淺海負躍層海底單參數(shù)模型研究

趙梅，胡長青

?

淺海負躍層海底單參數(shù)模型研究

趙梅1,2，胡長青1

(1. 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站，上海 200032；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100190)

海底反射特性在淺海聲傳播中起著決定性的影響。用小掠射角下海底反射損失隨掠射角變化率dB構(gòu)建單參數(shù)模型可很好地描述淺海海底特性。對單參數(shù)模型進行深入研究和改進，建立了在淺海負躍層條件下描述水下聲場的海底單參數(shù)模型，并利用數(shù)值仿真和海上實驗數(shù)據(jù)，對淺海負躍層海底單參數(shù)模型水下聲場預(yù)報的正確性進行了驗證。

海底單參數(shù)模型；淺海負躍層；聲場預(yù)報

0 引言

人們通常通過建立地聲模型來研究海底性質(zhì)。對于地聲模型的建立，從理論上來講，一方面，海底沉積環(huán)境復(fù)雜和區(qū)域環(huán)境相差明顯，實際的海底不可能由任何單一的地聲模型來確定。過于精細的模型往往在某種類型海底下與實驗符合較好，其他環(huán)境下就不再適用。而一般化的簡單模型在一定程度上可以簡化沉積物本身的復(fù)雜性和區(qū)域的特殊性，具有較好的普適性；另一方面，根據(jù)獲取海底信息的目的，海底參數(shù)反演需要用盡可能簡單的等效模型，反演出等效海底參數(shù)用于預(yù)報海洋中的聲場[1]。由此可見，對簡化的地聲反演模型進行研究的重要性不亞于復(fù)雜模型。

從實際應(yīng)用來講，理解和評估海洋中的聲傳播，至少需要用到沉積層的密度、聲速和聲衰減系數(shù)等參數(shù)，某些復(fù)雜的模型還需要彈性系數(shù)以及分層信息等，為獲取這些物理量，以匹配場[2]為代表的一系列反演辦法都是多維地聲模型上的多參數(shù)反演。這種多維反演過程可看作是對多維參數(shù)的求解，不僅加大了海上測量的復(fù)雜程度，信號處理比較復(fù)雜，而且各個參數(shù)的敏感性以及參數(shù)間的耦合常常令操作者在效率和穩(wěn)健性上進退維谷。絕大多數(shù)多維反演都需要整合測量數(shù)據(jù)和事后處理，難以在日常海上作業(yè)中即時使用。

國內(nèi)外許多聲學(xué)工作者，如Etter[3]、尚爾昌[4]等均提到在大量實測數(shù)據(jù)中淺海聲場有一個顯著的特征：小掠射角下海底反射損失隨掠射角變化率dB(dB/rad)呈近似線性。近年來我們提出用該單個參數(shù)dB來表示海底反射性質(zhì)，構(gòu)建單參數(shù)模型描述海底聲學(xué)特性，對水下聲場進行預(yù)報，并設(shè)計了一些時域反演方法，取得了一些階段性成果[5-7]，但仍存在一定的局限性。

在之前的研究中，單參數(shù)模型描述水下聲場的理論是在淺?？梢越茷榫鶆蛩畬拥那疤嵘辖⒌模欢趯嶋H運用中，大部分聲場環(huán)境為非均勻淺海，當(dāng)聲速剖面為強躍層時，之前建立的單參數(shù)模型描述聲場理論將不再適用[8]。本文在前期的單參數(shù)模型研究基礎(chǔ)上，基于平滑平均理論進行推導(dǎo)，得到了在淺海負躍層條件下用單參數(shù)dB表示水下聲場的關(guān)系表達式，并利用數(shù)值仿真以及實驗數(shù)據(jù)進行了驗證，擴展了單參數(shù)模型描述水下聲場的適用范圍。

1 單參數(shù)模型簡介

根據(jù)大量觀測數(shù)據(jù)中小掠射角下反射損失隨掠射角似線性增長的規(guī)律，提出以小掠射角下反射損失隨掠射角的變化率dB(dB/radian)作為描述海底性質(zhì)的單參數(shù)。定義單參數(shù)dB與海底反射損失及掠射角的關(guān)系表示為

由于超過臨界角的反射聲衰減非?？欤欢ň嚯x后對淺海聲場的影響可以忽略，淺海聲場主要由小掠射角下的反射聲控制，所以單參數(shù)模型在方便快速反演的同時能較好地描述聲場。

式中：為簡正波號數(shù)；為海深；為波長；有效簡正波數(shù)，且

(3)

場強表達式(2)中，波長為一常數(shù)，因此計算波長時只能使用海水平均聲速，即海水視為等聲速剖面，該式無法應(yīng)用于非勻速海水情況。下面將研究在負躍層條件下可描述水下聲場的單參數(shù)模理論。

2 淺海負躍層單參數(shù)模型理論推導(dǎo)

負躍層聲場具有明顯的深度結(jié)構(gòu)，它的深度結(jié)構(gòu)不像負梯度那樣具有隨深度連續(xù)變化的特性。由于躍層下往往是梯度很小的近等溫層，因此將其簡化抽象為兩個均勻?qū)咏M成的理想躍層。本文主要討論“強躍層”情況。對于理想躍層，按照極點分布有兩類簡正波，第I類簡正波()，我們稱為“層下波”，第II類簡正波()，我們稱為“穿透波”，如圖1所示。和分別為理想躍層簡正波水平波數(shù)、躍層上層簡正波水平波數(shù)和躍層下層簡正波水平波數(shù)。

我們從平滑平均聲場理論出發(fā)，推導(dǎo)在淺海負躍層條件下，“層下波”和“穿透波”用單參數(shù)描述的場強表達式。

在理想負躍層條件下，對遠場有主要貢獻的主導(dǎo)簡正波可以表示為：

經(jīng)過一系列與文獻[5]中均勻水層類似的推導(dǎo)過程，最終得到層下波平均聲強的表達式為

(6)

對于“穿透波”，考慮到穿透躍層前后“聲線管”截面較大，理想躍層情況下，聲強為的點源在距離處激發(fā)的穿透波平均聲強的簡正波聲場經(jīng)過平滑平均處理可以表示為

(9)

(10)

(11)

從而

當(dāng)不是很大，滿足條件(13)和(14)時

(14)

從而

(16)

其中，(18)

聯(lián)合式(3)、式(4)、式(6)、式(17)和式(18)，即可得到淺海負躍層條件下，單參數(shù)模型表示水下聲場的最終表達式。

3 負躍層單參數(shù)模型數(shù)值仿真驗證

3.1 模擬海洋環(huán)境

采用半無限大均勻液態(tài)海底模型，海底參數(shù)的設(shè)置源自典型的東海沉積數(shù)據(jù)，海水聲速剖面為強躍層，理想負躍層上均勻?qū)雍穸葹?5 m，海深為80 m，中心頻率為200 Hz，忽略海水聲衰減(值為0)，海水密度、聲速剖面及海底密度、聲速和聲衰減等仿真環(huán)境參數(shù)設(shè)置如圖2所示。

以半無限大液態(tài)海底模型為基礎(chǔ)，用Hamilton吸收-頻率關(guān)系的、、液態(tài)海底的瑞利反射損失物理機制考慮海底基本參數(shù)壓縮波波速1、密度1以及衰減系數(shù)(dB/λ)之間相互耦合的關(guān)系，通過文獻[5]中的數(shù)學(xué)近似，dB可以表示為

其中：和是海底附近的海水聲速和密度。

利用公式(19)計算得到海底單參數(shù)dB在200 Hz時值為0.82 dB/rad。

3.2 淺海負躍層單參數(shù)模型聲場預(yù)報仿真結(jié)果

通過計算機數(shù)值仿真，來驗證負躍層條件下改進后的單參數(shù)模型描述水下聲場理論的準(zhǔn)確性。

根據(jù)負躍層單參數(shù)模型描述水下聲場理論，聯(lián)合式(3)、式(4)、式(6)、式(17)和式(18)，代入模擬環(huán)境參數(shù)以及相應(yīng)的海底單參數(shù)dB值來仿真計算圖2環(huán)境下負躍層單參數(shù)模型聲場，預(yù)報結(jié)果如圖3所示。

通過圖3中負躍層單參數(shù)模型聲場數(shù)值預(yù)報結(jié)果可以看出，在淺海負躍層條件下，聲源、接收位置位于躍層上下的不同，聲傳播衰減相差會很大。下發(fā)下收時的聲傳播衰減最慢，上發(fā)下收或下發(fā)上收時的聲傳播衰減最快。

將負躍層海底單參數(shù)模型計算出的傳播衰減結(jié)果與相同環(huán)境下平滑平均聲場理論以及RAM算法數(shù)值計算結(jié)果進行比較，圖4(a)、4(b)、4(c)和4(d)分別為負躍層條件下，上發(fā)上收、上發(fā)下收、下發(fā)上收和下發(fā)下收時三種仿真模型傳播衰減計算結(jié)果比較圖。

從圖4可以看出，淺海負躍層條件下，完善后的單參數(shù)模型仿真結(jié)果與平滑平均聲場理論以及RAM算法計算結(jié)果符合很好，說明本文給出的負躍層單參數(shù)模型在仿真條件下可以很好地描述水下聲場。

4 負躍層單參數(shù)模型實驗驗證

4.1 實驗簡介

本文所用實驗數(shù)據(jù)來自2002年夏季青島海域的聲傳播實驗。實驗設(shè)備布置如圖5所示。傳播實驗海域海深為43.3 m，海底底質(zhì)為砂質(zhì)底中的細砂。海水聲速剖面如圖6所示。

實驗采用“科學(xué)一號”和“金星二號”雙船作業(yè)，科學(xué)一號船為接收船，到達第5站點處拋錨，船下掛16元垂直水聽器陣接收聲信號。垂直陣陣元間隔為2 m，覆蓋了從6.7~36.8 m深的大部分海域。金星二號船為發(fā)射船，直線航行過程中投放25 m深度爆炸的38 g信號彈，并記錄投彈時刻發(fā)射船與接收船之間的距離。

4.2 實驗數(shù)據(jù)驗證

利用實驗數(shù)據(jù)對負躍層單參數(shù)模型描述水下聲場的正確性進行驗證。實驗中，聲源爆炸深度為25 m，位于溫躍層下方。接收深度覆蓋躍層上下大部分海深范圍。

根據(jù)負躍層單參數(shù)模型計算水下聲場時，海底聲學(xué)參數(shù)選用Hamilton給出的大陸架和大陸坡沉積層細砂質(zhì)底時對應(yīng)的沉積物聲學(xué)參數(shù)，海底聲速為1759 m/s，海底密度為1.962 g/cm3，海底聲吸收系數(shù)為0.523，海底聲衰減隨頻率(kHz)呈一次方關(guān)系。利用式(19)計算得實驗海底單參數(shù)dB在200 Hz時值為0.36 dB/rad，在1000 Hz時值為2.71 dB/rad。傳播衰減實驗值采用1/3倍頻程平均，取16元垂直水聽器陣中分別位于躍層上方和下方的不同水聽器接收到的結(jié)果。圖7和圖8分別為中心頻率200 Hz和1000 Hz時負躍層條件下完善后的單參數(shù)模型計算的聲傳播衰減與實驗值的比較圖，從圖7和圖8可以看出，位于躍層下方的不同深度上的水聽器接收到的聲傳播衰減實驗值與理論預(yù)報結(jié)果符合較好，位于躍層上方的不同深度上的水聽器接收到的聲傳播衰減實驗值分布較為離散，但是其趨勢總是在單參數(shù)模型計算的理論預(yù)報結(jié)果附近均勻分布，從而驗證了本文推導(dǎo)的負躍層單參數(shù)模型描述水下聲場的正確性。

從圖7和圖8可以看出，位于躍層上和躍層下的水聽器接收到的聲傳播衰減實驗值與理論預(yù)報結(jié)果符合較好，從而驗證了本文推導(dǎo)的負躍層單參數(shù)模型描述水下聲場的正確性。

5 結(jié)論

本文基于平滑平均理論進行推導(dǎo)，得到了淺海負躍層條件單參數(shù)表示水下聲場的關(guān)系表達式。數(shù)值仿真和實驗數(shù)據(jù)驗證結(jié)果表明，改進后的單參數(shù)模型可以用于淺海負躍層條件下的水下聲場預(yù)報，擴展了單參數(shù)模型的應(yīng)用范圍，為單參數(shù)反演方法的設(shè)計提供了新的思路。

致謝：感謝中國科學(xué)院聲學(xué)研究所聲場聲信息重點實驗室為本文模型的驗證提供海上實驗數(shù)據(jù)。

[1] Chapman M F. What are we inverting for? in Inversion problems in underwater acoustics[M]. New York: Springer, 2011: 1-5.

[2] 楊坤德. 水聲陣列信號的匹配場處理[M]. 西安: 西北大學(xué)出版社, 2008: 2-5.

YANG kunde. Matched field process acoustic array signal[M]. Xi’an: Northwestern University Press, 2008: 2-5.

[3] Etter P C. Underwater acoustic modeling and simulation[M]. 3rd Edition, T & FG Spon Press, 2003.

[4] 汪德昭, 尚爾昌. 水聲學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1981: 175-261.

WANG Dezhao, SHANG Erchang. Underwater acoustics[M]. Beijing: Science Press, 1981: 175-261.

[5] 屈科, 胡長青, 趙梅. 淺海海底單參數(shù)快速反演模型研究[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2011, 31(2): 152-155.

QU Ke, HU Changqing, ZHAO Mei. Single parameter rapid inversion model of shallow water[J]. Technical Acoustics, 2011, 31(2): 152-155.

[6] 屈科, 胡長青, 趙梅. 利用傳播損失反演海底單參數(shù)[J]. 聲學(xué)學(xué)報, 2013, 38(4): 472-476.

QU Ke, HU Changqing, ZHAO Mei. Single parameter inversion using transmission loss in shallow water[J]. Acta Acustica, 2013, 38(4): 472-476.

[7] 屈科, 趙梅, 胡長青. 淺海海底特性及單參數(shù)反演研究[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2011, 30(3): 100-102.

QU Ke, ZHAO Mei, HU Changqing. Study on shallow water seabed characteristic and single parameter inversion[J]. Technical Acoustics, 2011, 30(3): 100-102.

[8] 趙梅, 胡長青, 屈科. 淺海海底單參數(shù)模型分析與研究[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2014, 33(6): 494-498.

ZHAO Mei, HU Changqing, QU Ke. Analysis of single parameter seabed model in shallow water[J]. Technical Acoustics, 2014, 33(6): 494-498.

Research on the single parameter seabed model for underwater acoustics field prediction in thermocline shallow water

ZHAO Mei1,2, HU Chang-qing1

(1. Shanghai Acoustic Laboratory, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200032, China;2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

The sound propagation in shallow wateris dominated by the seabed reflection properties. The slope of bottom loss versus grazing angledB(dB/radian) was proposed as the single parameter to describe the characteristics of sea bottom. Accordingly, asingle parameter seabed model was established. In this paper, further research on the single parameter seabed model is conducted. Through the improvement, this advanced single parameter model could be applied to predicting underwater acoustics field in thermocline condition. The improved model’s applicability to underwater acoustics field prediction in thermocline shallow water is proved by numerical simulation and experimental data.

single parameter seabed model; thermocline shallow water; acoustics field prediction

TB566

A

1000-3630(2015)-02-0103-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.02.001

2015-01-08;

2015-03-19

國家自然科學(xué)基金資助項目(11174323)。

趙梅(1984－), 女, 江蘇泰興人, 博士研究生, 研究方向為水聲技術(shù)。

趙梅, E-mail: zhaomei@mail.ioa.ac.cn