生畸变的问题，利用高斯回波模型进行建模;针对高斯模型下常规参数估计方法收敛速度慢、估计结果对初值敏感等问题，对参数估计算法进行了改进，提出了一种基于初值预测的回波参数估计方法。仿真和实验结果表明:该方法不仅可以给出具有理论依据的初始预测值，而且估计误差小，在不同信噪比下都可获得较高的估计精度。结壳上下表面回波到达时间的准确估计，是准确测量厚度的前提。富钴结壳探测系统采用参量阵技术，转换效率低，差频回波的幅度较小，经常受外界噪声和干扰的影响。针对上述问题，采取多脉冲叠加的方法增强了回波信号;针对差频回波中含有较大干扰，回波到达时间难以直接估计的问题，提出了基于包络的双频时延估计方法，实现到达时间的准确获取。 (4)论文叙述了富钴结壳厚度参量阵探测系统的组成，对参量阵探测系统的结构和硬件进行配置，获取了回波信号。在富钴结壳声学特性研究的基础上，提出了用声学性质相似的材料模拟富钴结壳的方案，并对仿品进行了声学性质测量实验;用厚度已知的仿品材料对系统的探测性能和可靠性进行了检测;并对仿品声速测量、厚度检测、海上原位探测的实验结果进行了总结和分析。实验结果表明，算法可以有效地减小干扰和噪声对结果的影响，原理简单，便于实现，厚度测量结果准确可靠。 围绕富钴结壳回波特性课题，本文开展了结壳散射回波建模、回波参数估计、时延估计方面的研究，取得了较好的效果。本文对进一步研究富钴结壳的性质，科学合理地开采富钴结壳，具有一定的实用意义和参考价值。