海洋聲學(xué)層析研究現(xiàn)狀與展望

趙航芳，汪非易 ，朱小華，徐 文

（1.浙江大學(xué) 信息與電子工程學(xué)系，浙江 杭州 310027；2.國(guó)家海洋局第二海洋研究所 衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；3.浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 杭州 310027）

海洋聲學(xué)層析研究現(xiàn)狀與展望

趙航芳1，汪非易1，朱小華2,3，徐 文1

（1.浙江大學(xué) 信息與電子工程學(xué)系，浙江 杭州 310027；2.國(guó)家海洋局第二海洋研究所 衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；3.浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 杭州 310027）

海洋聲層析是1979年美國(guó)科學(xué)家W.Munk等人提出的，通過測(cè)量傳播時(shí)間等聲傳播信號(hào)有關(guān)參量反演聲波所穿越的海洋特征，得到大面積海域中的海洋動(dòng)力學(xué)狀態(tài)及其變化的估計(jì)。聲層析方法自提出以來受到各國(guó)的重視。在最初的20 a間，以全球測(cè)溫計(jì)劃（ATOC）為代表的一系列驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)推動(dòng)了聲層析的理論研究、設(shè)備研制和應(yīng)用。步入21世紀(jì)后，聲層析與海洋動(dòng)力學(xué)的數(shù)據(jù)同化、利用滑翔機(jī)等設(shè)備的移動(dòng)聲層析以及沿海聲層析得到重視，并進(jìn)行了相關(guān)的理論與實(shí)驗(yàn)研究。納入成像旗下的聲層析希爾伯特方法、有效低功耗的分布式傳感網(wǎng)絡(luò)聲層析，以及被動(dòng)聲層析，或?qū)⒊蔀槁晫游鑫磥硌芯康闹匾较颉?/p>

聲層析；成像；分布式網(wǎng)絡(luò)；被動(dòng)聲層析

層析一詞來自希臘文，Tomo指的是“切片”、“分層”的意思，奠定層析基礎(chǔ)的中心定理是投影—切片定理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)物體或一種現(xiàn)象與過程進(jìn)行分層成像。層析可追溯到1917年，奧地利數(shù)學(xué)家Radon指出，一個(gè)空間函數(shù)可從它的投影的完備集合重構(gòu)，是一個(gè)典型的成像問題。醫(yī)學(xué)計(jì)算機(jī)輔助層析（CT）利用X－射線源和接收器陣同步旋轉(zhuǎn)，測(cè)量人體對(duì)沿著大量平行路徑（高過105）的射線的吸收性以判斷病灶。如果將X－射線改換為生物醫(yī)學(xué)超聲，例如診斷超聲中B式掃瞄兩維成象（B－超），也可作類似的層析。原則上，水聲物理與生物醫(yī)學(xué)超聲物理有許多共同之處（例如散射、飽和與空化）。正是受此啟發(fā)，美國(guó)Scripps海洋研究所的Munk和麻省理工學(xué)院地球、大氣和行星科學(xué)系的Wunsch于1979年提出海洋聲層析[1-2]，通過分析在多對(duì)發(fā)射與接收系統(tǒng)之間傳播的編碼信號(hào)研究海洋特性。然而，相對(duì)于CT高達(dá)105個(gè)平行路徑的投影測(cè)量，海洋聲層析的觀察網(wǎng)格要稀疏得多，通常只能達(dá)數(shù)十或數(shù)百個(gè)路徑，造成未知量遠(yuǎn)多于方程數(shù)，屬于欠定逆問題求解的范疇。海洋聲學(xué)家經(jīng)過多年的努力，聲層析無論在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、設(shè)備研制、反演方法和應(yīng)用上都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，在世界各個(gè)海域已進(jìn)行了20多次的大型海上實(shí)驗(yàn)。

本文按聲層析的發(fā)展歷程對(duì)其進(jìn)行綜述。第一節(jié)總結(jié)了聲層析的歷史，包括基本理論和早期的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)概述了近年間取得的進(jìn)步；第二節(jié)分析了聲層析的未來發(fā)展趨勢(shì)和研究方向；第三節(jié)對(duì)本文的內(nèi)容作簡(jiǎn)要的總結(jié)。

1 聲層析歷史

為了彌補(bǔ)經(jīng)典物理海洋學(xué)與衛(wèi)星遙感在測(cè)量海洋內(nèi)部中、亞中尺度動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的局限性，利用海洋動(dòng)力學(xué)過程對(duì)聲傳播特性的影響，在1970年引入海洋聲監(jiān)測(cè)方法，用于海洋內(nèi)波、中尺度渦、潮流、羅斯貝波和海流等現(xiàn)象的觀測(cè)。

1.1 聲層析開端（1976-1980年）

在1976年美國(guó)ONR成立30周年紀(jì)念會(huì)議上，Munk首次報(bào)告了利用相距25 km兩點(diǎn)間互易傳播時(shí)間進(jìn)行深海和淺海的溫度與海流測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。發(fā)射-接收兩點(diǎn)間聲信號(hào)互易傳播時(shí)間的平均值，反映兩點(diǎn)間海域的平均聲速，進(jìn)而反映了平均溫度。兩點(diǎn)之間聲信號(hào)互易傳播的時(shí)間差反映了兩點(diǎn)連線方向上海水的流速。將多對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合與拼接，可以得出被測(cè)海域的溫度場(chǎng)和流速場(chǎng)。1977年在ONR官員Bezdeck倡導(dǎo)下，成立了聲層析小組：Scripps的Munk與Worcester任負(fù)責(zé)人，Woods Hole的Spindel與Porter負(fù)責(zé)水聲設(shè)備（包括設(shè)備的深海錨錠、精確的位置保持等），Webb負(fù)責(zé)制造可用于SOFAR信道布放的聲源，Michigan大學(xué)的Birdsall和Metzger負(fù)責(zé)信號(hào)處理，MIT的Wunsch首次將反演理論應(yīng)用于海洋觀測(cè)。自此開啟了聲層析小組長(zhǎng)達(dá)25 a的合作研究。首次實(shí)驗(yàn)在1978年秋進(jìn)行，利用海軍聲警戒系統(tǒng)（SOSUS）布放在海底的陣，完成了百慕大以西900 km距離的聲傳播測(cè)試，結(jié)果表明在兩個(gè)月的時(shí)間間隔內(nèi)，在發(fā)收路徑上提供了13條可穩(wěn)定分辨、辨識(shí)與跟蹤的聲線。1979年，Munk與Wunsch在對(duì)實(shí)驗(yàn)的總結(jié)中首次給出了利用聲反演海洋盆地中尺度起伏的可行性，并類比醫(yī)學(xué)成像提出了Ocean Acoustic Tomography（OAT）這一術(shù)語[2]。

聲信號(hào)在一條特征聲線上的傳播時(shí)延可以表示為[1]：

式中:i代表不同的聲線。第i條聲線的傳播時(shí)延等于聲線經(jīng)過的路徑長(zhǎng)度除以路徑上的聲速，即慢度S（聲速的倒數(shù)）在傳播路徑Гi上的積分。

假定聲速擾動(dòng)較小，實(shí)測(cè)時(shí)延與先驗(yàn)傳播時(shí)延之差Δτi可近似為慢度之差ΔS(z)在原聲線路徑Гi(-)上的積分。

式中：δτi為由測(cè)量、模型等引起的誤差。對(duì)每條聲線都可得到相似的積分方程，那么估計(jì)聲速的問題等價(jià)于ΔS(z)的求解問題。如果對(duì)海洋進(jìn)行垂直維深度分層，層數(shù)N，每層設(shè)一個(gè)ΔSj表示這一層的慢度差，方程可等價(jià)于：

式中：M為聲線數(shù)目；Ei,j為第i條聲線在第j層走過的距離。將方程組寫成矩陣的形式，有：

式中：y=[Δτ1,…，ΔτM]T；x=[ΔS1,…，ΔSN]T；n 為噪聲向量。由y求解x，是典型的逆問題?？梢圆捎米钚《斯烙?jì)方法解得慢度x＾=(ETE)-1ETy，再由慢度獲得聲速進(jìn)而溫度估計(jì)。由于海洋聲層析收－發(fā)數(shù)據(jù)對(duì)少，數(shù)據(jù)密度稀疏，通常未知量多于方程數(shù)，N＞＞M，因此面臨著固有解的唯一性與穩(wěn)定性問題。其后海洋聲學(xué)家利用作正問題研究的海洋聲學(xué)所提供的先驗(yàn)信息，發(fā)掘數(shù)據(jù)對(duì)之間的約束關(guān)系（規(guī)則化），以獲得式(5)穩(wěn)定與迭代收斂解。

1.2 聲層析實(shí)驗(yàn)（1981-2000年）

從1981年開始的20 a間以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為主[1-3]。1981年進(jìn)行了300 km×300 km范圍OAT驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了中尺度聲速場(chǎng)、灣流跟蹤。1983年在大西洋300 km距離進(jìn)行了RTE83實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行互易聲傳播時(shí)間測(cè)流的層析驗(yàn)證。1983年佛羅里達(dá)海峽實(shí)驗(yàn)，在20 km和45 km距離進(jìn)行三角形布放，進(jìn)行區(qū)域平均渦度測(cè)量和海流的監(jiān)測(cè)。1983-1989年北太平洋盆地，進(jìn)行了系列長(zhǎng)距離、低頻寬帶聲學(xué)傳播實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了4 000 km距離上聲到達(dá)結(jié)構(gòu)的互易特征。1984年弗拉姆海峽，在53 km和161 km的布放距離上驗(yàn)證利用邊際冰帶和表面波層析的可行性。1984年墨西哥灣流實(shí)驗(yàn)，布陣距離19～51 km，驗(yàn)證基于海底設(shè)備利用海面和海底反射聲線路徑層析的可行性。1987年北太平洋RTE87實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行750km,1 000 km,1 275 km距離熱容量、正壓流場(chǎng)、渦度場(chǎng)和潮流的測(cè)量。1988-1989年進(jìn)行了格陵蘭海實(shí)驗(yàn)，以200 km間距五角形布陣，進(jìn)行溫度、熱容量、正壓流場(chǎng)和潮流的測(cè)量，以及移動(dòng)船層析可行性；這兩年還進(jìn)行了墨西哥灣流實(shí)驗(yàn)，仍采用200 km五角形布陣，進(jìn)行正壓、斜壓流場(chǎng)、中尺度渦等測(cè)量。1988年在蒙特雷峽谷進(jìn)行了54 km距離上表面波層析的驗(yàn)證。1989年進(jìn)行SLICE89實(shí)驗(yàn)，利用3000m長(zhǎng)垂直接收陣測(cè)試1 000 km切面的水平采樣特性、內(nèi)波散射特性。1990年進(jìn)行ATE90實(shí)驗(yàn)，利用聲層析與數(shù)值海洋模型作1 000～2 000 km范圍海洋現(xiàn)報(bào)與預(yù)報(bào)的驗(yàn)證,進(jìn)行了GASTOM實(shí)驗(yàn)，布設(shè)300 km邊長(zhǎng)五角形陣，研究海洋中尺度現(xiàn)象變化性。1991-1992年進(jìn)行了AMODE實(shí)驗(yàn)，測(cè)試西北大西洋350～670 km范圍渦旋流和熱傳送、層析數(shù)據(jù)與數(shù)值模型的同化、移動(dòng)船層析。1992年巴倫支海35 km范圍，利用混合射線-簡(jiǎn)正模方法在淺海開展對(duì)Polar峰的動(dòng)力學(xué)研究。1993年ATE-93聲層析在阿拉伯海進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試。1994年北冰洋聲傳播（TAP）實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行利用聲信號(hào)監(jiān)測(cè)北冰洋溫度變化和海冰變化的可行性研究。1996年直布羅陀海峽實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了聲層析用于海峽流量和熱量輸運(yùn)測(cè)量的可行性實(shí)驗(yàn)。1996年拉布拉多海實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了對(duì)流。1998年進(jìn)行ACOUS實(shí)驗(yàn)，對(duì)北極氣候進(jìn)行觀測(cè)。

聲層析最著名的應(yīng)用之一是全球測(cè)溫計(jì)劃（ATOC）[4]。Munk等提出了用聲學(xué)方法來監(jiān)測(cè)全球變暖的設(shè)想，利用聲傳播速度隨溫度變化的規(guī)律，在大洋中測(cè)量聲波超遠(yuǎn)距離傳播的時(shí)間變化，得到傳播途徑上聲速/溫度變化的平均值。為了檢驗(yàn)該方法的可行性，1991年開展了HIFT-I可行性實(shí)驗(yàn)，1994年繼續(xù)HIFT-II實(shí)驗(yàn)，1995年啟動(dòng)了著名的ATOC實(shí)驗(yàn)。1991年采用57 Hz大功率聲源，布放于水下175 m，聲源級(jí)達(dá)220 dB；1995年采用75 Hz聲源，布放于水下1 000 m，聲源級(jí)195 dB。聲源從南印度洋的赫德島位置發(fā)射，于深水聲道中傳播后，在阿留申島、百慕大、開普敦、圣誕島、果阿、克雷洛夫海底山上、南極毛森站、美國(guó)東西海岸、新西蘭、日本、澳大利亞等處接收。實(shí)驗(yàn)證明經(jīng)過1.8×104km的傳播，聲信號(hào)仍有足夠大的信噪比，并能被壓縮，時(shí)間分辨力可達(dá)10～50 ms，可實(shí)現(xiàn)大范圍、高準(zhǔn)確度監(jiān)測(cè)水溫變化（精度0.01℃），用于判斷全球氣候是否變暖以及變化速率。

20 a聲層析實(shí)驗(yàn)中，在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的布設(shè)上，側(cè)重于數(shù)百到數(shù)千千米的距離上布設(shè)多個(gè)固定錨系聲發(fā)射-接收站，一般布放在待測(cè)量區(qū)域外圍，有三角形、長(zhǎng)方形及五角形等布放方式。固定錨錠節(jié)點(diǎn)采用發(fā)-收合置形式，為實(shí)現(xiàn)深海長(zhǎng)距離測(cè)量，換能器通常發(fā)射低頻信號(hào)，頻率在400 Hz以下，聲源級(jí)在190 dB以上，最大達(dá)到220 dB左右。為了能在1 000 m左右的聲道軸布設(shè)，發(fā)射換能器需要采用壓力補(bǔ)償措施。接收陣通常采用垂直陣，由數(shù)個(gè)或數(shù)十個(gè)不等間距布放的水聽器構(gòu)成，布放在發(fā)射換能器的上方或下方。固定節(jié)點(diǎn)在深海錨錠的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)月與數(shù)年，節(jié)點(diǎn)的定位精度也達(dá)到了幾十米以內(nèi)的量級(jí)。

在信號(hào)處理方法上，Wunsch的博士生Cornuelle利用隨機(jī)過程的演化特性，發(fā)展了Gauss-Markov聲層析估計(jì)理論，獲得的中尺度等高線圖，與CTD測(cè)量結(jié)果相吻合。經(jīng)過近20 a的發(fā)展，基于不同的聲參量，海洋聲層析的方法主要有：聲線傳播時(shí)間層析、簡(jiǎn)正波傳播時(shí)間層析、峰值匹配層析、簡(jiǎn)正波相位層析、簡(jiǎn)正波水平折射層析和匹配場(chǎng)層析等。

1.3 21世紀(jì)聲層析（2001至今）

理論研究的進(jìn)步推動(dòng)著聲層析的應(yīng)用更富多元化。將海洋聲層析與海洋動(dòng)力學(xué)同化實(shí)現(xiàn)區(qū)域動(dòng)力環(huán)境-聲場(chǎng)同步觀測(cè)，從固定節(jié)點(diǎn)層析到移動(dòng)平臺(tái)層析，發(fā)展沿海聲層析進(jìn)行流速反演，聲層析近年來繼續(xù)向前發(fā)展。

1.3.1 海洋聲層析與海洋動(dòng)力學(xué)同化 海洋物理過程與聲傳播特性有著緊密的聯(lián)系。一方面聲波傳播受多種物理過程（如水體密度、鋒、渦、流及其它動(dòng)力特性）引起的聲速剖面進(jìn)而海洋溫度場(chǎng)結(jié)構(gòu)擾動(dòng)影響很大，因而海洋聲學(xué)研究一直致力于量化海面、水體和海底各種物理過程對(duì)聲傳播的影響。另一方面，聲場(chǎng)數(shù)據(jù)又蘊(yùn)含著豐富的介質(zhì)信息，因此可以利用海洋聲學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋環(huán)境的大范圍、長(zhǎng)時(shí)序、低分辨、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，這也是OAT發(fā)展的動(dòng)因。在OAT之前，海洋學(xué)家早已開始利用各種設(shè)備對(duì)海洋動(dòng)力過程進(jìn)行直接局部、高分辨和高精度的測(cè)量。不難推測(cè)，融合海洋動(dòng)力學(xué)模型、海洋環(huán)境參量局部測(cè)量、聲傳播模型和聲場(chǎng)大范圍測(cè)量，在保證測(cè)量范圍的前提下，聲層析的測(cè)量精度與分辨力能夠得到有效提高，這就是海洋動(dòng)力學(xué)—聲學(xué)數(shù)據(jù)同化，是捕捉、減少環(huán)境不確實(shí)性的重要手段之一[5-6]。

1.3.2 移動(dòng)聲層析 21世紀(jì)聲層析的一個(gè)新方向是利用移動(dòng)船拖曳水平陣或/和配以AUV或滑翔器的移動(dòng)聲層析。2009-2011年實(shí)施的菲律賓海聲層析實(shí)驗(yàn)[7]是其中的代表。菲律賓海實(shí)驗(yàn)在五角形固定節(jié)點(diǎn)布設(shè)的基礎(chǔ)上，增加了4個(gè)滑翔器和1個(gè)水平拖曳線陣。圖1顯示菲律賓海聲層析實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)布放與Glider軌跡圖，右下角為Glider解剖圖。

菲律賓海聲層析由北太平洋實(shí)驗(yàn)室（NPAL）主持，主要研究鋒面、中尺度渦時(shí)空變化規(guī)律的聲學(xué)監(jiān)測(cè)方法，同時(shí)結(jié)合聲層析數(shù)據(jù)、水下滑翔器和潛標(biāo)等海洋動(dòng)力環(huán)境測(cè)量及海洋模型作同化，給出該海區(qū)海洋中尺度過程時(shí)空特性，及對(duì)深海傳播的影響等。

實(shí)驗(yàn)在T1-T5布放5個(gè)固定節(jié)點(diǎn)，形成五角形，并在中心布放節(jié)點(diǎn)T6。DVLA處布放一個(gè)分布式垂直線陣接收機(jī)，記錄接收的聲信號(hào)。4個(gè)滑翔器按圖1的紅、黃、粉和白4條路線滑行，測(cè)量1 000 m以內(nèi)的溫、鹽、深數(shù)據(jù)，并記錄聲信號(hào)。船拖曳一個(gè)5倍頻程水平線陣（FORA），分別圍繞其中兩個(gè)站位呈六角形分布軌跡運(yùn)動(dòng)。

圖1 菲律賓海聲學(xué)層析實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)布放與Glider軌跡圖[7]（右下角為 Glider）

DVLA是由5個(gè)1 000 m子陣組成的新型垂直陣。5個(gè)子陣分別布放于650～725 m，800～1 400 m，1 475～1 625 m，4 285～5 095 m，5 185～5 280 m 海深處，每個(gè)子陣的陣元數(shù)分別為2,25,3,10,20；陣元間距分別為75 m，25 m，75 m，90 m，5 m。DVLA的陣元為自容式模塊，含數(shù)據(jù)采集、存貯和時(shí)間同步于一體，夾在耦合感應(yīng)鋼纜上。每個(gè)子陣頂部都有一個(gè)控制器，為自容式水聽器提供時(shí)間同步與調(diào)度。耦合感應(yīng)調(diào)制解調(diào)器為子陣控制器之間、水聽器模塊之間提供低帶寬(1 200 bit)的通信能力，用于命令、控制和時(shí)間同步信號(hào)傳送。

FORA含有4個(gè)耦合模塊，組成了一個(gè)嵌套聲陣，分別以頻率 250 Hz，500 Hz，1 000 Hz，2 000 Hz的半波長(zhǎng)布陣，其中以250 Hz的半波長(zhǎng)布陣的水聽器64個(gè)。整個(gè)陣孔徑長(zhǎng)189 m，陣拖曳深度在120～250 m之間變化。

滑翔器的航速0.5 kn，可下潛至1 000 m，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月，3 000 km，可實(shí)現(xiàn)600次下潛。滑翔器上攜帶溫度、鹽度、水聽器和聲通信機(jī)（WHOImicromodem，25 kHz,FSK,80 bps） 等傳感器與設(shè)備。

1.3.3 沿海聲層析 在淺海，由于海表和海底的反射使得傳播損失增加，加大了近海聲信號(hào)遠(yuǎn)距離傳播的難度。在近海區(qū)域，由于繁忙的漁業(yè)活動(dòng)以及船舶交通的影響，傳統(tǒng)的測(cè)流方法很難進(jìn)行大面積的觀測(cè)。沿海聲層析（Coastal Acoustic Tomography，簡(jiǎn)稱CAT）觀測(cè)可以不受漁業(yè)以及航運(yùn)的影響，進(jìn)行長(zhǎng)期、連續(xù)的大面積觀測(cè)。其中，沿海流場(chǎng)聲層析在國(guó)內(nèi)外已有一定的理論和實(shí)驗(yàn)研究[8-10]，解決了水平流場(chǎng)層析和兩點(diǎn)間垂向流速剖面層析問題，三維流場(chǎng)聲層析將是今后最大的挑戰(zhàn)之一。

沿海流場(chǎng)聲層析通過建立流場(chǎng)反演模型，在水平方向上，將觀測(cè)區(qū)域劃分為矩形網(wǎng)格并利用函數(shù)展開法對(duì)流速場(chǎng)進(jìn)行近似展開，通過離散化近似求出最佳解；在垂直方向上，利用接收到的多條聲線的信息，可以反演流速剖面。在此基礎(chǔ)上，利用卡爾曼濾波將CAT觀測(cè)得到的傳播時(shí)間差的數(shù)據(jù)同化到海洋環(huán)流模式中，滿足力學(xué)平衡，提高流場(chǎng)的空間分辨力和準(zhǔn)確度。將此作為初始值，利用模式可以得到隨時(shí)間發(fā)展的流速場(chǎng)。

CAT發(fā)展于20世紀(jì)90年代，近年間主要在我國(guó)及日本進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，取得了顯著的進(jìn)展。2009年4月—2010年5月期間，在錢塘江共進(jìn)行了11次雙向聲傳播測(cè)流實(shí)驗(yàn)，通過傳播時(shí)間差數(shù)據(jù)得到聲傳播路徑上的平均流速并進(jìn)行ADCP走航觀測(cè)。同年，國(guó)家海洋局第二海洋研究所在舟山島南側(cè)海域成功地進(jìn)行了中國(guó)首次多臺(tái)沿海聲層析測(cè)流實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)到實(shí)驗(yàn)區(qū)域西南部直徑3～4 km的順時(shí)針潮流渦旋[8]。

2 聲層析展望

聲層析實(shí)質(zhì)上是一個(gè)成像問題，是一個(gè)函數(shù)重構(gòu)問題，因而是泛函分析問題，通常被反演參量維數(shù)大于測(cè)量維數(shù)，這樣一個(gè)欠定問題求解要求有堅(jiān)實(shí)的理論、分布式傳感系統(tǒng)支撐。

2.1 聲層析成像框架

對(duì)于海洋中的溫、鹽、深，鋒，渦，流，內(nèi)潮，內(nèi)波，黑潮等各種時(shí)空尺度的海洋物理過程的觀測(cè)可看作為對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景的成像問題，屬欠定逆問題，不存在唯一解，需要我們將測(cè)量得到的波形、波前、射線等空-時(shí)域信號(hào)通過適當(dāng)?shù)挠蜃儞Q，變換到像域或特征空間，實(shí)現(xiàn)高可靠分辨和分離，完成海洋物理過程觀測(cè)。高維甚至無限維希爾伯特空間為可分辨性和可分離性提供了先決條件，而運(yùn)算在希爾伯特空間中的算子的譜分解理論提供了實(shí)現(xiàn)方法——再生核希爾伯特空間聲層析核方法[11-12]。

前面已經(jīng)講到，聲信號(hào)傳播時(shí)間差與聲速/慢度擾動(dòng)之間存在著一個(gè)積分關(guān)系，這一關(guān)系體現(xiàn)了聲傳播物理的正散射問題，而再生核希爾伯特空間方法也提供一個(gè)相似的Hilbert-Schmidt積分算子：

式中：K(x,y)為核函數(shù)；f為空間Ω中的某一函數(shù)；LK為積分算子。兩者聯(lián)合起來提供逆散射問題解。例如應(yīng)用海洋聲學(xué)波動(dòng)理論模型聯(lián)合信號(hào)傳播時(shí)間峰值到達(dá)處理，可以建立觀測(cè)時(shí)間和聲速之間的傳播敏感核[11]，利用核方法提供研究三維空間聲速變化層析或重構(gòu)的一個(gè)途徑。

2.2 分布式聲層析

典型的聲層析方案是在待觀測(cè)區(qū)域的外圍布設(shè)觀察節(jié)點(diǎn)，為覆蓋大觀測(cè)區(qū)域，要求節(jié)點(diǎn)發(fā)射大功率信號(hào)，在信號(hào)處理上也要求同時(shí)反演全局待觀測(cè)向量，計(jì)算量大，如果要實(shí)現(xiàn)在線反演，還將導(dǎo)致大數(shù)據(jù)通信量。

一個(gè)有前景的層析方案是采用分布式網(wǎng)絡(luò)[13]，增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量，在待觀測(cè)區(qū)域的外圍與內(nèi)部密集布放觀察節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)可以是低功耗的、小型低成本的。隨著單個(gè)節(jié)點(diǎn)（發(fā)射-接收器）的能力下降，工作距離減小，聲層析系統(tǒng)設(shè)置也需要隨之改變，不再適合采用所有節(jié)點(diǎn)互連型的網(wǎng)絡(luò)，而采用只與周圍相鄰節(jié)點(diǎn)互連的分布型網(wǎng)絡(luò)。這種分布型配置可有效降低能源消耗；單個(gè)節(jié)點(diǎn)的失效不會(huì)像傳統(tǒng)設(shè)置那樣影響整個(gè)系統(tǒng)的層析結(jié)果，而只影響局部測(cè)量結(jié)果；節(jié)點(diǎn)定位可通過節(jié)點(diǎn)間通信信號(hào)測(cè)距來實(shí)現(xiàn)，而傳統(tǒng)設(shè)置需要三個(gè)以上高頻信標(biāo)實(shí)現(xiàn)；節(jié)點(diǎn)分布拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可根據(jù)環(huán)境場(chǎng)分布自適應(yīng)調(diào)整；節(jié)點(diǎn)作用距離縮短，可以選擇較高工作頻段，水聲換能器的成本和體積可顯著減少。但分布式層析的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分布式處理方法和性能分析都有待進(jìn)一步發(fā)展。

2.3 被動(dòng)聲層析

發(fā)射-接收器的高功耗一直是海洋聲層析的制約因素。被動(dòng)聲層析[12]的目的是避免利用錨系高功耗的聲源，而采用環(huán)境聲作為層析信號(hào)。該技術(shù)在觀測(cè)區(qū)域兩側(cè)布放接收陣。環(huán)境聲信號(hào)，如一個(gè)遠(yuǎn)處船舶的輻射噪聲或水下生物噪聲，傳播經(jīng)過一個(gè)陣形成一個(gè)已知的信號(hào)，它再傳播到第二陣被接收。通過比較處理兩個(gè)陣的聲信號(hào)，可以推斷出兩個(gè)陣之間的信道傳遞函數(shù)，進(jìn)而推斷出海洋信息。由于信道傳遞函數(shù)和輸入信號(hào)都未知，被動(dòng)聲層析也被稱為盲海洋聲層析。由于聲源與信道都未知，要求作聯(lián)合估計(jì)，這就要求給予更多的先驗(yàn)信息和約束，并要求處理迭代進(jìn)行，收斂到最好擬合解。

3 結(jié)語

聲層析是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要方法。本文從不同時(shí)間段分析了聲層析的研究歷程與發(fā)展趨勢(shì)，總結(jié)了聲層析的基本方法與典型實(shí)驗(yàn)布設(shè)，并概述了近年來海洋動(dòng)力學(xué)同化研究、典型移動(dòng)層析實(shí)驗(yàn)以及沿海聲層析的研究進(jìn)展。最后，本文描述了聲層析的三個(gè)有前途的未來發(fā)展方向。

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Ocean Acoustic Tomography:Current Progress and Future Prospect

ZHAO Hang-fang1,WANG Fei-yi1,ZHU Xiao-hua2,3,XU Wen1
1.College of Information Science and Electronic Engineering,Zhejiang University,Hangzhou310027,Zhejiang Province,China;
2.State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics,Second Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Hangzhou310012,Zhejiang Province,China;
3.Ocean College,Zhejiang University,Hangzhou310027,Zhejiang Province,China

Ocean acoustic tomography (OAT)was proposed in 1979 by American scientist W.Munk and his collaborators.OAT estimates the properties of the ocean,through which acoustic signals propagate,by measuring the propagation time and other acoustic parameters.It soon became an effective method to study the state and variation of oceanic dynamics in large sea areas.OAT gained great attention from 1980-2000,during which a series of verification experiments,particularly with the ATOC project,were conducted to promote theoretical research,equipment building and applications.After entering the 21stcentury,further research of theory and experiment has been made with regard to acoustic tomography as a data assimilation means with ocean dynamics,moving tomography with gliders and moving horizontal array as mobile nodes,as well as the coastal acoustic tomography.The open questions of OAT include:(1)the Hilbert method of OAT in a unified imaging framework,(2)effective and economical acoustic tomography with distributed sensor network, (3)passive acoustic tomography.

ocean acoustic tomography;imaging;distributed sensor network;passive acoustic tomography

TB56;O427.1

A

1003-2029（2015）03-0069-06

2015-03-18

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2012AA090901）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41276095,41476020,41276028,41321004）

趙航芳（1972-），女，博士，教授，主要研究方向?yàn)槁曅盘?hào)處理。E-mail:hfzhao@zju.edu.cn