水下声源定位理论与技术
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2.4 典型声传播模式分析

浅海水平海底环境研究已经比较成熟,本节分析浅海大陆坡海域及过渡海域(大陆架斜坡)的声传播特性。在深海,由于汇聚区模式已广泛应用于深海声呐系统,对其特性的认识非常全面,本节也不再研究该传播模式,而是针对海底反射、表面波导、表面波导泄漏和可靠声路径这四种声传播模式做深层次的分析,以进一步阐述典型声传播模式的研究意义。

2.4.1 大陆坡及大陆架斜坡传播模式

世界范围内普遍存在大陆架和大陆架斜坡的地形,声波在大陆架斜坡海域中存在两种传播形式:一种是从浅海向深海的传播,另一种是与之对应地从深海向浅海的传播。这两种传播在水声学中都是十分重要的问题。在本节中,将重点对这两种方式下的声传播进行研究,观察大陆架斜坡海域处声源频率、深度及接收水听器深度对传播损失的影响。

1.大陆坡声传播

图2-10为大陆架下坡典型声传播的传播损失,平均海深SD约130m;图2-11为大陆架上坡典型声传播的传播损失,海底地形有一定起伏变化,海深约 100m。声场计算模型为抛物方程模型,海底参数如下:声速c=1600m/s,海水密度ρ=1.6g/cm3 ,衰减系数α=0.2dB/λ。这种小坡度的地形变化对声场分布的影响较小,声能量在全海深范围内的分布比较均匀。随着频率升高,海底反射损失和海水吸收衰减增加,传播损失增加。

图2-10 大陆架下坡典型声传播损失

图2-11 大陆架上坡典型声传播损失

2.大陆架斜坡声传播

大陆架声传播存在两种效应:一种是“斜坡增强效应”,它是由 Northrop 等科学家发现的,他们在美国加利福尼亚海域进行实验时,发现在大陆架斜坡海域处声能量经过斜坡的多次反射可以传播至深海声道轴并沿声道轴向远处传播。而且相比于平坦海底下的声传播,这种在大陆架斜坡海域传播的声能量损失较小。后来,Dosso和Chapman在实验中对该现象进行进一步的验证。另一种是“泥流效应”,它是由Tappert等人发现的,他们在夏威夷瓦胡岛附近海域进行真实海洋环境数值仿真时,通过实验仿真发现当声源位于斜坡上方浅海的海底时,声波可以沿着斜坡如泥流般向下传播到深海声道轴,进而可以实现远距离传播。

1)下坡形

仿真过程中采用如图2-12所示的Munk理想声速剖面,以及大陆架下坡海底地形参数。根据海试中采用的爆炸弹声源的规格,以及声源位置处的海深,仿真中声源深度分别取7m、50m、100m,对应声源频率取100Hz、500Hz、1000Hz(海底参数c=1600m/s,ρ=1.25g/cm3α=0.5dB/λ)。

图2-12 Munk声速剖面及大陆架形海域地形图

选取声源深度为 100m、声源频率为 500Hz 时,声波沿大陆架下坡地形进行远距离传播的声场图进行观察,如图2-13所示。其地形图是对图2-12中地形进行的远距离扩展。

图2-13 大陆架下坡形声场图

从图2-13中,可以明显地观察到上述两种斜坡传播效应,即斜坡增强效应和泥流效应。我们可以看到,声波从浅海传播到斜坡处并沿着斜坡向下传播至声道轴附近后,以深海声道轴声传播形式实现远距离传播且没有明显较大的传播损失。在斜坡上有一些小的突起,在突起地形处可观察到声线会有明显的反射,但对于实现远距离传播无明显的影响。

为观察声源频率对大陆架下坡地形声传播的影响,仿真过程中取固定的声源深度为100m,声源频率分别取50Hz、500Hz、1000Hz,水听器深度(也称为接收器深度)取为100m。接下来将重点针对斜坡处的声传播进行仿真。由图2-14可看出,将声源置于斜坡上端,声波传播经过斜坡时,随着斜坡的出现,传播损失急剧增大,将近有40~60dB的声传播损失。随着声源频率的增大,传播损失也越来越大,图2-14中声源频率在500Hz内时,低频声源信号之间的衰减相差不多。

斜坡的上端为浅海海域,仿真中取声源深度分别为7m、50m、100m,声源频率固定为500Hz,接收器深度为100m。从图2-15可观察到,声波沿着大陆架下坡传播,可观察到明显的泥流效应,声源位于浅海海底时产生的声波可以沿着斜坡向下传播至深海声道轴处,并且可以利用深海声道轴传播的形式实现远距离传播。因为声源处于浅海位置,不同声源深度相差不大,所以传播损失的差别不大。斜坡上的突起会使声线反射,能量有小幅度的增大,然后大幅度下降。

图2-14 不同声源频率对声传播的影响

图2-15 不同声源深度对声传播的影响

当接收器深度小于声源处的海深时,水听器接收到的声波能量主要集中在距离声源20km范围内的浅海处。在此选择40km之后的传播损失进行研究,即斜坡处的声能量,并与海表面声信道传播进行对比。从图2-16可以看出,当接收器深度在声道轴附近时声传播损失较小,同时也验证了本书前面所讲的斜坡增强效应。

图2-16 不同接收器深度对声传播的影响

2)上坡形

前面对大陆架下坡形的声传播进行了详细的研究,在本小节中将重点研究大陆架上坡形的声传播。大陆架上坡形声速剖面及地形如图2-17所示。在此,选用的地形参数与下坡形相同,将信号发射器与接收水听器的位置互换进行仿真研究。仿真时,对声速剖面依然采用Munk理想声速剖面。另外,取固定的海底底质参数值。

根据海试中采用的爆炸弹声源的规格及声源位置处的海深,仿真中声源深度分别取为7m、50m、300m、1300m,声源频率取100Hz、500Hz、1000Hz,接收器深度100m,仿真结果如图2-18所示。可以看出,声波沿着斜坡向上传播时会导致较大的传播损失。声源频率越高,传播损失越大,传播距离越近,能沿着斜坡向上传播到坡顶的声能量越少。

图2-17 大陆架上坡形声速剖面及地形

仿真中选用声源频率为500Hz,而声源深度的选择主要依据海表面声传播、水下目标的活动范围、深海声道轴传播及斜坡底部的声传播来选择,在此处分别取7m、300m、1300m、2000m,接收器深度取100m,仿真结果如图2-19所示。可观察到,声源越靠近海面,声波沿斜坡向上坡传播的距离越短,传播到坡顶浅海区域的能量越少;当声源位于声道轴的附近时,能传播至坡顶浅海区域并进行较远距离传播;当声源位于大陆架底端时,传播损失较小,且声波可以传播到坡顶浅海区域。

从以上研究结论中可知,声源位于声道轴的附近时,声波可以沿着斜坡向上传播至坡顶的能量最大。在此处选取声源深度为1300m的声传播来进行仿真研究,接收器深度分别选取海面表层和浅海海底附近,如图2-20所示。从图中可以看出,当接收器深度分别在海面表层和浅海海底附近时,接收器深度对声传播损失的影响不大。因坡顶位置处于浅海,当接收阵位于坡顶浅海区域时,不同的接收器深度相差不大,传播损失也相差不大。

另外,除了比较特殊的声道轴声传播,在此处我们也选取了声源深度在海面表层处15m的声传播进行研究,结果如图2-21所示。可以看出,水听器位于海面表层时,不同的接收器深度处声波的传播损失相差不大。

3)大陆架上坡形和下坡形声传播的特点分析(见图2-22)

在实战中,海底斜坡形地形对军事战略影响至关重要。中国周边海域大多是浅海,通常我军作战时必将经过浅海海域而驶向远海。在本小节中,主要针对敌、我分别位于大陆架坡上、下的位置时声传播的情况进行仿真研究。

图2-18 不同声源频率对声传播的影响

图2-19 不同声源深度对声传播的影响

图2-20 接收器深度对声传播的影响

图2-20 接收器深度对声传播的影响(续)

图2-21 海面表层声传播

图2-22 上坡形与下坡形声传播对比

经过对比可以看出,从坡顶发射的声波容易传播到坡底,而沿坡底上坡传播的声波很难传播到坡顶。也就是说,在我军潜艇经由浅海区域驶向远海而敌军从大陆架后深海区域驶向我国领土时,我军易被敌军发现但无法及时发现敌军。这种现象对于我国潜艇作战十分不利,当我方在坡顶,而敌方在坡底时就好比“敌暗我明”。

2.4.2 海底反射模式

海底特性对海底反射信号的影响已经被广泛研究,海底越“软”,海底反射损失越大,海底反射信号的能量越弱。声呐海底反射模式的探测距离不仅与海底特性有关,也与海深有密切关系。采用如图2-23所示的仿真环境,海底为中等硬度的海底,忽略海面反射波,采用射线模型计算,在1200Hz声源频率下,声源深度为20m,出射角范围为5°~90°(水平方向为0°,顺时针为正),声传播损失如图2-24所示。可以看出海深较浅时,虽然一次海底反射能量的覆盖距离近,但是其传播损失较低。例如,海深为2000m时,覆盖范围为19km以内,但是声传播损失在83dB以下,非常利于声呐探测;当海深为6000m时,虽然覆盖范围达到55km,但由于几何扩展损失较大,声传播损失大部分都在92dB以上,非常不利于声呐工作。当海深为4000m、5000m和6000m时,海底反射信号在几何影区中间位置时的声传播损失最小,这是因为此时信号在海底处的掠射角在临界角附近,海底反射损失小,并且此时几何扩展损失也较小。如图2-24(f)所示,当接收器深度为200m时,若设定声呐海底反射模式的优质因数要求单程传播损失在90dB以下,则海深为5000m时,仅有 26km 附近的目标可以探测到。因而,海底反射模式探测和定位目标时,信噪比一般是比较低的,因而研究基于海底反射信号,低信噪比下的目标定位算法非常重要。本书在第5章中提出了一种定位方法,适用于低信噪比环境。

图2-23 存在海底反射时的仿真环境

水体中的声速剖面如黑色曲线所示,水平直线代表不同的海深下所截取声速剖面的位置,例如,红色实线以上的黑色曲线为3000m海深条件下的声速剖面。所有海深条件下海底均假设为半空间,声学参数如图中基底层所示。

图2-24 不同海深条件下,忽略海面反射时的声传播损失(声源频率为1200Hz,声源深度为20m)

图2-24 不同海深条件下,忽略海面反射时的声传播损失(声源频率为1200Hz,声源深度为20m)(续)

2.4.3 表面波导模式和泄漏模式

声速剖面在表面波导中为正梯度,因此,在该层中传播的声线,在满足一定的频率和出射角度的条件下,将被限制在该层中传播。如图2-25所示给出了两个相似的仿真环境,唯一的区别在于蓝色实线所示的声速剖面存在厚度为40m的表面波导。沉积层和基底层声学参数的设计使水体中不存在海底反射信号,便于观察表面波导及其泄漏能量。声源深度为20m,频率为700Hz和1200Hz时的声场如图2-26所示。声场采用抛物方程模型RAM程序计算。当不存在表面波导时,声能迅速向下弯折,几何影区明显,在 200m 深度上,当距离超过3km后,传播损失超过110dB。当频率变化时,几何影区基本相同。当存在表面波导时,除了表面波导内声能较强,几何影区内也被表面波导的泄漏能量“照亮”。700Hz时表面波导内声能的衰减速度明显高于1200Hz时的情况,因此在30km处,频率为700Hz时的传播损失约为110dB,而频率为1200Hz的传播损失仅为80dB。几何影区内的声强同样与频率密切相关,频率为700Hz时的传播损失在10km内小于1200Hz时的传播损失,但随着距离增加,频率为1200Hz时声能衰减较慢,其传播损失在12km外小于700Hz时的传播损失。为进一步说明频率对表面波导声传播的影响,图 2-27 给出了频率为 400Hz和1600Hz时的声传播损失。频率为400Hz时7km内泄漏至几何影区的声能较强,但声能随距离增加迅速衰减,因此可“照亮”的几何影区范围较小;1600Hz时,虽然表面波导内的声能较强,但其泄漏的能量较少,且影区的能量随距离是周期变化的,因而几何影区内的传播损失总体上要高于频率为1200Hz时的情况。当频率为1200Hz和1600Hz时,表面波导内的能量衰减较慢,称为能量陷获。经典截止频率给出了一个频率界限,高于该值时,能量被表面波导陷获,声能衰减慢;低于该值时,能量在表面波导中衰减较快,衰减的能量泄漏进入几何声影区。Labianca[79]给出了表面波导内不同模态的经典截止频率公式为

式中, fc,m为第 m 阶模态的经典截止频率,g 为表面波导声速梯度, c0为海表面声速,H为表面波导厚度。当g为0.0167s-1、c0为1540m/s、H为40m时, fc,1为736Hz, fc,2为1717Hz。 fc,1为一般使用的表面波导经典截止频率。

图2-25 无海底反射的仿真环境

蓝色实线和黑色虚线分别为表面波导厚度为40m和0m时的声速剖面,其0~100m的声速如图中的小图所示。沉积层和基底层声速均为水体-沉积层界面处水体声速,密度为1.0g/cm3。这种声学参数的设定使海底形成声波透射环境,而沉积层中衰减系数的逐渐增加则将透射的声波逐渐吸收。

模拟水下航行器接收表面波导内声源信号的情况,图2-28为接收器深度200m时在不同表面波导厚度、不同声源深度、不同频率条件下的声传播损失。图中黑色水平直线为第一或第二模态经典截止频率。在3km以内,由于直达波的贡献,声传播损失较小;在3km以外的距离-频率平面内,由于表面波导声能量的泄漏,形成一个“舌形区域”,该区域内声能连续变化,且传播损失较小。当表面波导厚度为40m时,水平距离为8km,假设各个频点声源级相同,则接收到的信号在 600~1200Hz 时声传播损失约 85dB,非常利于声呐探测。同样条件下,波导厚度为80m时,信号在170~380Hz时传播损失较小,约为82dB。因此,在不同表面波导厚度下,泄漏能量的主导频率不同,大致为2/3fc,1~(fc,1+fc,2)/2。这个频率范围可为声呐利用表面波导泄漏能量探测目标提供指导。

从图2-26和图2-28的仿真可以看出:

(1)对应一个表面波导厚度,存在一个泄漏临界频率。低于该频率时,声影区内的能量随距离线性地减小。例如,表面波导厚度为 40m时,泄漏临界频率约为 1200Hz。影区能量随距离线性衰减的速度可以用衰减系数表示,其与频率和表面波导厚度的关系将在第3章中给出。

图2-26 有无表面波导的声传播对比

图2-27 表面波导厚度为40m时,不同频率下的声传播损失

图2-28 表面波导泄漏能量时的声传播损失,接收器深度为200m

(2)表面波导内不同模态的经典截止频率计算公式(2-44)只包含了表面波导的特征参数,并没有体现出声源深度对声传播的影响。由于船载声呐、主/被动声呐浮标和吊放声呐在近海面工作,当表面波导存在时,其工作深度将严重影响声呐的性能。在第3章中,推导了考虑声源深度的截止频率表达式,给出了主动声呐布放深度的建议值。

2.4.4 可靠声路径

可靠声路径的“可靠性”主要体现在以下两个方面:①该声道下直达波能量较强且噪声级较低;②声速起伏和界面散射对其声传播影响较小。第一个方面主要要求有深度余量,即要求存在临界深度。第二个方面则主要是因为传播至海底附近的直达波在经过海洋上层时掠射角较大。根据斯涅尔定律,声线掠射角大时,声速起伏对其折射角的相对影响较小。针对第一个方面,2.3.6节给出了临界深度的时空分布,说明了出现临界深度的海域分布随季节变化不大;针对第二个方面,本节将仿真内波和锋面对可靠声路径声传播的影响。需要说明的是,海深较浅时,虽然不存在临界深度,但是将声呐系统放置在靠近海底时,接收到的直达波具有上述的第二个特性,因此也被称为可靠声路径。并且,此时几何扩展损失小,可靠声路径的能量更强。

海洋声速起伏主要为受内波、锋面和涡旋等引起的海洋上层海水的声速起伏。内波是一种重要的海水运动,它将海洋上层的能量传至深层,又把深层较冷的海水带到较暖的浅层。内波导致等密度面的波动,使声速的大小和方向均发生改变,对声呐的影响极大,有利于潜艇在水下的隐蔽;对海上设施也有破坏作用。内波可以分为线性内波和非线性内波(孤子内波)。前者普遍存在于深海,而后者主要出现在大陆架海域。图2-29给出线性内波对声速剖面的影响。平均声速剖面如图2-25中蓝色实线所示。假设声源深度为300m,频率为50Hz,放置在图2-29所示的0km处,然后将声速剖面随距离的变化每隔200m输入RAM 模型,计算得到有内波时的声传播损失。利用随距离不变的平均声速剖面计算不存在内波时的传播损失。图2-30为线性内波对声传播的影响,即有无内波时的声传播损失对比,是在声源深度为 300m、频率为50Hz 条件下测得的。图 2-30(a)和图2-30(b)分别为有无内波时的传播损失。线性内波对汇聚区的影响非常大,图2-30(a)中汇聚区的声场结构被内波打乱;而大出射角的声场结构基本不变,因而内波对可靠声路径的影响较小。图2-30(c)、图2-30(d)是接收器深度分别为 500m 和 4200m时的声传播损失对比。图2-30(c)中37km 之后的两条声传播损失曲线差别最大可达 10dB。线性内波对 0~25km接近海底的声场的影响非常小,图2-30(d)中显示两条声传播损失曲线的差别不超过3dB(不包括一些奇异点)。这进一步说明了线性内波对可靠声路径的影响较小。

图2-29 线性内波引起的声速剖面起伏

图2-30 线性内波对声传播的影响(海深为5000m,声源深度为300m,频率为50Hz)

海洋中的锋面就是冷水团和热水团的交界面,或者称为过渡带,声速剖面会在锋面处发生剧烈变化。图 2-31 给出了仿真采用的声速剖面——锋面内侧和外侧声速剖面,10km以内声速剖面由红色实线给出,表示暖水团,10km 以外声速剖面由黑色实线给出,表示冷水团。图 2-32 给出了锋面对声传播的影响,海深为 500m,声源深度为 300m,频率为50Hz。与图 2-30 不同,锋面总体上对深海声传播的影响较小,主要改变了声汇聚区处的能量分布,对可靠声路径范围内的能量影响非常小。

图2-31 锋面内侧和外侧声速剖面

10km以内的声速剖面由红色实线给出,表示暖水团,10km以外的声速剖面由黑色实线给出,表示冷水团。

图2-32 锋面对声传播的影响(海深为5000m,声源深度为300m,频率为50Hz)

将声呐布放在近海底附近,水下近海面目标进入可靠声路径范围后,传播损失约为80dB,目标频率175Hz,声源级约110dB,阵增益为15dB,时间增益为5dB,5km深度处的噪声级约50dB,则阵列输出的信噪比为0dB,可满足被动声呐系统对信噪比的要求。因此,可靠声路径在最近几年成为水声工程的研究热点,将固定或移动的声呐系统布放在海底,可以实现“海底卫星”的功能,具有广泛的应用前景。但是中国关于可靠声路径的理论和实验研究非常稀少,本书从研究可靠声路径声传播的物理机理出发,提出了多种声源的被动定位方法,适用于低信噪比情况。

2.4.5 海底反射与表面波导泄漏能量对比

在2.4.2节和2.4.3节中分别分析了海底反射信号和表面波导泄漏能量的大小,现在通过仿真和实验数据进一步对比分析两者的能量。采用图2-25所示的仿真环境,将表面波导厚度设定为80m,声源深度为40m,接收器深度为200m,频率为300Hz,计算表面波导泄漏的能量;然后采用 2.4.2 节的方法计算海底反射信号的能量;之后将两种信号的能量叠加得到总的声场,结果如图2-33所示。从图2-28(b)可以看出,频率为300Hz时,泄漏的能量较强,因此如图2-33所示,16km以内的信号能量主要为表面波导泄漏的能量;随着距离的增加,表面波导泄漏能量迅速衰减,海底反射信号成为主要能量;至50km附近,出现了第一汇聚区,总声场能量较高。该仿真结果进一步说明了,表面波导泄漏能量适用于近距离,且对声频率有一定要求。

图2-33 表面波导厚度为80m、声源深度为40m、接收器深度为200m、频率为300Hz条件下,不同声传播模态的能量对比

下面通过一次实验数据对比两种传播模式的传播损失。2014年8月,课题组在中国南海开展了一次水声实验。实验示意如图 2-34(a)所示,水深为 4000m,海底为泥沙类。16阵元的自容式水听器阵用于记录50m深的爆炸信号。阵列顶部水听器距离海面100m。使用CTD测量了1200m以浅的声速剖面,以深的声速剖面按照0.0167m/s的梯度外插得到,结果如图2-34(b)所示,表面波导的厚度为72m。图2-35分析对比了一次海底反射信号和表面波导泄漏信号的能量大小随距离和频率的分布。这里的一次海底反射信号仅包含与海底接触的传播路径,不包括海底—海面、海面—海底等与海面接触的传播路径。图2-35(a)为 100m 深度的自容式水听器记录的信号波形,可以看到表面波导泄漏信号和一次海底反射信号。图2-35(b)为从图2-35(a)中截取出的一次海底反射信号的传播损失,可以看出存在最优探测距离为12.5~15.5km,此时传播损失最小。图2-24的仿真结果也说明海底反射存在最优探测距离,但4000m海深时,仿真结果的最优探测距离为19km左右。仿真与实验最优探测距离的差异可能是由于海底底质的差异:实验时的海底底质偏硬,从而临界角较大,最优探测距离出现的时间较早。

图2-34 海上实验的相关信息

图2-35(c)为从图2-35(a)图中截取出的泄漏信号的传播损失,可以看出频率为150~550Hz、距离为11km以下时,传播损失较小,约为92dB。依据2.4.3节的仿真分析可知,8km以内的泄漏信号的能量更强,传播损失更小。此外,2.4.3节也给出了泄漏信号的主导频率(低传播损失频率)范围为2/3fc,1~(fc,1+fc,2)/2,按照72m的表面波导厚度计算,结果为200~510Hz,与实验结果大致相符。需要指出的是,泄漏信号的传播损失与声源深度密切相关,一般声源在表面波导中间深度时,传播损失最低。本实验的炸弹深度为50m,因此,泄漏信号的传播损失略高于最优声源深度下的值。

图2-35 海上实验数据处理结果

图2-35 海上实验数据处理结果(续)

图2-35(d)为一次海底反射信号能量减去表面波导泄漏信号能量的结果,单位为dB。可以看出,在近距离低频条件下,泄漏信号的能量强于一次海底反射信号的能量,而随着距离的增加和频率升高,泄漏信号的能量迅速衰减,低于一次海底反射信号的能量。因此,泄漏信号更适用于近距离、低频条件;而一次海底反射信号适用于中等距离条件。