淺海周期起伏海底環(huán)境下的聲傳播*

劉代 李整林 劉若蕓

1) (中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所,聲場(chǎng)聲信息國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

2) (中國(guó)科學(xué)院大學(xué)物理學(xué)院,北京 100190)

海底粗糙對(duì)水下聲傳播及水聲探測(cè)等應(yīng)用具有重要影響.利用黃海夏季典型海洋環(huán)境,分析了同時(shí)存在海底周期起伏和強(qiáng)溫躍層條件下的聲傳播特性,結(jié)果表明: 由于海底周期起伏的存在,對(duì)于低頻(< 1 kHz)、近程(10 km)的聲信號(hào),傳播損失可增大5—30 dB.總結(jié)了聲傳播損失及脈沖到達(dá)結(jié)構(gòu)隨聲源深度、海底起伏周期及起伏高度等因素變化的規(guī)律.當(dāng)海底起伏周期不變時(shí),起伏高度越大引起的異常聲傳播的影響隨之變大; 當(dāng)起伏高度不變時(shí),隨著起伏周期變大,其對(duì)聲傳播的影響逐漸變小.用射線理論分析了其影響機(jī)理,由于海底周期起伏改變了聲波與海底的入射和反射角度,使得原本小掠射角入射到海底的聲線變?yōu)榇舐由浣?導(dǎo)致海底的反射損失增大; 另一方面,聲線反射角度的改變會(huì)使得原本可以到達(dá)接收點(diǎn)的聲能量,由于與海底作用次數(shù)增加或變?yōu)榉聪騻鞑ザ蠓人p.在淺海負(fù)躍層環(huán)境下,聲源位于躍層上比位于躍層下對(duì)聲傳播影響更大.周期起伏海底對(duì)脈沖聲傳播的影響表現(xiàn)在引起不同角度的聲線(或簡(jiǎn)正波號(hào)數(shù))之間的能量發(fā)生轉(zhuǎn)化,一些大角度聲線能量衰減加大,多途結(jié)構(gòu)變少.多途結(jié)構(gòu)到達(dá)時(shí)間及相對(duì)幅度的變化進(jìn)而影響聲場(chǎng)的頻譜,會(huì)使得基于匹配場(chǎng)定位的方法性能受到影響.所以,聲吶在實(shí)際淺海環(huán)境中應(yīng)用時(shí),應(yīng)對(duì)起伏海底的影響予以重視.此外,研究結(jié)果對(duì)海底地形測(cè)繪空間精度的提高也具有重要參考意義.

1 引 言

在淺海中,由于聲波會(huì)與海底及海面發(fā)生多次作用,海底作為水下聲場(chǎng)的重要下邊界,其聲學(xué)特性和海底地形起伏對(duì)聲傳播的影響極為重要,所以海底一直是淺海聲學(xué)研究中的一個(gè)重要方向[1].與海面波浪起伏引起的形態(tài)和統(tǒng)計(jì)特性隨風(fēng)速變化而變化的情況不同,海底特性在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)可以近似認(rèn)為隨時(shí)間不變[2].在實(shí)際的海洋環(huán)境中,海底界面一般是粗糙不平的,已有的文獻(xiàn)[3?18]指出粗糙海底會(huì)對(duì)聲通信、匹配場(chǎng)定位、海底參數(shù)反演產(chǎn)生影響.有關(guān)海底山、海洋斜坡等地形變化對(duì)聲傳播的影響以及海底聲散射特性的研究得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[3?18].

20 世紀(jì)50—80 年代,Urick[3]與McKinney和Anderson[4]通過(guò)研究海底聲散射得出海底的粗糙度或微起伏是引起海底聲散射主要原因的結(jié)論.20 世紀(jì)90 年代,Jackson 等[5]和Lyons 等[6]在海底聲散射特性測(cè)量和研究中,得出可采用海底粗糙度譜來(lái)表征海底粗糙性的結(jié)論.2002 年李整林[7]研究了匹配場(chǎng)定位時(shí)由海底表面粗糙等引起的環(huán)境失配問(wèn)題,得出結(jié)論,海底界面粗糙會(huì)降低寬帶匹配場(chǎng)處理的定位性能,引起主瓣相關(guān)值降低、旁瓣升高,使用頻域相干的寬帶匹配場(chǎng)處理器可以減小這些隨機(jī)起伏引起的失配.2014 年Chiu 和Chang[8]對(duì)南海水下大片沙丘空間變化用淺地層剖面進(jìn)行測(cè)量,得到了一處位于上陸坡的大型周期性海底沙丘圖像,沙丘長(zhǎng)度約為2000 m,所在海域的平均海深為320 m,振幅范圍為5—10 m,坡峰到坡峰的長(zhǎng)度范圍為100—150 m,并研究了其對(duì)聲傳播的影響,根據(jù)EDF (effective density fluid)模型估算反射系數(shù),對(duì)比平坦海底估算結(jié)果得出,沙丘的曲率是導(dǎo)致反射系數(shù)異常變化的關(guān)鍵因素.2015 年Li 等[9]研究了深海海底山對(duì)聲傳播的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)海底山位于第一影區(qū)位置,聲源深度較淺時(shí),由于海底山的反射,會(huì)使得傳播損失減小近7 dB,且在聲波第一次入射到海底山對(duì)應(yīng)的聲反射區(qū)距離上(28 km 附近),聲傳播損失會(huì)隨著接收深度的增大而增大,特定深度上不同接收深度處的傳播損失最大相差將近10 dB.2016 年胡治國(guó)等[10]研究了深海海底斜坡環(huán)境對(duì)聲傳播的影響,發(fā)現(xiàn)在海底有較小幅度山丘時(shí),可對(duì)聲波有反射遮擋作用,導(dǎo)致在其反射區(qū)特定傳播距離和深度上出現(xiàn)倒三角聲影區(qū),比平坦海底環(huán)境下相同影區(qū)位置處的傳播損失增大約8 dB,且深海海底斜坡對(duì)入射的聲波有反射增強(qiáng)作用,可使得斜坡上方靠近海表面深度處形成一個(gè)聲增強(qiáng)區(qū),其聲傳播損失減小約5 dB.2019 年梁民帥等[11]通過(guò)進(jìn)行周期起伏海底界面Scholte 波激發(fā)的研究,建立了周期起伏界面Bragg 散射與Scholte 波激發(fā)之間的耦合關(guān)系,得到了與平整界面相比,周期起伏界面有助于Scholte波的激發(fā)的結(jié)論.2020 年董陽(yáng)等[12]研究了深海三維海底山地形對(duì)甚低頻聲場(chǎng)的影響,得出了海底山地形變化會(huì)引起傳播過(guò)程中聲信號(hào)的耦合轉(zhuǎn)化,從而激發(fā)深海海底界面波,以及海底山環(huán)境下的聲傳播會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的三維水平折射與散射現(xiàn)象,隨著接收深度的增加地形變化引起的水平多途會(huì)逐漸增加的結(jié)論.

在海底散射模型方面,眾多學(xué)者將基爾霍夫(Kirchhoff)近似模型用于不同情況的水下聲場(chǎng)計(jì)算,Dacol[13]將基爾霍夫近似用于具有隨機(jī)粗糙特性的彈性海底的聲散射研究.目前基爾霍夫近似主要用于傾角變化緩慢的粗糙海底近垂直方向附近的海底聲散射場(chǎng)計(jì)算.Broschat 和Thorsos[14]推導(dǎo)了適合Dirichlet 邊界條件的粗糙界面小斜率近似模型的散射截面表達(dá)式,并研究了小斜率近似用于海底聲散射計(jì)算時(shí)的精度.目前,該小斜率近似模型是應(yīng)用最廣泛的海底聲散射模型.Jackson[15]將復(fù)合粗糙度近似模型應(yīng)用于海底聲散射研究,其將垂直入射附近的大尺度粗糙度采用基爾霍夫近似計(jì)算海底散射,小粗糙度采用微擾近似計(jì)算海底散射.彭朝暉等[16]結(jié)合 Ivakin 等[17]提出的射線管積分法和Hines 的復(fù)射線法,推導(dǎo)出了一種計(jì)算隨機(jī)非均勻海底和粗糙界面引起的平面內(nèi)海底散射模型,利用這個(gè)模型可以計(jì)算出一個(gè)任意給定的入射角和不同散射角時(shí)的海底散射強(qiáng)度.

總體來(lái)說(shuō),目前的研究多集中在海底有較大起伏,如海底山、海底斜坡等海底地形變化對(duì)聲傳播的影響,對(duì)于一些小的起伏,例如周期性沙隆,或海底隨機(jī)起伏對(duì)聲傳播影響的研究較少; 關(guān)于粗糙海底對(duì)聲場(chǎng)影響的模型大多集中在海底聲散射研究,海底起伏對(duì)聲傳播的統(tǒng)計(jì)特性研究相對(duì)較少.這使得聲吶在起伏淺海環(huán)境應(yīng)用時(shí),其探測(cè)性能下降的原因還不清楚.此外,過(guò)去海底地形測(cè)繪的主要目的是為了保障航行安全,而基于匹配場(chǎng)定位原理的聲吶環(huán)境保障,對(duì)海深參數(shù)的空間分辨率及精度提出了新要求.所以,開展周期起伏海底環(huán)境下聲傳播損失及脈沖傳播特性的影響研究,對(duì)深入認(rèn)識(shí)聲吶在復(fù)雜淺海環(huán)境中測(cè)探性能下降程度,同時(shí)對(duì)海深數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)及提高海底地形繪制的精度要求具有重要的意義.

本文利用黃海夏季存在的溫躍層環(huán)境,分析海底存在周期起伏地形條件下的聲傳播損失變化規(guī)律與脈沖聲傳播現(xiàn)象,并利用射線理論解釋了海底地形起伏引起異常聲傳播的機(jī)理,為海底地形起伏等復(fù)雜淺海環(huán)境下聲傳播及其應(yīng)用奠定重要理論基礎(chǔ).

2 黃海躍層環(huán)境及適用于海底地形起伏的二維聲場(chǎng)模型

2018 年Liu 和Li[18]通過(guò)拋物方程模型統(tǒng)計(jì)分析了隨機(jī)起伏海面對(duì)聲傳播的影響,并利用射線理論解釋了海面波浪引起聲傳播起伏統(tǒng)計(jì)特性的機(jī)理.這里可借鑒其研究思路,認(rèn)識(shí)海底起伏對(duì)淺海聲傳播影響.

為了研究淺海中同時(shí)存在溫躍層和周期性海底起伏環(huán)境時(shí)的聲傳播規(guī)律,采用圖1 所示的2002 年8 月測(cè)量得到的黃海夏季實(shí)驗(yàn)水文環(huán)境,其中: 海深為50 m,溫躍層位于10 m 至25 m 之間,躍層上下的聲速分別為1536 和1496 m/s,海底取單層半無(wú)限大模型,海底密度為1.75 g/cm3,海底聲速為1600 m/s,海底衰減系數(shù)為0.311×(f/1000)1.75dB/m[19],頻率f的單位為Hz.不失一般性,假設(shè)海底界面起伏如圖1 所示,這種周期性起伏一般存在于一些大陸架海域.為了便于文中的分析,定義起伏周期L為相鄰兩個(gè)坡峰間的距離,起伏高度 ?H為坡峰和平坦海底的高度差.在分析中將通過(guò)改變起伏周期和起伏高度等參數(shù),研究不同海底地形起伏對(duì)聲場(chǎng)影響的規(guī)律.

圖1 黃海夏季負(fù)躍層環(huán)境及周期海底起伏示意圖Fig.1.Shallow water environment with a negative thermocline in the Yellow Sea and the diagram of the periodic rough bottom.

對(duì)于圖1 所示的海底周期起伏地形,需要使用水平變化聲場(chǎng)模型進(jìn)行分析.考慮到Collins 提出的基于拋物方程(PE)理論的RAM-PE 模型具有計(jì)算速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn),因此文中使用RAMPE 模型來(lái)計(jì)算聲場(chǎng),RAM-PE 模型是基于Padé序列逼近PE 傳播算子的一種寬角PE 算法[20].

對(duì)于二維淺海波導(dǎo),介質(zhì)密度ρ和聲速c(r,z)隨距離r和深度z變化而變化,在柱坐標(biāo)系下,在(0,zs)位置上一個(gè)簡(jiǎn)諧點(diǎn)聲源(略去了時(shí)間依賴關(guān)系 e?jωt)激發(fā)的聲場(chǎng)滿足波動(dòng)方程[20]

和相應(yīng)的邊界條件,其中P(r,z,ω) 為聲壓,ω為角頻率,δ(r) 和δ(z ?zs) 為沖激響應(yīng)函數(shù)表達(dá)式.對(duì)于水平變化環(huán)境,(1)式可由拋物方程近似把邊值問(wèn)題轉(zhuǎn)化為初始值問(wèn)題進(jìn)行求解[21?23],則有

其中 H10(k0r) 為第一類零階漢克爾函數(shù),是隨距離的快變項(xiàng);k0=ω/c0,c0為參考聲速; ?r為距離方向的步長(zhǎng);αj,n和βj,n是Padé序列的復(fù)系數(shù);X為深度算子,滿足

在求得不同深度z和距離r下的聲壓值p(r,z)后,進(jìn)而可求得聲強(qiáng):

其中Zω是聲場(chǎng)點(diǎn)的聲阻抗.由于不同路徑信號(hào)相互干涉,單頻時(shí)的聲強(qiáng)隨距離會(huì)有較大的起伏,為了得到平滑的傳播損失,在1/3 oct (倍頻程)帶寬內(nèi)對(duì)多個(gè)頻點(diǎn)聲強(qiáng)進(jìn)行窄帶平均,得到

其中N為頻點(diǎn)個(gè)數(shù).最終得到窄帶平均的聲傳播損失為

此外,為了分析周期起伏地形對(duì)脈沖聲傳播的影響,利用(2)式求解出一定帶寬內(nèi)的復(fù)聲壓p(r,z,ω) 后,乘以 H10(k0r) ,再通過(guò)傅里葉逆變換可以得到聲場(chǎng)的時(shí)域脈沖波形信號(hào):

其中S(ω) 是聲源譜.在用(8)式進(jìn)行脈沖信號(hào)合成時(shí),聲源譜S(ω) 可取為漢寧窗,在聲源頻帶以外予以補(bǔ)零處理.

3 周期起伏海底對(duì)傳播損失的影響

為了研究不同海底周期起伏高度 ?H和起伏周期L變化這兩個(gè)參數(shù)對(duì)聲傳播損失(transmission loss,TL)的影響,假設(shè)聲源中心頻率為300 Hz,當(dāng)參考聲速c0= 1500 m/s 時(shí)對(duì)應(yīng)的聲波波長(zhǎng)λ為5 m,先設(shè)起伏高度 ?H為5 m (λ)、起伏周期L為50 m (10λ).為了討論聲源深度變化對(duì)TL 的影響,取兩種典型聲源深度7 m 和40 m,分別表示位于圖1 負(fù)躍層環(huán)境中的溫躍層上和溫躍層下,并令接收深度為位于躍層下的40 m.圖2 給出了周期起伏海底情況下的傳播損失TL起伏海底與平坦海底時(shí)的傳播損失TL平坦海底的對(duì)比圖.這里將收發(fā)距離10 km 處二者的傳播損失差值定義為ΔTL(ΔTL=TL起伏海底–TL平坦海底).圖2(a)可見,當(dāng)聲源位于躍層上時(shí),周期起伏海底比平坦海底增大了 ?TL=21.8 dB ,明顯大于聲源位于躍層下時(shí)的 ?TL=8.4 dB (參見圖2(b)).

圖2 周期起伏海底與平坦海底情況下的TL 比較,其中接收深度為40 m,聲源深度分別為(a) 7 m 和(b) 40 mFig.2.Comparison of the TLs between rough bottom and flat bottom at two different source depths: (a) 7 m; (b) 40 m.

固定收發(fā)距離為10 km,可以通過(guò)改變起伏周期和起伏高度來(lái)分析其對(duì) ?TL的影響.圖3 給出起伏周期L分別為2λ,4λ,6λ,8λ,10λ,12λ,14λ,16λ,18λ,20λ(對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度分別為10,20,30,40,50,60,70,80,90 和100 m),起 伏 高 度 ?H為3 和5 m 時(shí),在不同聲源深度的情況下起伏海底與平坦海底的 ?TL變化折線圖.從圖3(a)可以看出:起伏周期一定時(shí),周期起伏海底對(duì)聲傳播的影響隨起伏高度的增大而增大; 當(dāng)起伏高度一定時(shí),周期起伏海底對(duì)聲傳播的影響隨起伏周期的增大而減小.為了驗(yàn)證此結(jié)論對(duì)于低頻聲源的普適性,在同樣的水文環(huán)境和海底起伏條件下,對(duì)聲源中心頻率為1000 Hz 的情況進(jìn)行仿真計(jì)算,結(jié)果如圖3(b)所示,可以看出也符合上述結(jié)論.此外,可以看出對(duì)于同樣的海底起伏和水文環(huán)境,聲源頻率越高,聲場(chǎng)受起伏海底影響越大,因?yàn)轭l率越高波長(zhǎng)越短,可以認(rèn)為相對(duì)于同樣的起伏海底而言其相對(duì)粗糙度越大,因此受到的影響也更大.在溫躍層環(huán)境下,聲源位于躍層上時(shí),海底存在周期起伏對(duì)聲傳播的影響比位于躍層下方更大,起伏周期越長(zhǎng),傳播損失差 ?TL越小.這對(duì)于被動(dòng)聲吶在實(shí)際淺海環(huán)境中的應(yīng)用具有很重要的意義,在負(fù)躍層海洋環(huán)境中,當(dāng)被動(dòng)聲吶位于躍層下,對(duì)躍層上的水面目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)時(shí),應(yīng)充分考慮到海底存在起伏時(shí)的影響.

圖3 不同聲源深度下傳播損失差值 ? TL 隨海底起伏周期的變化,其中接收深度40 m,聲源頻率分別為(a) 300 Hz和(b) 1000 HzFig.3.Statistical diagram of ? TL with different source depths,periods and heights of the rough bottom at the receiver depth of 40 m,where the frequency of the source is(a) 300 Hz and (b) 1000 Hz.

圖4 給出在聲源頻率為300 Hz,聲源深度為7 和40 m 下,起伏周期從10 m (2λ)變化到100 m(20λ),起伏高度從3 m (0.6λ)變化到5 m (λ)時(shí)的 ?TL二維分布結(jié)果.從圖4 可以更直觀看出在不同聲源深度下,?TL隨起伏周期和高度變化的漸變關(guān)系.

4 周期起伏地形對(duì)傳播損失影響機(jī)理的射線解釋

為了解釋不同海底起伏情況引起的傳播損失差異,現(xiàn)在利用BELLHOP 射線模型計(jì)算了不同聲源深度下,有無(wú)海底起伏時(shí)的聲線傳播示意圖,以便直觀地了解聲線的傳播情況.分析時(shí)依然取聲源中心頻率為300 Hz,聲源深度為7 和40 m,接收深度為40 m.圖5 和圖6 給出了不同海底起伏時(shí)的聲線圖.圖5(a)—(d)和圖6(a)—(d)的海底依次為平坦海底,起伏周期為50 m (10λ)、起伏高度為3 m,起伏周期為50 m (10λ)、起伏高度為5 m以及起伏周期為100 m (20λ)、起伏高度為5 m.為了更直觀地分析周期起伏海底環(huán)境對(duì)不同掠射角大小的聲線的影響,將0°—10°,10°—20°,20°—30°和大于30°掠射角范圍的聲線分別標(biāo)記為綠色、藍(lán)色、紅色和黑色(掠射角范圍均指其絕對(duì)值).

圖4 不同聲源深度下傳播損失差值 ? TL 隨海底起伏周期及起伏高度二維變化結(jié)果 (a) 7 m; (b) 40 mFig.4.The ? TL with different periods and heights of the rough bottom at two different source depths: (a) 7 m; (b) 40 m.

當(dāng)聲源位于躍層上方時(shí),如圖5(a)所示,聲線被海面和海底反射,在整個(gè)波導(dǎo)中傳播,這部分聲線稱為SRBR (surface-reflected bottom-reflected)聲線,由于海底吸收,掠射角較大的聲線經(jīng)過(guò)幾次海底反射后能量急劇衰減,只能在近場(chǎng)傳播,只有掠射角較小的聲線可以到達(dá)接收點(diǎn).當(dāng)聲源位于躍層下方時(shí),如圖6(a)所示,大部分聲線(紅色、藍(lán)色、綠色)向上傳播時(shí)在躍層中發(fā)生反轉(zhuǎn)改為向下傳播,經(jīng)過(guò)海底反射,部分聲線只在躍層和海底之間的淺海聲道中傳播,這部分聲線稱為RBR(refracted bottom-reflected)聲線,它們的掠射角較小,對(duì)應(yīng)的海底反射損失較小,經(jīng)過(guò)幾次海底反射后到達(dá)接收點(diǎn)時(shí)仍然具有較高的能量.其余穿過(guò)躍層與海面發(fā)生作用的黑色聲線由于掠射角較大,與海面海底發(fā)生作用后能量衰減很快,到達(dá)接收點(diǎn)時(shí)能量較低.

圖5 聲源深度7 m 時(shí)聲線圖 (a) 平坦海底; (b) 起伏周期 為50 m (10λ)、起 伏 高 度 為3 m; (c) 起 伏 周 期 為50 m(10λ)、起伏高度為5 m; (d) 起伏周期為100 m (20λ)、起伏高度為5 mFig.5.Rays for source above the thermocline (7 m) with different periodic rough bottom: (a) Flat sea bottom; (b) L =50 m (10λ),ΔH = 3 m; (c) L = 50 m (10λ),ΔH = 5 m;(d) L = 100 m (20λ),ΔH = 5 m.

圖6 聲源深度40 m 時(shí)聲線圖 (a) 平坦海底; (b) 起伏周期為50 m (10λ)、起伏高度為3 m; (c) 起伏周期為50 m(10λ)、起伏高度為5 m; (d) 起伏周期為100 m (20λ)、起伏高度為5 mFig.6.Rays for source below the thermocline (40 m) with different periodic rough bottom: (a) Flat sea bottom; (b) L =50 m (10λ),ΔH = 3 m; (c) L = 50 m (10λ),ΔH = 5 m;(d) L = 100 m (20λ),ΔH = 5 m.

當(dāng)海底起伏周期不變,起伏高度增大時(shí),對(duì)比圖6(b)和圖6(c)可以看到,掠射角較大的紅色聲線和黑色聲線傳播到一半就消失了,能夠到達(dá)接收點(diǎn)的聲線變少,只有掠射角較小的綠色和藍(lán)色聲線可以到達(dá),因此TL 也更大.當(dāng)海底起伏高度不變,起伏周期增大時(shí),從圖6(d)可以看到,除了綠色和藍(lán)色聲線外,掠射角較大的紅色聲線也可以到達(dá)接收點(diǎn),較之圖6(c),起伏周期更大的海底相當(dāng)于坡面變得平緩了,聲線在與坡面發(fā)生碰撞后傳播角度改變地更小,經(jīng)過(guò)起伏坡面反射后與海面海底的反射次數(shù)減少,可以傳播地更遠(yuǎn),到達(dá)接收點(diǎn)時(shí)的能量損失也更小.比較圖5 和圖6 可見,當(dāng)聲源位于躍層上時(shí),由于溫躍層的存在,聲線入射到海底的角度一般較大,每次與周期海底作用后,一些特定角度的聲線在部分距離上反射角度變大,在很短距離內(nèi)出現(xiàn)多次海面和海底反射,使得能量損失增大,最終達(dá)到接收點(diǎn)的聲線也變少,因此TL 也相應(yīng)增大.

為了更加直觀地說(shuō)明起伏海底對(duì)聲傳播的影響,圖7 分別給出了在一個(gè)周期上,起伏高度變化和起伏周期變化時(shí)的聲線反射示意圖.從圖7(a)可以看到,由于起伏高度變大,掠射角較大的聲線在被傾斜度更大的起伏面反射后,反射角會(huì)變大,當(dāng)聲線再次與海底接觸時(shí),入射角度會(huì)越來(lái)越大,對(duì)于海底損失BL(BL=?10 log|R|2,R為海底反射系數(shù))而言,掠射角越大,海底損失越大,且當(dāng)掠射角大于臨界角之后,海底損失會(huì)急劇增大,經(jīng)過(guò)十幾次這樣的海底反射,累積起來(lái)的反射損失就會(huì)變大.圖7(b)中,起伏高度不變時(shí),起伏周期越小,聲線反射后角度變化越大,聲線的反射次數(shù)會(huì)越多;同時(shí),受起伏海底影響,某些聲線經(jīng)海底反射后可能發(fā)生傳播方向變反,導(dǎo)致TL 增大.

圖7 一個(gè)起伏周期聲線傳播示意圖 (a) 海底起伏周期不變; (b) 海底起伏高度不變Fig.7.Diagram of ray propagation in one fluctuation period: (a) For constant L; (b) for constant ? H .

5 周期起伏海底對(duì)脈沖聲傳播特性影響及機(jī)理分析

以上討論了不同海底時(shí)的聲場(chǎng)傳播損失,并分析了造成不同傳播損失的原因.接下來(lái)從脈沖傳播角度對(duì)不同海底起伏情況下的能量變化進(jìn)行分析.圖8 和圖9 分別給出聲源深度為7 和40 m 時(shí),由公式(8),結(jié)合TL=?10 log|P|2計(jì)算得到不同海底起伏時(shí)的脈沖到達(dá)結(jié)構(gòu)隨接收深度變化的二維偽彩圖.計(jì)算中,聲源中心頻率依然取300 Hz,帶寬為100 Hz,頻率步長(zhǎng)為1 Hz,聲源距離取10 km,接收深度從海面到海底.圖8 和圖9 中橫坐標(biāo)為相對(duì)到達(dá)時(shí)間.圖8(a)—(d)和圖9(a)—(d)的海底依次為平坦海底,起伏周期為50 m (10λ)、起伏高度為3 m,起伏周期為50 m (10λ)、起伏高度為5 m以及起伏周期為100 m (20λ)、起伏高度為5 m.

當(dāng)海底不存在起伏時(shí),從圖8(a)和圖9(a)可以清楚地看到各號(hào)簡(jiǎn)正波在深度和時(shí)間上的分布.當(dāng)海底起伏周期不變,起伏高度增大時(shí),對(duì)比圖8(b)和圖8(c),可以看到在整個(gè)深度上的各個(gè)接收點(diǎn)的能量都有非常明顯的衰減,且隨著起伏高度變大,衰減得越厲害.特別是接收深度位于躍層上方時(shí)尤為明顯,能夠到達(dá)接收點(diǎn)的高號(hào)簡(jiǎn)正波變少,簡(jiǎn)正波的時(shí)空結(jié)構(gòu)也不如平坦海底的清晰[24].當(dāng)起伏高度不變,起伏周期為20λ時(shí)(圖8(d)),相比于平坦海底(圖8(a)),接收點(diǎn)能夠接收到的高號(hào)簡(jiǎn)正波變少,脈沖能量更小; 當(dāng)起伏周期變小到10λ(圖8(c)),即起伏面傾斜度更大時(shí),大部分接收深度都只能接收到1 號(hào)和2 號(hào)簡(jiǎn)正波了,能量衰減更為迅速; 起伏周期為20λ的海底比起伏周期為10λ的海底能量衰減更緩慢,能夠到達(dá)接收點(diǎn)的高號(hào)簡(jiǎn)正波更多.對(duì)于同一頻率的聲源來(lái)說(shuō),其波長(zhǎng)是一定的,那么起伏周期越大就相當(dāng)于相對(duì)粗糙度越小,即海底起伏越平緩,對(duì)聲傳播的影響更小.從圖8(c)和圖9(c)可見,由于海底起伏的存在,使得發(fā)生了高低號(hào)簡(jiǎn)正波之間的能量轉(zhuǎn)換,圖8(a)中聲源深度為7 m 激發(fā)的以高號(hào)簡(jiǎn)正波為主的傳播轉(zhuǎn)化為圖8(c)以躍層下低號(hào)簡(jiǎn)正波為主; 而在圖9(a)中以躍層下小角度傳播的低號(hào)簡(jiǎn)正波為主,經(jīng)過(guò)起伏海底后在近海面出現(xiàn)了小幅度的高號(hào)簡(jiǎn)正波能量(圖9(c)),但是包括2 號(hào)簡(jiǎn)正波在內(nèi)的高號(hào)簡(jiǎn)正波逐漸衰減到消失,所以傳播損失也相應(yīng)的增加.

圖8 聲源位于躍層上(7 m)時(shí)脈沖到達(dá)結(jié)構(gòu)隨深度變化(收發(fā)距離為10 km) (a)平坦海底; (b) 起伏周期為50 m (10λ)、起伏高度為3 m; (c) 起伏周期為50 m (10λ)、起伏高度為5 m; (d) 起伏周期為100 m (20λ)、起伏高度為5 mFig.8.Arrival pulses at different receiver depths for the source above the thermocline (7 m): (a) Flat sea bottom; (b) L = 50 m(10λ),ΔH = 3 m; (c) L = 50 m (10λ),ΔH = 5 m; (d) L = 100 m (20λ),ΔH = 5 m.

圖9 聲源位于躍層下(40 m)時(shí)脈沖到達(dá)結(jié)構(gòu)隨深度變化(收發(fā)距離為10 km) (a) 平坦海底; (b) 起伏周期為50 m (10λ)、起伏高度為3 m; (c) 起伏周期為50 m (10λ)、起伏高度為5 m; (d) 起伏周期為100 m (20λ)、起伏高度為5 mFig.9.Arrival pulses at different receiver depths for the source below the thermocline (40 m): (a) Flat sea bottom; (b) L = 50 m(10λ),ΔH = 3 m; (c) L = 50 m (10λ),ΔH = 5 m; (d) L = 100 m (20λ),ΔH = 5 m.

圖10 聲源位于躍層上(7 m)時(shí)各接收深度頻譜圖(收發(fā)距離為10 km) (a) 平坦海底; (b)起伏周期為50 m (10λ)、起伏高度為3 m; (c) 起伏周期為50 m (10λ)、起伏高度為5 m; (d) 起伏周期為100 m (20λ)、起伏高度為5 mFig.10.Spectrogram at different receiver depths for the source above the thermocline (7 m): (a) Flat sea bottom; (b) L = 50 m(10λ),ΔH = 3 m; (c) L = 50 m (10λ),ΔH = 5 m; (d) L = 100 m (20λ),ΔH = 5 m.

圖11 聲源位于躍層下(40 m)時(shí)各接收深度頻譜圖(收發(fā)距離為10 km) (a) 平坦海底; (b) 起伏周期為50 m (10λ)、起伏高度為3 m; (c) 起伏周期為50 m (10λ)、起伏高度為5 m; (d) 起伏周期為100 m (20λ)、起伏高度為5 mFig.11.Spectrogram at different receiver depths for the source below the thermocline (40 m): (a) Flat sea bottom; (b) L = 50 m(10λ),ΔH = 3 m; (c) L = 50 m (10λ),ΔH = 5 m; (d) L = 100 m (20λ),ΔH = 5 m.

文獻(xiàn)[7]的數(shù)值仿真研究表明,存在海底粗糙會(huì)使得匹配場(chǎng)定位的主瓣相關(guān)下降,但是并沒(méi)有對(duì)其中下降機(jī)理進(jìn)行深入研究.開展起伏海底對(duì)脈沖聲傳播影響的研究,對(duì)于理解匹配場(chǎng)聲源定位受海底影響機(jī)理具有重要意義.圖10 和圖11 分別為聲源深度為7 和 40 m 時(shí),不同海底起伏時(shí)的頻譜圖.計(jì)算中,參數(shù)設(shè)置同圖8 和圖9.圖10 和圖11 中橫坐標(biāo)為頻率,范圍為250—350 Hz; 縱坐標(biāo)為接收深度; 顏色條為歸一化的聲壓幅值.圖10(a)—(d)和圖11(a)—(d)的海底依次為平坦海底,起伏周期為50 m (10λ)、起伏高度為3 m,起伏周期為50 m (10λ)、起伏高度為5 m 以及起伏周期100 m為 (20λ)、起伏高度為5 m.結(jié)合圖8 及圖9 可見,聲波在不同海底起伏環(huán)境下傳播,使得到達(dá)接收器的多途結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,在頻譜上反映的就等同于經(jīng)過(guò)了一個(gè)濾波器,使得一些特定頻率的能量發(fā)生了變化,與平坦海底完全不同.

結(jié)合圖3 及圖8—11 可看到,相比于平坦海底,淺海中存在高度為3—5 m 及周期為10—100 m的地形起伏,在引起傳播損失變化的同時(shí),會(huì)引起多途結(jié)構(gòu)到達(dá)時(shí)間及相對(duì)幅度變化,進(jìn)而使得聲場(chǎng)的頻譜發(fā)生改變.所以,在存在海底起伏時(shí),聲吶的探測(cè)距離及匹配場(chǎng)定位性能都會(huì)受到較大影響.此外,在實(shí)際工程應(yīng)用中,例如利用多波束測(cè)深儀測(cè)量海底數(shù)據(jù)時(shí),對(duì)于存在起伏海底的海域,需要進(jìn)行更高分辨率的測(cè)繪,否則空間采樣不夠密集,不能刻畫真正的海底地形起伏.所以,研究結(jié)果對(duì)評(píng)估聲吶在起伏海底地形環(huán)境下的探測(cè)性能、陣列信號(hào)處理算法改進(jìn)及指導(dǎo)海深數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)等具有重要意義.

6 結(jié) 論

本文針對(duì)海底粗糙對(duì)淺海聲場(chǎng)影響問(wèn)題,開展了海底存在周期起伏條件下的聲傳播特性研究.利用黃海夏季負(fù)躍層水文環(huán)境,分析了聲源處于溫躍層不同位置情況下的低頻(< 1 kHz)、近程(10 km)聲場(chǎng)能量起伏規(guī)律和脈沖聲傳播特性,并用射線理論揭示了海底的起伏周期、起伏高度變化引起的傳播損失能量變化機(jī)理.主要結(jié)論有以下四點(diǎn):

1)在淺海負(fù)躍層環(huán)境下,由于聲線入射角度的影響,聲源位于躍層上比位于躍層下對(duì)聲傳播的影響更大.聲線穿過(guò)躍層時(shí)入射角度會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn),一些小掠射角聲線穿過(guò)躍層后入射角度會(huì)變大,經(jīng)過(guò)海底周期起伏海底的反射后,大部分大掠射角的聲線穿過(guò)躍層后入射角度會(huì)大于臨界角,導(dǎo)致海底損失急劇增大.

2)總結(jié)了不同海底起伏對(duì)聲傳播的影響規(guī)律,并理論解釋了其中的物理機(jī)理.當(dāng)海底的起伏周期不變時(shí),起伏高度越大引起的附加傳播損失越大.當(dāng)起伏高度變大時(shí),部分小掠射角聲線經(jīng)傾斜度更大的坡面反射后反射角變大,從而與海面海底反射次數(shù)增多,掠射角較大的聲線經(jīng)海底反射后,海底反射損失增大,能量損失更大,傳播距離更短.部分聲線還會(huì)變成反向傳播,使得到達(dá)接收點(diǎn)的聲線變少,導(dǎo)致傳播損失更大.

3)當(dāng)海底的起伏高度不變時(shí),起伏周期越大,等效的海底起伏更加平緩,聲線被海底反射后傳播角度受到的影響變小,與海面海底的反射次數(shù)也減少,使得聲能量可以傳播得更遠(yuǎn),到達(dá)接收點(diǎn)時(shí)的傳播損失也較小.

4)從不同脈沖傳播特性角度看,周期起伏海底會(huì)使得一些大角度的聲線(或高號(hào)簡(jiǎn)正波)與小角度聲線(或低號(hào)簡(jiǎn)正波)之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)換,當(dāng)海底的起伏高度較大且起伏周期較小時(shí),使得部分大角度聲線能量在一定距離上衰減掉,只剩下個(gè)別能在溫躍層與海底之間傳播的小角度聲線(或第一號(hào)簡(jiǎn)正波).這種起伏海底引起的淺海多途特性的改變,進(jìn)而引起了聲場(chǎng)頻譜變化,會(huì)使得以匹配聲場(chǎng)為基礎(chǔ)的定位方法受到影響.

總之,在淺海環(huán)境下,聲波與海底作用次數(shù)很多,起伏海底對(duì)聲場(chǎng)的影響不容忽視.在實(shí)際淺海環(huán)境中,海底會(huì)存在非周期的起伏,進(jìn)而引起聲傳播和混響特性的變化.掌握起伏海底環(huán)境下聲傳播損失及脈沖傳播特性的規(guī)律,對(duì)于聲吶探測(cè)性能評(píng)估、基于匹配場(chǎng)處理方法的水下目標(biāo)定位環(huán)境適配、海深數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)及提高海底地形繪制精度等方面均具有重要意義.同時(shí),聲吶在起伏海底地形環(huán)境下定位性能改進(jìn)方法將是下一步的研究重點(diǎn).