一种孔隙介质粗糙界面粗糙度反演方法、设备及

本发明属于海洋测量，具体涉及一种孔隙介质粗糙界面粗糙度反演方法、设备及存储介质。背景技术：1、声波在海底界面的传播是海底混响的原因，同时也是海底目标探测的重要手段；在对海床进行探测时，声波在海底界面的反射决定海洋混响及声传播的距离；在对海底进行掩埋探测时，声波在海底界面的透射问题起到关键作用，因此研究海底声波传播问题具有重要意义。2、现有的对粗糙界面粗糙度测量的方法大多基于光波：根据光波干涉原理，使用干涉显微镜对表面粗糙度进行测量；或是利用光线形成的狭窄片状光束与被测表面相交，形成轮廓曲线，通过测量该曲线的有关参数来代表表面粗糙度水平。然而在复杂的水下环境中，光波在传播时散射性较大，且传播距离较短，因此通过光波测量粗糙度的方法不利于测量水下粗糙界面的粗糙度。而超声波具有能量大且密集、在介质中传播时能耗小、方向性强等特性，更适于在水下环境中进行探测工作。3、由于水对海洋底部长期的浸润，其内部含有充满流体的孔隙结构，形成孔隙介质。海底声波传播规律通常是由海水与海底之间的粗糙界面引起的，因此通过研究声波的传播规律，能够反演出流体-孔隙介质周期性粗糙界面的粗糙度。而声波具有抗干扰能力强和稳定性高的优点。因此需要一种能够通过声波测量海水与海底之间粗糙界面粗糙度的方法。技术实现思路1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种孔隙介质粗糙界面粗糙度反演方法、设备及存储介质，解决现有技术中通过光波测量水下粗糙界面的粗糙度时，因光波在水中传播具有散射性较大且传播距离较短的问题，而不适于测量水下粗糙界面的粗糙度。2、本发明提供了如下的技术方案：3、第一方面，提供一种孔隙介质粗糙界面粗糙度反演方法，包括：4、根据实际工况建立流体-孔隙介质周期性粗糙界面的理论模型；5、根据位移与势函数的关系，应力与势函数的关系，计算流体的应力和位移，以及孔隙介质的应力和位移，并根据流体-孔隙介质周期性粗糙界面的声学边界条件，推导出流体-孔隙介质周期性粗糙界面的理论模型下计算反射波和透射波各阶反射系数和透射系数的衍射线性方程组；6、计算衍射线性方程组的解，并提取零阶反射系数，得到频率与零阶反射系数的曲线图；7、分析粗糙度对零阶反射系数峰值的影响；提取不同粗糙度的频率与零阶反射系数的曲线图，获不同粗糙度的频率与零阶反射系数的曲线图的峰值所对应的频率，得到粗糙度和峰值频率的曲线图；8、获得流体-孔隙介质周期性粗糙界面的理论模型反射波的实测数据，测出反射波的频域波形；通过粗糙度和峰值频率的曲线图，以及实测的反射波的频率波形分析反演出粗糙度。9、进一步的是，计算流体的应力和位移，以及孔隙介质的应力和位移的计算方法包括：10、根据入射波在流体-孔隙介质周期性粗糙界面的反射波以及透射波，建立xoz坐标系，坐标原点o设定为反射波的反射点，x轴设定为水平横向，z轴设定为竖直方向；并建立波动方程，波动方程如下：11、12、式中，表示相应波的势函数，vm表示相应波的波速，下标m均表示波的类型：m＝r表示反射纵波，m＝df表示透射快纵波，m＝ds表示透射慢纵波，m＝s表示透射横波，ω表示角频率；13、然后计算透射快纵波波速cdf、透射慢纵波波速cds和透射横波波速cs，cdf、cds和cs表达式如下：14、15、16、17、式中，γ＝p(ρf-ρ12)+r(ρs-ρ12)-2ρ12q，ρs表示孔隙介质固体基质密度，ρf表示孔隙介质流体密度，ρ11表示孔隙介质固体有效密度，ρ22表示孔隙介质液体有效密度，ρ12表示固-液惯性耦合密度：18、19、式中α表示孔隙曲折系数；20、p、q、n和r表示孔隙介质弹性常数，n表示孔隙介质固体骨架的剪切模量；p、q和r由孔隙度β、固体骨架体积模量kb、固体基质体积模量ks和流体体积模量kf表示，表达式如下：21、22、入射波势函数的表达式为其波速为v，式中，i为虚数，kx和kz分别表示入射波在x方向和z方向的波数分量式中，θi表示入射波的入射角，λi表示入射波的波长；23、入射波在周期性粗糙界面将发生衍射，其传播方向由光栅方程确定：24、25、式中，kl表示衍射在x方向上的l阶波数分量；kml表示衍射的相应波在z方向上的l阶波数分量，下标m表示波的类型，λ表示周期性粗糙界面的周期；26、通过衍射波场的rayleigh分解，将每一种波各自各阶(l表示阶数)叠加；因此将反射波和透射波的速度势表示为级数形式，表达式如下：27、28、式中，rl表示l阶的纵波反射系数，dfl表示l阶的快纵波透射系数，dsl表示l阶的慢纵波透射系数，sl表示l阶的横波透射系数；29、此时孔隙介质侧的固相横波势函数固相纵波势函数以及液相纵波势函数和φf分别为：30、31、式中，η1、η2、η3分别表示液相参与系数；32、计算流体和孔隙介质的应力和位移；33、34、式中，和表示流体侧法向应力，表示流体侧切向应力，和分别表示流体侧切向位移和法向位移：35、36、式中，a＝p-2n，和表示孔隙介质侧固相切向和法向位移；和表示孔隙介质侧液相切向和法向位移；σxxs和σzzs表示孔隙介质固相法向位移；σxxf和σzzf表示孔隙介质液相法向位移；σxzs和σxzf表示孔隙介质固相和液相切向位移；37、38、式中，和表示孔隙介质侧法向应力，表示孔隙介质侧切向应力，和分别表示孔隙介质侧切向位移和法向位移。39、进一步的是，流体-孔隙介质周期性粗糙界面的声学边界条件为：40、(1)界面处应力连续，其控制方程如下：41、42、43、(2)界面处介质体积守恒，其控制方程如下：44、45、(3)界面处流体压强守恒，其控制方程如下：46、47、式中，h＝f(x)-z，为拉普拉斯算子，t表示界面处流动阻抗：t＝0表示孔隙介质状态为开孔，t＝∞则表示孔隙介质状态为闭孔。48、进一步的是，将计算出的流体和孔隙介质的应力和位移，带入流体-孔隙介质周期性粗糙界面的声学边界条件中，得到包含纵波反射系数rl、快纵波透射系数dfl、慢纵波透射系数dsl和横波透射系数sl的衍射线性方程组，如下：49、50、51、52、53、上式中f(x)的表达式如下：54、55、式中，h表示粗糙界面高度，λ表示粗糙界面周期。56、进一步的是，计算衍射线性方程组的解，并提取零阶反射系数的方法包括：57、将衍射线性方程组的四个线性方程的等式两边除去公因子公因子中i为虚数，r＝sinθi，π为圆周率，使方程组成为关于x的周期函数；此时四个线性方程如下：58、59、60、61、62、上式中，上标m表示波的类型，t为时间；63、根据界面处介质体积守恒有解的充分条件是方程两边在[0,λ]上的傅立叶系数相等，即对等式两边同乘并在[0,λ]上积分；64、由于l取值范围为[-∞,+∞]，而且单位时间内声波提供的能量有限，仅有有限个傅里叶系数起主导作用；因此对l进行截断，对前2k+1个傅里叶系数进行计算，其中k为整数，-7≤k≤7；求解后得到-7～7阶未知的反射系数和透射系数，然后提取零阶反射系数。65、第二方面，提供一种孔隙介质粗糙界面粗糙度反演设备，其特征在于，所述设备包括存储器、处理器，存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的孔隙介质粗糙界面粗糙度反演程序，伸入流体中用于测量反射波信号的自发自收超声探头装置，以及用于接收反射波的示波器；孔隙介质粗糙界面粗糙度反演程序配置为实现第一方面方法的步骤。66、第三方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第一方面方法的步骤。67、与现有技术相比，本发明的有益效果是：68、通过向流体中发射超声波，研究超声波在流体和孔隙介质间的传播规律，反演出流体-孔隙介质周期性粗糙界面的粗糙度。由于声波具有抗干扰能力强和稳定性高的优点，因此本发明的反演方法能够克服光波在水中传播时，具有散射性较大且传播距离较短的问题。