西太平洋遠距離聲傳播特性*

畢思昭 彭朝暉 王光旭 謝志敏 張靈珊

1)(中國科學院聲學研究所,聲場聲信息國家重點實驗室,北京 100190)

2)(中國科學院大學物理學院,北京 100190)

3)(海軍軍事海洋環境建設辦公室,北京 100081)

聲信號在海水中能夠傳播上千千米,遠距離聲傳播與近距離聲傳播的特性不同.本文利用西太平洋聲源與接收最遠距離近2000 km 的水聲實驗數據,對實驗海區的海洋環境信息、實驗使用的接收垂直陣信息進行處理,分析大洋完全聲道環境下,遠距離聲傳播能量衰減規律和多途到達結構特性.在遠距離傳播能量衰減規律方面,隨著傳播距離增大,海水吸收對聲能衰減的作用凸顯,海水吸收系數的選取對聲場能量預報的準確性至關重要.較低頻信號海水吸收較小,中心頻率100 Hz 的聲信號,傳播距離從1000-2000 km,傳播損失僅增大6 dB 左右.深海聲道遠距離聲傳播多途到達結構特性方面,實驗海區溫躍層聲速較高,使得到達接收點的本征聲線數目更多,多途到達結構更復雜,海面反射聲線形成的到達結構處在整體到達結構的靠前位置,且能量相對較強;受西北太平洋副熱帶模態水的影響,聲速剖面存在雙躍層結構,導致部分聲線到達接收點的時間較早,多途到達結構在時間軸上的長度延長.

1 引言

由于聲信號是海洋環境中唯一有效遠距離信息傳遞的載體,開展深海遠程聲傳播特性的實驗和理論研究,探清深海大洋環境下遠距離聲傳播的規律,對遠程水聲通信、遠程水聲導航等應用工作有重要的意義.

國外曾開展了一系列的深遠海實驗,如SLICE89[1],AET[2],ATOC[3],NPAL98[4],LOAPEX[5],PhilSea10[6]等,傳播距離達上千千米甚至上萬千米.2013 年,我國科研人員在西太平洋也成功開展了最遠傳播距離達1000 km 的遠距離聲傳播實驗[7].

針對遠距離聲傳播能量衰減規律的研究,Guthrie[8]根據大西洋遠距離聲傳播實驗獲取的聲傳播距離達2800 km 的傳播損失曲線,發現會聚區間距存在頻率依賴性.Beilis[9]運用射線-簡正波理論預報深海遠距離傳播中的會聚區位置,通過對傳播距離近1000 km 傳播損失的計算和分析,發現當聲速剖面在傳播路徑上緩慢變化時,會聚區的位置也隨之發生改變.Boyles[10]通過比較前3 個會聚區范圍內傳播損失的實測結果與拋物方程聲場模型計算結果,驗證了拋物方程模型的準確性.張仁和和何怡[11]提出的WKBZ 簡正波理論計算結果與實驗數據相比匹配良好,在分析深遠海聲傳播特性中具有精度高、計算速度快的優勢.秦繼興等[12]基于簡正波模型和射線理論對大陸坡造成的深海聲道軸附近聲能量較為集中的實驗現象給出了合理的物理解釋.

在遠距離聲傳播多途到達結構研究方面,Colosi 等[13]分析了 AET 實驗接收距離3252 km處聲信號多途到達結構,分析了內波對到接收信號早期到達結構的傳播時間、強度等影響.Van Uffelen[14,15]等發現內波會導致遠程聲傳播到達結構在深度上擴展進入幾何影區.Kim[16]通過實驗研究,結合二維拋物方程模型與三維耦合簡正波模型對海底山環境下的遠程聲傳播特性進行研究,發現海底山會顯著地改變聲信號的傳播損失和到達結構.韓梅和陸娟娟[17]對北太平洋水下脈沖聲信號傳播特性進行仿真,初步分析了聲源位于聲道軸深度時,不同距離、不同深度上的聲傳播特性.吳麗麗[18]利用西太平洋海域遠距離聲傳播實驗數據,分析了海底深層聲學結構對影區到達結構的影響.張燕[19]分析了傳播距離達200 km 的聲信號時域到達結構,并運用匹配場定位方法對聲源位置進行校準.候溫良等[20]基于南海深海實驗獲取的信號波形多途結構,結合仿真分析了與海底進行四次反射的波形.

綜上,針對遠距離聲傳播能量衰減規律以及深海聲道多途到達結構特性,還缺乏與實驗數據相結合的系統性的研究.本文利用2019 年西太平洋遠距離聲傳播的實驗數據,對實驗獲取的海洋環境數據進行精細處理,并且對實驗過程中接收垂直陣的位置、姿態等信息進行估計.在此基礎上,通過比較傳播損失實驗與仿真結果,總結遠距離聲傳播能量衰減規律,并對深海聲道遠距離聲傳播多途到達結構進行分析.

2 遠距離聲傳播實驗及實驗數據處理

2.1 實驗過程介紹

2019 年6 月,聲場聲信息國家重點實驗室在西太平洋進行了一次深海遠距離聲傳播實驗.實驗采用如圖1 所示的單船結合潛標的方式進行,接收潛標系統由28 個的自容式水聽器(USR)組成的垂直陣,USR 按照設計深度布防在128-6000 m 范圍內,接收靈敏度為-170 dB,信號采樣率為16 kHz.科考船分別在T1(500 km 站位),T2(1000 km 站位),T3(1500 km站位),T4(2000 km站 位)等4 個站位投放若干標定深度200 m 和1000 m 的寬帶爆炸聲源.科考船在航行過程中使用拋棄式溫度探 頭(expendable bathy thermograph,XBT)測量海水溫度剖面,沿航跡共投擲101 枚.

圖1 海上實驗示意圖Fig.1.Schematic diagram of sea experiment.

2.2 環境數據處理

遠距離傳播聲傳播實驗中,由于傳播距離遠,涉及海區范圍廣,現場獲取數據處理所需的實驗海區精確的環境數據難度極大,因此需要采取合理方法,處理、補齊所需海洋環境數據.

圖2 中藍色實線為2000 km 站位投放的一枚爆炸聲源聲信號傳播至接收潛標的路徑,黑色點為XBT 投放點,反映實驗船航跡.可以看到,實驗中測量XBT 數據的軌跡與聲傳播路徑不匹配.借助美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)發布的WOA(World Ocean Atlas)[21,22]數據庫數據,將XBT 測量得到的溫度數據與WOA 數據庫溫度數據進行同化處理,得到網格化溫度數據.

圖2 實驗海區WOA 數據點和實驗測量點分布圖Fig.2.Distribution diagram of WOA data and experimental measurement in the experimental sea area.

在同化溫度數據時采用最優插值數據同化算法[23].最優插值技術是將空間零散分布的觀測資料(XBT 測量數據)插值到規則網格點(WOA 數據)上,進而得到最優估值,即通過觀測值與背景值的線性組合來獲得分析值.最優插值法表達式為

其中,xa為最優插值得到的分析值,xb為背景值,即為補齊網格后的WOA 數據庫溫度數據.y為觀測值,即使用XBT 測量得到的溫度數據.H為映射矩陣,即將背景值映射得到觀測點處,得到觀測位置處的背景值,H一般取雙線性插值算子.K為分析誤差最小(統計意義上)權重矩陣:

其中,B矩陣是背景誤差協方差矩陣,D是背景值方差組成的對角線矩陣,C是背景值誤差的相關矩陣,R是觀測誤差協方差矩陣.

以上處理得到實驗海區網格化溫度數據,與WOA 數據庫內鹽度數據結合,計算得到實驗海區內,全海深、網格化的聲速剖面數據.圖3 為利用網格化的聲速剖面數據得到的500 km 站位最后一枚爆炸聲源聲信號傳播至接收垂直陣路徑上的聲速剖面變化情況.

圖3 500 km 站位聲傳播路徑上的聲速剖面變化Fig.3.Change of sound speed profile along sound propagation path of 500 km station.

由于實驗中聲傳播距離較遠,地球曲率不可忽略,引入地球曲率修正方法[24],對聲速剖面進行如下處理:

其中,z＇和c＇為實測數據處理后得到的海深和聲速,z和c為進行地球曲率修正后的海深和聲速,r為地球半徑,取6371 km.

由于條件限制,實驗中沒有獲取聲傳播路徑上的海底底質數據和海深數據.海底地形數據來自ETOPO1 數據庫[25],圖4 所示為500 km 站位最后一枚爆炸聲源聲信號傳播至接收垂直陣路徑上的海深.可以看到海水深度較大,結合處理得到的聲速剖面數據,判定實驗海區為大洋完全聲道環境.海底底質類型以及沉積層厚度分別從deck41數據庫[26]、GlobSed 數據庫[27]獲取.

圖4 500 km 站位聲傳播路徑上的海深變化Fig.4.Change of ocean depth along sound propagation path of 500 km station.

2.3 垂直陣信息處理

在此次深遠海聲學實驗中,實驗海區海深較深、海況較差,實驗設備布放難度大,接收垂直陣出現了位置偏移、姿態傾斜等情況,對后續精確聲學分析造成很大的困擾,必須加以修正.

本次實驗布放垂直陣時,采用垂直陣上方的信標和浮體先入水,然后水聽器等依次入水,最后吊放垂直陣最下方重塊入水的方式.實驗中只記錄了垂直陣重塊入水時的經緯度坐標.垂直陣最下方重塊從入水到坐底的過程中,垂直陣上層的浮體牽引重塊在水平方向上發生位移,導致記錄的重塊入水位置與真實的重塊坐底位置存在偏差.在聲源端,利用投彈機進行爆炸聲源的投放,同時記錄了每個爆炸聲源入水位置的經緯度.投彈時,投彈機內置程序已經將船行進對落水點的偏移進行修正.由于存在海流的微弱影響,爆炸聲源初入水時軌跡呈拋物線,隨后垂直入水至爆炸點,其水平偏移很小,海流的影響可以忽略.綜上,爆炸聲源與垂直陣之間的距離誤差是由于垂直陣真實位置與記錄的重塊落水位置存在偏差導致的.

垂直陣下方重塊做底后,因為實驗時段海流流速較大,垂直陣會發生向某方向的傾斜,其在垂直方向上垂直陣傾斜的角度和在水平方向上垂直陣傾斜的方向都隨時間不斷變化.圖5 中各條曲線為垂直陣上各個水聽器在實驗期間的深度變化情況,可以看到,較淺層的水聽器深度起伏較大,且與水聽器的設計深度有較大差異.

圖5 實驗期間各個水聽器深度隨時間變化情況Fig.5.Variation of the depth of hydrophones during the experiment.

根據實際測量的各個水聽器每個時刻的深度,得到各個水聽器在水體中的實際深度間隔,同時假設相鄰兩個水聽器之間的繩子是繃直狀態,進而根據三角關系來估計陣型.最下面水聽器與重塊之間的間隔極小,所以假定最下面的水聽器固定不動.

如圖6 所示,假設各個陣元之間的設計深度間隔為L1,L2,···,而測量得到的陣元在水體中的實際深度間隔為Z1,Z2,···,根據三角關系,計算得到陣元2 相對于陣元1 的水平偏移為Δs1=,陣元3 相對于陣元1 的水平偏移為Δs1+Δs2=,以此類推,可以計算出垂直陣上每個陣元的偏移情況,用Δs(n)表示.圖7 展示的是采用上述方法計算后,實驗過程中6 月8 日00:00:00、6 月12 日00:00:00、6 月16 日00:00:00 垂直陣的傾斜情況.可以看出,垂直陣傾斜明顯,最上層偏移可達1500 m 以上,且不同時刻垂直陣傾斜變化幅度較大.

圖6 陣型估計示意圖Fig.6.Schematic diagram of array geometry estimation.

圖7 陣型Fig.7.Array geometry.

上述方法可以獲取垂直陣在垂直方向上的傾斜信息,但是無法得到垂直陣在水平方向上的偏向信息.假設垂直陣在水平方向無偏向,爆炸聲源距離垂直陣較遠,接受處聲波可以認為是平面波.圖8 和圖9 分別表示的是爆炸聲源與垂直陣三維示意圖、爆炸聲源與接收垂直陣水平面投影示意圖,其中θ為垂直陣偏向到聲源來波方向的投影角,那么對垂直陣接收到的時域信號時延補償表示為

圖8 爆炸聲源與接收垂直陣三維示意圖Fig.8.3D schematic diagram of explosion sound source and receiver array.

圖9 爆炸聲源與接收垂直陣水平面投影示意圖Fig.9.Schematic diagram of the horizontal plane projection of the explosion sound source and receiving array.

其中,c0取1500 m/s.

上面分析可以知道,垂直陣的準確位置信息和偏向角度θ未知,為得到準確的實驗數據信息,便于之后的分析,以500 km 站位為例,利用匹配的方法來處理.

使用拋物方程聲場計算模型(RAM-PE)[28]仿真多途到達結構.聲場計算模型計算得到各個頻點的頻域聲壓,然后通過逆傅里葉變換得到頻域聲壓的時域波形.設s(t)為聲源信號,某一深度上水聽器接收到的信號可以表示為

其中,ω為角頻率,S(ω)為聲源的頻譜,P(r,ω,t)是海洋環境中從聲源到接收水聽器的傳輸函數.數值仿真采用2.2 節處理得到的環境數據,并沿傳播路徑更新聲速剖面,頻帶取100-200 Hz.對計算得到的波形取歸一化處理,并取包絡,之后設置閾值進行置零處理,提取出主要到達結構.同時對實驗接收到的聲信號進行相同的處理.圖10(a)展示了實驗中接收到的一段時域波形,圖10(b)是對接收到的波形取包絡后得到的結果,圖10(c)是設置閾值進行置零處理后提取出的主要到達結構的結果.因為實驗中是人工記錄爆炸時間,無法得到從聲源到垂直陣的準確傳播時間,所以,以下時間軸均為相對時間.

圖10 實驗接收信號的時域波形(a)實測接收到的時域波形;(b)取包絡后波形;(c)置零處理后波形Fig.10.Time domain waveform received in the experimental:(a)Time domain waveform by the experiment;(b)the waveform after the envelope;(c)the waveform after zero processing.

對實驗數據與仿真數據做匹配處理,匹配方法為

其中B為模糊表面,Ae(t,n)為截取的實驗數據經圖10 所示過程處理后,第n個水聽器t時刻的幅值,為截取的實驗數據處理后幅值的平均值,Ac(t,n)為仿真計算結果經圖10 所示過程處理后,第n個水聽器t時刻的幅值,為仿真計算結果處理后幅值的平均值.

傳播距離搜索范圍為未修正前記錄距離的前后10 km,偏向角度搜索范圍為0°-180°.記錄距離為481.5 km,496.5 km,513.7 km 的3 枚1000 m爆炸聲源的實驗數據匹配處理結果如圖11 所示.

圖11 匹配處理結果(a)記錄距離481.5 km;(b)記錄距離496.5 km;(c)記錄距離513.7 kmFig.11.Matching processing results:(a)Recording distance of 481.5 km;(b)recording distance of 496.5 km;(c)recording distance of 513.7 km.

從匹配結果可以出,估計的3 個爆炸聲源與垂直陣之間的距離分別為484 km,499 km 與516 km左右,即真實距離要比記錄的重塊入水處與聲源入水處的距離遠大約2.5 km,垂直陣的偏向與聲源來波方向的夾角約為45°.在海水中,垂直陣的偏向隨時間不斷變化,但在500 km 站位,實驗期間垂直陣偏向較為穩定,所以在后續分析中,該站位垂直陣偏向取45°.

經過以上處理,得到了接收垂直陣的位置、水中的姿態和偏向等較為準確的信息,計算得到爆炸聲源與垂直陣之間的實際傳播距離,并對垂直陣向某方向傾斜造成的不同深度水聽器之間接收到聲信號的相對時延進行補償.對垂直陣接收到的時域聲信號歸一化,并取對數[29],就可以得到實際傳播距離484 km(記錄傳播距離481.5 km)的1000 m爆炸聲源多途到達結構,圖12 為修正前后的比較圖.由于垂直陣各個水聽器實際深度較大,且最上方兩個水聽器存在故障,所以在海深682 m 以淺的水聽器沒有接收到聲信號,在圖中顯示為空白.可以看到,修正前后多途到達結構差異明顯.

圖12 垂直陣接收到的多途到達結構(a)修正前;(b)修正后Fig.12.Arrival structure received by the vertical line array:(a)Before correction;(b)after correction.

3 遠距離聲傳播特性分析

3.1 遠距離聲傳播能量衰減規律

在實驗數據處理過程中,將接收垂直陣水聽器接收到的聲信號記為y(t),對y(t)進行離散傅里葉變換得到聲信號的頻譜Yi,并在中心頻率的1/3 倍頻程內取平均,可以得到窄帶信號的平均能量為

其中f0為中心頻率,Fs為采樣率,nf1和nf2分別為頻率的下限和上限對應的頻點數.實驗獲得的聲傳播損失(transmission loss,TL)可以表示為

其中SL和b分別表示聲源級和水聽器的靈敏度級.

數值仿真使用RAM-PE 模型計算傳播損失.根據聲學互易原理,仿真中將聲源置于0 km 處不同水聽器所在的深度,接收在原爆炸聲源深度的不同距離處.

分析中最初選取的海水吸收系數α(dB/km)計算公式[30]為

其中頻率f的單位為kHz,且將(9)式記為公式a.圖13 為2000 km 站位,聲源深度200 m、接收深度1216 m(取此站位接收水聽器的平均深度)、中心頻率為100,300 和500 Hz,采用公式a 計算得到的傳播損失結果(藍色實線)與實驗結果(黑色點)的比較圖.從圖13 可以看出,計算結果與實驗結果差異極大,且聲信號頻率越高,差異就越大.當中心頻率為500 Hz 時,在2000 km 站位,采用計算公式a 計算得到的傳播損失與實驗結果差異可達35 dB.由于實驗區域為大洋完全聲道環境,海深較深且無較大起伏,海底對遠距離聲傳播的影響可以忽略.因此,推測實驗與理論計算結果的差異性是由于海水吸收系數計算公式選取與實際海水吸收損失不匹配導致的.

圖13 不同吸收損失計算公式下傳播損失實驗結果與仿真結果比較,中心頻率分別為(a)100 Hz;(b)300 Hz;(c)500 HzFig.13.Comparison of experimental data and simulation results of TLs calculation under different absorption loss calculation formulas,the center frequencies are(a)100 Hz,(b)300 Hz,(c)500 Hz,respectively.

另行選取海水吸收系數α(dB/km)計算公式[31]:

(10)式記為計算公式b.參數A的選取與海區有關.本次實驗海域,A取0.055[32].頻率f的單位為kHz.如圖13 所示,采用公式b 計算得到的傳播損失的結果(紅色實線)與實驗結果(黑色點)吻合良好,與根據計算公式a 的計算的結果(藍色實線)差異很大.同時可看到,傳播距離的前200 km,兩種吸收系數計算公式仿真得到的傳播損失曲線差異較小,而隨傳播距離增大,兩條曲線差異增大.因此,在遠距離聲傳播的能量預報中,要選取契合實驗海區的海水吸收系數公式,不恰當的選取可能會導致預報結果與實驗結果產生較大的偏差.

圖14 所示為500,1000,1500 和2000 km 站位不同頻率傳播損失實驗與仿真結果的比較圖,接收深度分別為1275,1293,1273 和1216 m(均取各站位接收水聽器的平均深度).可以看出,當傳播距離在500 km 以內時,不同頻率的傳播損失差異較小,而在500 km 以外,不同頻率間的傳播損失差異逐漸顯著,當傳播距離達到2000 km 時,不同頻率之間的傳播損失差異明顯.經(10)式計算,頻率為100 Hz 的聲信號傳播1000 km,海水吸收損失約為0.7 dB,頻率為300 Hz 時,海水吸收損失約為5.4 dB,而頻率為500 Hz 時,海水吸收損失約為12.3 dB.從實驗數據可看到,中心頻率為100 Hz的低頻聲信號,傳播距離從1000-2000 km,傳播損失僅增大約為6 dB.而對于較高頻聲信號,其頻率越高,海水吸收系數越大,且海水吸收損失會隨傳播距離的增大而線性累加,這是制約高頻信號在海水中遠距離傳播的主要原因.

圖14 不同頻率下傳播損失實驗數據與仿真計算比較,傳播距離分別為(a)500 km,(b)1000 km,(c)1500 km,(d)2000 kmFig.14.Comparison of experimental data and simulation results of TL calculations at different frequencies,the propagation distances are(a)500 km,(b)1000 km,(c)1500 km,(d)2000 km,respectively.

3.2 遠距離聲傳播多途到達結構分析

深海聲道具有良好的遠距離傳播性能,在大洋層析、遠程水聲導航等領域中有重要應用.本節分析大洋完全聲道環境下,深海遠距離聲道軸傳播多途到達結構特性,以500 km 站位為例,實驗中聲源深度為1000 m,位于聲道軸附近位置,頻帶取100-200 Hz.通過2.2 節的處理得到了500 km 站位最后一枚爆炸聲源聲信號傳播至接收垂直陣路徑上的平均聲速剖面和聲速起伏情況,如圖15 所示.可以看出,聲速剖面在傳播路徑上的變化主要集中聲道軸(1000 m)以淺,整體來看,聲速剖面起伏較小.

圖15 500 km 站位聲傳播路徑上的平均聲速剖面和聲速起伏情況Fig.15.Average sound velocity profile and sound velocity fluctuation on the sound propagation path at 500 km station.

圖16 為選取不同聲速剖面條件下,傳播距離484 km 仿真計算得到的多途到達結構.從圖16 可以看到,平均聲速剖面條件下,仿真計算結果與沿傳播路徑更新聲速剖面條件下得到的多途到達結構結果基本一致,只在部分細節上存在差異,并與圖12(b)所示的實驗結果吻合較好.所以對于傳播路徑上聲速起伏不大的情況,可以用平均聲速剖面代替沿傳播路徑更新的聲速剖面來進行遠距離傳播的多途到達結構的預報.

圖16 仿真多途到達結構比較(a)沿傳播路徑更新聲速剖面;(b)平均聲速剖面Fig.16.Comparison of simulation arrival structure:(a)Updated sound velocity profile along the propagation path;(b)average sound velocity profile.

垂直陣接收到的多途到達結構如圖17 所示,從圖17 可以看出,與劉伯勝和雷家煜[33]提到的深海聲道傳播中接收到的聲信號聲強逐步增大至最后尖銳截止的現象不同,實驗中接收到的多途到達結構在接收較早階段就出現了若干能量較強的條紋,即紅色方框內的條紋.紅色方框內的條紋之后,才符合能量從小到大,然后尖銳截止的規律.并且紅色方框內的條紋的交錯分布,與紅色方框之后條紋呈現出的數組雙“Λ”條紋疊加組合的規律不同.

由于海底對聲傳播的影響較小,所以推測是實驗海區的聲速剖面結構造成的圖17 所示特殊的多途到達結構.對3 種不同聲速剖面環境進行分析,如圖18 所示.實驗聲速剖面為500 km 站位最后一枚爆炸聲源聲信號傳播至接收垂直陣路徑上的平均聲速剖面,冬季聲速剖面為WOA 數據庫中獲取的1 月份在該傳播路徑上的平均聲速剖面(忽略表面聲道),類Munk 剖面為通過修改Munk 剖面參數[34]得到的,在聲道軸以下深度與實驗聲速剖面近似的聲速剖面.相比于冬季聲速剖面,實驗聲速剖面存在雙躍層現象,即約0-150 m 深度出現一個較小的躍層,這是因為實驗海區位于西北太平洋副熱帶模態水區域,該區域在夏季會出現一個深度約150-300 m 的暖水團,此暖水團打破了原有的聲速剖面結構.相比于類Munk 剖面,另外兩種剖面溫躍層聲速明顯偏高,即溫躍層溫度較高.

圖17 垂直陣接收到的多途到達結構Fig.17.Arrival structure received by the vertical array.

利用RAM-PE 仿真計算冬季聲速剖面與類Munk 剖面下傳播距離484 km 的多途到達結構,仿真環境參數與圖16 仿真所采用的環境參數相同,聲信號頻帶取100-200 Hz,具體結果如圖19所示.從圖19(a)可以看出,冬季聲速剖面仿真條件下多途到達結構與實驗獲取的多途到達結構類似,在多途到達結構的早期也出現了較強的條紋.對比圖17 與圖19(a)發現,實驗中獲取的多途到達結構在早期較強的結構之前,即相對到達時間的0.5-1.2 s 處,還存在幾條較暗的條紋.從圖19(b)可以看出,類Munk 剖面仿真得到的結果則符合典型的聲道軸傳播規律,但整體結構較為簡單,與實驗數據以及冬季聲速剖面仿真得到的結果差異很大.

利用射線方法分析多途到達結構,采用Bellhop 模型進行仿真.圖20-圖22 分別為圖18 所示3 種聲速剖面條件下射線方法仿真計算的結果,傳播距離為484 km,接收深度為1495 m.其中,圖20(a)、圖21(a)、圖22(a)所示為從聲源到接收點的本征聲線,圖20(b)、圖21(b)、圖22(b)為本征聲線的種類,圖20(c)、圖21(c)、圖22(c)為接收點接收到的多途到達結構,各個到達結構的顏色與圖20(b)、圖21(b)、圖22(b)中所示的不同類型的本征聲線相對應.

圖20(b)所示,在實驗聲速剖面環境下,從聲源到接收點,存在5 種本征聲線.綠色和粉紅色聲線分別代表發射掠射角朝向海面和發射掠射角朝向海底的海面反射聲線,這兩類聲線在與海面進行若干次反射后,到達接收點.紅色和藍色聲線即為發射掠射角朝向海面以及發射掠射角朝向海底,同時上反轉點深度位于水團位置的聲線,可以看到,這兩類聲線受到水團影響,在上反轉點位置附近,出現了橫向的拉長.黑色聲線為在水體內翻轉的聲線,且其上反轉點在水團位置下方,不受到水團的影響.而圖21(b)和圖22(b)所示的冬季聲速剖面環境與類Munk 剖面環境下,均只存在3 種類型的聲線,即綠色和粉紅色的海面反射聲線和在水體內反轉的黑色聲線.

圖20 實驗聲速剖面環境下1495 m 接收深度上本征聲線和多途到達結構(a)本征聲線;(b)五種類型的本征聲線;(c)仿真多途到達結構Fig.20.Eigenrays and multipath arrival structures at 1495 m reception depth in experimental sound speed profile environment:(a)Eigenrays;(b)five types of eigenrays;(c)simulation of multipath access structure.

圖21 冬季聲速剖面環境下1495 m 接收深度上本征聲線和多途到達結構(a)本征聲線;(b)三種類型的本征聲線;(c)仿真多途到達結構Fig.21.Eigenrays and multipath arrival structures at 1495 m reception depth in winter sound speed profile environment:(a)Eigenrays;(b)three types of eigenrays;(c)simulation of multipath access structure.

圖22 類Munk 剖面環境下1495 m 接收深度上本征聲線和多途到達結構(a)本征聲線;(b)三種類型的本征聲線;(c)仿真多途到達結構Fig.22.Eigenrays and multipath arrival structures at 1495 m reception depth in similar Munk sound speed profile environment:(a)Eigenrays;(b)three types of eigenrays;(c)simulation of multipath access structure.

對比圖21(c)與圖22(c)可以看出,冬季聲速剖面下仿真得到的多途到達結構接收到信號在時間軸上長度更長,到達聲線條數更多;海面反射聲線形成的到達結構與水體內反轉聲線形成的到達結構交錯,且相對于聲道軸附近傳播的聲線形成的、最后接收到的能量最強的到達結構,海面反射聲線形成的到達結構能量較強.這是因為,冬季聲速剖面比類Munk 剖面溫躍層的聲速更大,根據斯奈爾定律,聲源深度相同的情況下,掠射角絕對值更大的聲線可以在溫躍層內反轉然后傳播.因此在冬季聲速剖面環境下,到達接收點的聲線更多,到達結構更復雜,海面反射形成的到達結構與在水體內反轉的聲線形成的到達結構交錯.到達接收點的聲線一定程度上弱化了在聲道軸附近反轉的聲線的能量,所以海面反射聲線形成的到達結構能量相對較強.而類Munk 剖面仿真得到的結果中,兩類聲線形成的到達結構則在時間軸上分開.整體的到達結構更為規整.實驗聲速剖面與冬季聲速剖面的溫躍層結構近似,溫躍層聲速較高導致的多途到達結構規律也近似.

同時對比圖20(c)與圖21(c)可以看到,實驗聲速剖面仿真得到的多途到達結構中包括紅色和藍色兩類被西北太平洋副熱帶模態水影響的聲線形成的到達結構.這兩種聲線到達時間比海面反射聲線(綠色和粉紅色)到達時間更早,并且發射掠射角絕對值越大,到達越晚,因為發射掠射角絕對值越大的聲線,傳播路徑就會受到水團上部聲速較小區域的影響較大,在該深度水平位移較大,所以到達時間偏晚,這一規律與黑色聲線的特征正好相反.

通過綜合分析其他接收深度的多途到達結構,在圖23 中對實驗中接收到的傳播距離484 km 多途到達結構海面反射聲線,以及受水團影響的聲線形成的條紋進行標注.紅色標注的條紋為發射掠射角朝向海面的海面反射聲線形成的,黃色標注的條紋是發射掠射角朝向海底的海面反射聲線形成的,綠色條紋為受到水團影響形成的,其能量較弱.在這3 類被標注的條紋之后,是在水體內反轉且上反轉點在水團之下形成的聲線形成的條紋.

圖23 垂直陣接收到的到達結構Fig.23.Arrival structure received by the vertical line array.

4 總結

本文結合2019 年西太平洋遠距離聲傳播實驗數據,克服遠距離聲傳播實驗中,傳播距離遠,涉及海區范圍廣,同步獲取的環境數據存在稀疏或缺失,接收垂直陣的精確位置、水中的姿態和偏向信息缺乏等困難,對大洋完全聲道環境下遠距離聲傳播特性進行研究,得到的主要結論如下:

1)當傳播距離達到上千千米量級時,海水吸收將成為影響傳播損失的重要因素.在聲場能量預報中應選擇與實驗海區相對應的海水吸收系數,如果海水吸收系數選擇不當,會在遠距離聲傳播能量預報中會造成較大的誤差.對較低頻聲信號,海水吸收損失較小,隨著傳播距離增大,傳播損失增大的幅度緩慢,傳播距離從1000-2000 km,中心頻率為100 Hz 聲波傳播損失增大約6 dB.而對于高頻聲信號,海水吸收是制約其遠距離傳播的主要因素

2)實驗海區聲速剖面具有雙躍層結構,且溫躍層聲速較高.這種特殊的聲速剖面是深海聲道遠距離傳播多途到達結構特征的主要影響因素.實驗海區溫躍層聲速較高,使得到達實驗接收點的本征聲線更多,多途到達結構更復雜;海面反射聲線形成的到達結構與在水體內反轉聲線形成的到達結構交錯,處在整體到達結構的前端,且能量相對較強.西北太平洋模態水影響上反轉點深度在水團位置的聲線,使得實驗中接收點更早接收到聲信號,并且使多途到達結構在時間軸上的長度更大.

感謝參加 2019 年西太綜合調查實驗的全體工作人員,他們的辛勤工作為本文提供了可靠寶貴的實驗數據.