基于干涉相位自洽性的薄层沉积物声速反演与LFM层位漂移判别方法

《Journal of Marine Science and Engineering》：Sound-Speed Inversion and LFM Layer-Drift Discrimination in Thin Sediments Based on Interference-Phase Self-Consistency

　　

宽带线性调频（LFM）浅地层剖面的脉冲压缩受相干旁瓣耦合影响，导致薄层沉积物中出现峰值位置偏移（层位漂移）和伪层。对于低阻抗软泥上层，界面回波还会发生π相位反转，从而扭曲基于包络的解释。研究人员提出了一种基于干涉相位自一致性的薄层沉积物声速反演与LFM层位漂移判别方法。利用自主研发的高频浅地层剖面声纳（HF-SSBP；中心频率110 kHz，带宽30 kHz），在95至125 kHz范围内以1 kHz间隔进行步进频率测量，提取了上、下界面回波重叠区域的干涉振幅。振荡周期和峰-谷相位编码了层厚和声速信息，且与LFM包络不同，不受脉冲压缩旁瓣的影响。在厚度由几何测量约束的条件下，以LFM声速作为反演的初始参考，并通过半波长相位误差准则诊断LFM层位漂移。对软泥-砂双层结构的水池测试显示，样品2的结果一致性良好（干涉法1167 m/s；LFM法1152 m/s），证实了双层结构的解释；而样品3的结果为1281.69 m/s（LFM法）对比1098 m/s（干涉法），揭示了显著的LFM漂移。必须显式建模π相位反转，峰-谷反演可直接指示低阻抗区域。该方法能够实现薄层沉积物的精确声速反演和稳健的LFM层位漂移诊断。

一、研究背景与问题

海洋及近岸水环境中，表层沉积物是物质循环和工程活动最活跃的边界层之一，其层状结构直接影响海底地质演化与工程环境特性。高分辨率表征沉积层理已成为浅层沉积物声学的重要目标。非接触式声纳传感可连续获取声学信息而不扰动沉积体，兼具无损检测和高垂直分辨率的优势。浅地层剖面仪因其高垂直分辨率和连续刻画地层界面的能力被广泛用于研究浅层沉积结构，然而测量精度受到的关注相对有限，制约了其在精细结构表征中的应用。

准确表征层状沉积物最终依赖于沉积物物理性质的可信反演，其中声速是最基础参数之一，其不确定性直接影响层位识别的可靠性。浅层沉积物声速常用走时法测量，但走时反演受层厚与声速之间的强物理耦合限制，两者通常无法独立确定。多种声速与地声反演方法已被开发，但其性能仍受限于所采用信号体制的分辨率与信噪比。

宽带线性调频（LFM）信号结合脉冲压缩技术可实现高垂直分辨率，但脉冲压缩本质上是不同界面反射在时域的相干叠加。当下层界面回波较弱且其主瓣靠近上层强回波旁瓣时，旁瓣会扭曲弱主瓣，导致视峰值位置偏移（层位漂移）或产生虚假峰值（伪层）。尽管已有多种抑制旁瓣泄漏的策略，但旁瓣泄漏持续削弱LFM包络峰值作为真实界面位置指示器的稳健性，限制了定量沉积物解释。这一问题在厘米至分米尺度的薄层中尤为突出。

另一复杂情况出现在表层为含微气泡的高孔隙度软泥或流泥时，其声速和声阻抗可能低于上覆水体，形成低声阻抗（反向极性）区。此类界面反射系数为负，回波发生π相位反转。大多数现有处理方法默认正极性假设，若忽略相位反转，基于包络峰值或干涉相位的层位识别和声速反演将产生显著系统误差。

二、研究内容与结论

为克服上述局限，本研究在保留现有硬件的基础上扩展了信号模态。研究人员利用自主研发的高频浅地层剖面声纳（HF-SSBP），通过波形设计增加了步进频率模式，在不改变声学硬件的条件下灵活修改发射波形。具体而言，研究人员结合步进频率干涉振幅与LFM测量进行层位识别和声速反演。频率域干涉响应的振荡周期和峰-谷相位分别对层厚和声速敏感，用于诊断LFM脉冲压缩产生的层位漂移和伪层；同时，对上界面回波的π相位反转进行显式校正，实现了上层声速的高精度反演。水池实验和数值模拟使用软泥-砂双层样品验证了该方法。

研究得出的主要结论包括：（1）LFM脉冲压缩因相干旁瓣叠加在识别薄双层结构时可能出现系统性误差，这些误差不能单纯通过提高信噪比消除，层厚仅约4.6毫米的差异即可使LFM峰值解释从基本正确变为严重漂移；（2）步进频率干涉振幅方法不受LFM旁瓣耦合影响，在层厚独立已知时可准确反演上层声速；（3）当上层声阻抗低于水体时，反射回波发生π相位反转，必须显式纳入干涉反演模型，由此导致的干涉响应峰-谷反演本身即为识别低声阻抗区的直接判据。

三、关键技术方法

研究人员采用的主要关键技术方法包括：①高频浅地层剖面声纳（HF-SSBP）系统，发射中心频率110 kHz、带宽30 kHz的LFM信号，具备相干接收与高保真幅相特性；②步进频率测量模式，在95-125 kHz范围内以1 kHz间隔发射单频信号，提取上、下层回波重叠区域的稳态干涉振幅；③基于Pearson相关系数的优化声速反演，以LFM声速为初始参考，在候选声速范围内仿真干涉振幅并与实测值计算相关性，取相关系数最大者为最优估计；④半波长相位误差准则，以Δc = c_{s_LFM} / (4f_cD₀)作为判定LFM层位漂移的阈值标准。实验样品为人工制备的软泥-砂双层沉积物样品（样品2和样品3），放置于实验室消声水池中进行测量。

四、研究结果

4.1 LFM层位漂移与伪层仿真

通过两种代表性的回波振幅比和层间距组合进行仿真，结果表明对于特定的层间距、振幅比和声速组合，旁瓣与主瓣的相干叠加可产生层位漂移或伪层。由于耦合关系复杂，仅凭LFM脉冲压缩包络不足以可靠诊断，这促使研究人员引入干涉相位信息。

4.2 样品2的双层结构交叉验证与声速估计

4.2.1 LFM测量：对样品2进行LFM测量，脉冲压缩后得到两个可区分的局部极大值，对应两个沉积界面。峰值间延迟Δt = 150 μs，结合实测泥层厚度D₀ = 86.4 mm，得上层声速c_{S_LFM} = 1152 m/s。

4.2.2 步进频率干涉测量：对样品2进行95-125 kHz步进频率测量，提取干涉振幅曲线。比较实测与仿真的干涉相位发现，加入π相位反转后，Pearson相关系数由负变正（从-0.1467变为0.1046），表明上层为低声阻抗介质，需考虑相位反转。

4.2.3 最优声速反演：以LFM声速为中心进行最优声速搜索，获得c_{S_SS} = 1167 m/s。独立突发脉冲测量给出c_{S_pulse} = 1163.5 m/s。三种方法结果一致，LFM与干涉法差值约15 m/s，小于半波长相位误差对应的约35 m/s，表明样品2的LFM解释物理一致。

4.3 样品3的LFM层位漂移与判别

4.3.1 LFM测量：样品3的脉冲压缩结果呈现明显的双峰特征，看似三层结构，但实际仅为泥上砂下双层。若将左侧两峰视为上下界面，得Δt = 142 μs，c_{S_LFM} = 1281.69 m/s。

4.3.2 步进频率干涉与声速反演：以LFM声速为参考的仿真与实测干涉振幅明显不符，实测曲线约5.5个振荡周期，而仿真仅约4.7个周期，表明LFM声速存在显著偏差。

4.3.3 层位漂移与伪层诊断：最优声速搜索得到无相位反转和有相位反转时的最优解分别为1070 m/s和1098 m/s，后者相关系数更高（0.876）。全31个频率的波形对比显示，1098 m/s含π反转的仿真与实测高度相似。突发脉冲测量因下层回波太弱未能获得稳定结果，这与层位漂移的诊断一致。LFM声速与干涉法最优声速相差约184 m/s，远超半波长相位误差，确认样品3的LFM解释存在显著层位漂移。

五、讨论与结论

讨论部分指出，LFM脉冲压缩回波可视为两个Sa(·)型分量的时域相干叠加，当弱层主瓣靠近强层旁瓣时即产生漂移或伪层，这种偏差是系统性相干偏置而非随机噪声。重要的是，峰值是否偏移并非简单地取决于层间距是否小于时间分辨率δ_t=1/B=33.3 μs，本研究中两样品的回波延迟差均远大于δ_t，但仍出现显著峰值偏移，因此仅靠提高信噪比无法消除此类误差，必须引入相位敏感观测量。步进频率干涉振幅方法提取的是两个单频信号相干叠加后的稳态振幅，不涉及LFM脉冲压缩的旁瓣耦合，因此原则上不受层位漂移和伪层干扰。低阻抗判别方面，π相位反转会改变干涉项符号，若不纳入模型则最优解会产生定向系统偏差，峰-谷反演本身即为低阻抗介质的直接证据。方法的适用性方面，该方法主要针对浅层薄层沉积物测量，尤其适用于软泥覆砂的薄双层结构，但要求步进频率测量期间收发平台位置保持稳定，且层厚须独立已知。

研究结论部分翻译如下：

本研究解决了以软泥上层覆盖砂为代表的浅层低声阻抗双层沉积物的声学测量问题。利用自主研发的HF-SSBP，提出了基于干涉相位自一致性的声速反演与层位漂移判别框架。主要结论如下：（1）LFM脉冲压缩因相干旁瓣叠加在识别薄双层结构时可能出现系统性误差，这些误差不能单纯通过提高信噪比消除。层厚仅约4.6 mm的差异即可使LFM峰值解释从基本正确变为严重漂移，声速偏差从约15 m/s增至约184 m/s，表明LFM层位识别工作在一个临界且固有失稳的区间内。所提方法有效诊断了由此产生的层位漂移和伪层。（2）步进频率干涉振幅方法不受LFM旁瓣耦合影响，在层厚独立已知时可准确反演上层声速。对于样品2，LFM法、干涉法和脉冲法获得了一致结果，干涉法与LFM法声速的自一致性因此提供了诊断层位漂移的客观准则。（3）当上层声阻抗低于水体时，反射回波发生π相位反转，必须显式纳入干涉反演模型。由此导致的干涉响应峰-谷反演本身即为识别低声阻抗区的直接判据。总体而言，所提方法将测量维度从单一LFM波形扩展为多频联合观测，为诊断LFM层位漂移和反演薄层低声阻抗沉积物声速提供了一条新的定量途径。