内刊访谈

[特别策划] 深海声道有效声速空间变化特征分析

发表时间:2019-08-15 15:53:22

文/王晋晋 林淘 梁国龙 王燕

 

  王晋晋:哈尔滨工程大学水声工程学院讲师、硕士生导师

  林淘:中国电子科技集团第二十八研究所

  梁国龙: 哈尔滨工程大学水声工程学院教授、博士生导师

  王燕: 哈尔滨工程大学水声工程学院教授、博士生导师

 

  提话:深海声道有效声速特性研究对深海水声测距、水声定位等具有重要的意义。本文研究了基于高斯波束本征声线搜索方法的有效声速估计方法,该方法通过射线跟踪、本征声线记录、有效声速计算等步骤可精确获得基于最早抵达准则下的有效声速估计。通过仿真得到有效声速及有效声速的空间物理图像,分析了不同声源位置下深海有效声速的空间分布特征。研究表明,不同声源位置下深海有效声速的空间分布存在显著差异。

 

  深海声道存在于全球的深海海域,因其具有十分良好的声传播特性而受到很大关注。与表面声道相比,深海声道不受季节影响,声道效应十分稳定[1]。利用深海声道良好的传播效应,可以有效地对目标进行测距和定位。基于时延信息的水声定位系统通过目标信号到达各接收基阵时间信息,将传播时间与声速相乘得到距离,从而确定目标的位置。因此获取深海声道中任意两点间的声速值具有重要意义[2][3]。

  国内外学者海洋声道中任意两点的声速展开了研究工作。Vincent在研究深海水声定位时,首次将海洋空间内任意两点间的声速定义为有效声速(Effective Sound Velocity,esv)[4-6],并对直达声所在区域的有效声速进行了估计。林旺生对浅海声道有效声速进行了研究,提出了基于本征声线视在搜索的有效声速估计方法并应用于长基线水声定位中,取得了较为明显的效果[7][8]。本文以深海声道的有效声速为研究对象,分析其空间变化特征及分布规律。

 

  深海声道
 

  深海声道由于受温度、压力、盐度等因素影响,深海声速随深度变化曲线呈一个具有极小值点的二次曲线形状,其声速极小值所在深度称为声道轴。在轴的上方声速增大的主要原因是海洋表面温度的升高,而在轴的下方声速增大的主要原因是海水静压力的增大。关于深海中海水声速变化的关系,比较通用的是Munk在1974年给出的深海声道“三层结构”的数学表达式,其数学表达式[9]:

   (1)

式中为声速极小值位置;B为波导宽度;为声速极小值;为偏离极小值的量级。

  声道轴随纬度升高而变浅,在大西洋中部,声道轴深度约1100-1400m;在地中海、黑海、日本海以及温太平洋中,声道轴位于100-300m;在两极,声道轴位于海表面附近;在我国南海,声道轴深度约为1100m左右。图1给出了典型深海声速分布图。


  图1 典型深海声速分布

 

  有效声速估计
 

 

  由射线声学理论可知,声波传播可用声线来表征,声线轨迹方程为:

      (2) 

 

  对于传播时间有:      (3)

  不妨设从声源坐标 接收点共有条本征声线,则第条本征声线有其对应的平均声传播速度,且有:     (4)
  一般地,将平均声传播速度定义为等效声速。则所有条本征声线的等效声速可构成集合S

                               (5)

 

  对于集合S中所有的本征声线,可按照某一确定条件,选取集合S中满足该条件的本征声线并将该本征声线对应的等效声速定义为有效声速(Effective Sound Velocity,ESV)[10]。在最早抵达条件下的有效声速为:

      (6)

  由上式可知,要获取准确的有效声速,需要搜索到所有声源到接收点的本征声线。由于简单的射线声学算法存在缺陷:在临界区、盲区以及阴影区的计算结果是和实际情况是存在一定偏差的,不符合现实情况。由于高斯波束方法对普通射线声学问题存在的临界区、焦散区等问题有较好的解决效果[11][12],且该方法计算复杂度低、处理速度快,本文选取高斯波束法对有效声速进行估计。

  计算有效声速首先要进行本征声线轨迹求解,求解本征声线轨迹的流程骤如图2所示。从图2可以看出,求解声线轨迹主要有初始化声线条件、射线追踪、本征声线记录等主要步骤。在上述步骤完成后,判断所有出射角是否遍历完成。若完成出射角遍历则结束,否则,返回步骤二,直至出射角遍历完成。下面对图2过程具体说明。


  图2 本征声线轨迹求解流程

  声线初始条件。即初始化参数。主要设定声速梯度、声源位置、接收点位置、声源发射角范围及发射角遍历步长等。

  射线跟踪。在初始条件确定后,进行射线跟踪,其过程如流程图3所示。


  图3射线追踪模块流程

  高斯束射线追踪的初始条件为:       (7)
  当声线在边界处(海底海面)发生发射时,有:   (8)
  求解声线轨迹利用的是式(2),本文中采用二阶Runge-Kutta法来对一阶常微分方程求解。对于二阶Runge-Kutta法,有如下理论:    (9)

       (10)

  上式中的W为一个自由参数,将式(2)代入上式之中得:

  上式中,其中的选取与默认声线步长、声速剖面结构和追踪范围边界值有关,默认声线追踪步长(表示海水深度)。

 

  本征声线记录:对步骤二计算得到的某一出射角的声线进行判断,判断该接收点处的虚拟水听器是否在步骤二计算得到的射线波束影响范围内。若在该射线波束影响范围内,则记录该射线的幅度、时延等信息,具体过程可见流程图4所示。


  图4 本征射线记录流程

  完成声线轨迹求解后,根据记录的本征声线时延,根据式(5)计即可算得到该本征声线对应的等效声速。再根据式(6),即可求解得到该声源位置下对应接收点位置的有效声速。

 

  仿真与分析
 

  仿真条件:以某海域夏季下午实测水文条件下的空间有效声速为例,水文条件见图5所示,从图5可以看出,该海域是典型的深海声道声速分布,声道轴深度为800-1200m。


图5 实测深海声速分布

  将声源分别靠近海面、声道轴及海底三个不同位置,探讨不同声源位置下有效声速空间变化的规律。

  1)当声源位于海面附近时,有效声速的空间分布如图6所示,其中a图是有效声速的空间分布物理图像,b图是固定深度下有效声速的切片图。


  (a)有效声速空间分布 (b)固定深度有效声速切片图

图6 声源靠近海面有效声速空间分布情况
 

  从图6中可以看出,当声源位置靠近海面且接收深度不变时,随着水平距离的不断增加,有效声速开始发生跃变,不同深度下有效声速出现跃变的位置不同,且跃变的幅度随着深度的增加而减小。在有效声速未发生跃变前,同一接收深度下,有效声速随着水平距离的增加而呈上扬趋势。

  2)当声源位于声道轴附近时,有效声速的空间分布如图7所示.


  (a)有效声速空间分布   (b)固定深度有效声速切片图  

图7 声源靠近声道轴有效声速空间分布情况
 

  从图7中可以看出,当声源靠近声道轴时,接收深度靠近声道轴及声道轴以下位置的有效声速性质较为稳定,变化范围较小,而接收深度在声道轴以上位置的有效声速随着水平距离的增加会发生明显的跃变,跃变的幅度较大。

  3)当声源位于海底附近时,有效声速的空间分布如图8所示.


  (a)有效声速空间分布 (b)固定深度有效声速切片图

图8 声源靠近海底有效声速空间分布情况
 

  从图8可以发现,当声源位于海底附近,有效声速随着水平距离的增加开始跃变,跃变点的位置随水平距离的变化呈倒斜坡状分布,在有效声速未发生跃变区域,有效声速随深度增加而递增。有效声速在第一次跃变前,在垂直方向上,有效声速随着深度的增加而减小。

 

  结论

  本文基于深海声道模型,研究了基于高斯波束的时延最短本征声线搜索方法,并通过该方法得到了最早抵达准则下的有效声速。研究了不同声源位置下有效声速的空间变化特征。通过研究发现:不同声源位置下深海有效声速的空间分布存在显著差异。当声源位置靠近时,在有效声速未发生跃变前,同一接收深度下,有效声速随着水平距离的增加而呈上扬趋势;当声源靠近声道轴时,有效声速的变化较为缓慢,有效声速发生跃变的空间区域相对较小;当声源位于海底附近时,跃变点的位置随水平距离的变化呈倒斜坡状分布,有效声速在第一次跃变前,垂直方向上的有效声速随着深度的增加而减小。深海声道有效声速空间分布的规律对深海水声测距、水声定位等具有重要的意义。

 

  参考文献

  [1]刘伯胜,雷家煜.水声学原理[M].哈尔滨工程大学出版社,2009,127-129.

  [2] Tan H P,Diamant R,Seah W K G,Waldmeyer M. A survey of techniques and challenges in underwater localization[J]. Ocean Engineering(s0029-8018),2011,38:1663-1676.

  [3]王燕,梁国龙.一种适用于长基线水声定位系统的声线修正方法[J].哈尔滨工程大学学报,2002,23(5):32-34.

  [4]Vincent H T, Hu S L J. Geodetic position estimation of underwater acoustic sensors [J]. J.Acoust.Soc.Am,1997,102(1):87-94.

  [5]Vincent H T.Models,algorithms and measurement for underwater acoustic positioning [D].Rhode Island University of Rhode Island,2001:1-5.

  [6] Wang,Jin-jin;Lin,Tao;Zhang,Guang-Pu;Fu,Jin.Research on the High-precision Acoustic Autonomous Navigation Technique of UUV Based on Sound Ray Revision. OTA2018,May 22-24,Beijing,China.

  [7]梁国龙,林旺生,王燕.水声信道计方法及空间特征分析[J].哈尔滨工程大学学报,2010:31(12):1587-1592.

  [8]梁国龙,林旺生,王燕.浅海信道有效声速估计及其在水声定位中的应用[J].声学技术,2012:31(1):42-47.

  [9]韩复兴,孙建国,王坤.深海声道对波场传播的影响[J].石油地球物理勘探.2014:49(3):445-449.

  [10]林旺生.基于矢量声场的水下被动探测与定位技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2013:86-89.

  [11]仇松林.基于高斯束法的水声信道仿真软件设计[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学.2013.

  [12]何心怡,王磊,陈菁等.基于高斯声束模型的快速声场计算方法[J]鱼雷技术,2016,24(2):105-109.