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水面舰船辐射的低频噪声和潮汐等海洋动力学过程都能在浅海海底表面激发起海底界面波。其中舰船激发的界面波场在海上航运状态监测、水中目标探测等领域都有重要的应用前景。传统海底地震波拾取的主要是用于天然海底地震监测和人工海底地震勘探，海底地震波的拾取也主要是考虑强震信号或地层反射波的有效接收。与天然地震和人工地震勘探激发的海底地震波相比，海底界面波信号非常微弱，易受海洋环境噪声的干扰。本文针对海底界面波的信号特点，深入研究了OBS(Ocean bottom seismometer)与海底介质的耦合特性，以及水中噪声给OBS拾取结果的影响。提出了海底OBS优化设计方案，有效降低了海洋环境噪声对微弱界面波信号拾取的影响。基于微弱界面波信号的陆上激光干涉拾取方法，提出参考信号频率、相位修正方法，避免了干涉仪拾取界面波时出现的频率失真、信噪比差现象。并利用研制的新型海底OBS进行了浅海海底界面波信号远程传播的海上实验研究，并利用岸上的海底界面波对海底地声参数进行了反演。论文研究内容主要包括以下三个方面:
1.基于OBS的浅海海底界面波拾取方法研究
工作在海底表面的OBS既要与海底耦合，感知微弱的海底界面波，又要避免海洋环境噪声给OBS拾取结果带来的影响。为了提高OBS与海底介质的耦合效果，本文建立OBS与海底介质耦合模型，计算不同类型的OBS与海底介质的耦合响应，找出影响OBS与海底介质耦合效果的参数。为了减小海洋环境噪声给OBS拾取结果带来的影响，基于赫姆霍次积分方法建立了水中声波作用下海底OBS振动响应理论模型，据此开发了可用于COMSOL有限元软件平台的计算模块，实现了OBS在水中声波作用下振速响应的快速计算。该模型考虑了界面对散射声场的影响，解决了海底界面附近OBS对水中声波作用振动响应的求解问题，模型具有清晰的物理概念，可计算复杂结构和外形的OBS对水中声波的振动响应。计算分析了多种类型OBS的振动响应，找出了不同结构、外形和参数的OBS对水中声波振动响应的规律、总结了可降低水中噪声影响、提高微弱界面波拾取能力的OBS优化设计原则。内部采用双舱式设计、外壳采用金属-尼龙双层外壳、密度与海底介质一致、且具有密度正梯度的半球形OBS不仅能够获得良好的耦合效果，更好的拾取微弱的海底界面波，还能减小水中噪声带来的影响。根据OBS优化设计原则，给出了OBS优化设计实例，制作OBS样机。通过海上实验，证明了OBS可以准确有效的记录到水中低频声源和舰船低频辐射噪声激发的海底界面波。
2.海底界面波陆地激光干涉拾取方法研究
为克服激光干涉PGC解调中，参考信号频率和相位偏差对解调性能的影响，提出了全数字参考信号频率、相位修正方法。该方法只需在解调程序进行过程中对干涉仪输出的光强信号进行处理，即可得到调制载波的频率与相位信息，并据此对参考信号的频率和相位进行实时修正。参考信号修正方法的测试结果表明该方法可以在不增加硬件设备的基础上修正参考信号的频率、相位，其频率修正精度达到10-6Hz，相位修正精度达到10-4(°)。该方法不仅解决了传统PGC解调结果出现的频率失真和信噪比损失问题，还摒弃了传统锁相环提取参考信号的复杂电路，减少了外围硬件设备的数量，降低了电子设备热辐射效应对微弱信号干涉测量的影响。实验室测试和外场实验都证明了该方法的有效性，算法解调出的海底界面波消除了调制引入的频率失真，提高了解调信号的信噪比。
3.浅海海底界面波信号远程传播海上实验与海底地声参数反演研究
该方法通过对陆上接收水中声源激发海底界面波脉冲信号的时频处理和分析，获取海底界面波群速度曲线，并在构造基于界面波群速度的地声反演代价函数基础上，建立了贝叶斯海底地声参数反演算法。陆上接收的海底界面波信号主要来自于海底界面波，包含丰富的浅表层海底地层结构和地声参数信息，尤其适合于近岸海底地声参数反演。本文提出的地声反演方法的接收设备布设在近岸的陆地上，不需要在水下布设声信号接收设备，不仅可以提高接收信号信噪比、准确有效地反演海底地声参数，也显著降低了海上测量实验的难度，为海底地声参数反演提供了新思路，扩大了地声参数反演的应用范围。
此外在实验中还发现了海底界面波在楔角处的散射现象。位于不同地点的两个OBS在记录到爆炸声激发的海底界面波之后，又都记录到了一串能量微弱的界面波脉冲。针对这一现象，本文首先对OBS接收信号时域波形进行分析，结果表明界面波脉冲信号传播方向与海底界面波传播方向相反，界面波脉冲激发源位于海岸线楔角附近。然后利用谱元法建立了浅海海底界面波传播模型，模型计算得到的时域波形与OBS记录到的时域波形相似，证明了界面波脉冲存在。最后通过分析模型中不同时刻能量分布，证明了实验数据中的界面波脉冲是海底界面波在楔角处激发的楔角散射回波。
本文的研究内容为浅海海底界面波拾取和应用提供了重要帮助。
1.基于OBS的浅海海底界面波拾取方法研究
工作在海底表面的OBS既要与海底耦合，感知微弱的海底界面波，又要避免海洋环境噪声给OBS拾取结果带来的影响。为了提高OBS与海底介质的耦合效果，本文建立OBS与海底介质耦合模型，计算不同类型的OBS与海底介质的耦合响应，找出影响OBS与海底介质耦合效果的参数。为了减小海洋环境噪声给OBS拾取结果带来的影响，基于赫姆霍次积分方法建立了水中声波作用下海底OBS振动响应理论模型，据此开发了可用于COMSOL有限元软件平台的计算模块，实现了OBS在水中声波作用下振速响应的快速计算。该模型考虑了界面对散射声场的影响，解决了海底界面附近OBS对水中声波作用振动响应的求解问题，模型具有清晰的物理概念，可计算复杂结构和外形的OBS对水中声波的振动响应。计算分析了多种类型OBS的振动响应，找出了不同结构、外形和参数的OBS对水中声波振动响应的规律、总结了可降低水中噪声影响、提高微弱界面波拾取能力的OBS优化设计原则。内部采用双舱式设计、外壳采用金属-尼龙双层外壳、密度与海底介质一致、且具有密度正梯度的半球形OBS不仅能够获得良好的耦合效果，更好的拾取微弱的海底界面波，还能减小水中噪声带来的影响。根据OBS优化设计原则，给出了OBS优化设计实例，制作OBS样机。通过海上实验，证明了OBS可以准确有效的记录到水中低频声源和舰船低频辐射噪声激发的海底界面波。
2.海底界面波陆地激光干涉拾取方法研究
为克服激光干涉PGC解调中，参考信号频率和相位偏差对解调性能的影响，提出了全数字参考信号频率、相位修正方法。该方法只需在解调程序进行过程中对干涉仪输出的光强信号进行处理，即可得到调制载波的频率与相位信息，并据此对参考信号的频率和相位进行实时修正。参考信号修正方法的测试结果表明该方法可以在不增加硬件设备的基础上修正参考信号的频率、相位，其频率修正精度达到10-6Hz，相位修正精度达到10-4(°)。该方法不仅解决了传统PGC解调结果出现的频率失真和信噪比损失问题，还摒弃了传统锁相环提取参考信号的复杂电路，减少了外围硬件设备的数量，降低了电子设备热辐射效应对微弱信号干涉测量的影响。实验室测试和外场实验都证明了该方法的有效性，算法解调出的海底界面波消除了调制引入的频率失真，提高了解调信号的信噪比。
3.浅海海底界面波信号远程传播海上实验与海底地声参数反演研究
该方法通过对陆上接收水中声源激发海底界面波脉冲信号的时频处理和分析，获取海底界面波群速度曲线，并在构造基于界面波群速度的地声反演代价函数基础上，建立了贝叶斯海底地声参数反演算法。陆上接收的海底界面波信号主要来自于海底界面波，包含丰富的浅表层海底地层结构和地声参数信息，尤其适合于近岸海底地声参数反演。本文提出的地声反演方法的接收设备布设在近岸的陆地上，不需要在水下布设声信号接收设备，不仅可以提高接收信号信噪比、准确有效地反演海底地声参数，也显著降低了海上测量实验的难度，为海底地声参数反演提供了新思路，扩大了地声参数反演的应用范围。
此外在实验中还发现了海底界面波在楔角处的散射现象。位于不同地点的两个OBS在记录到爆炸声激发的海底界面波之后，又都记录到了一串能量微弱的界面波脉冲。针对这一现象，本文首先对OBS接收信号时域波形进行分析，结果表明界面波脉冲信号传播方向与海底界面波传播方向相反，界面波脉冲激发源位于海岸线楔角附近。然后利用谱元法建立了浅海海底界面波传播模型，模型计算得到的时域波形与OBS记录到的时域波形相似，证明了界面波脉冲存在。最后通过分析模型中不同时刻能量分布，证明了实验数据中的界面波脉冲是海底界面波在楔角处激发的楔角散射回波。
本文的研究内容为浅海海底界面波拾取和应用提供了重要帮助。