基于可靠聲路徑的深海聲場垂直相關(guān)性研究

邱春燏，陳羽，馬樹青，孟洲

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基于可靠聲路徑的深海聲場垂直相關(guān)性研究

邱春燏，陳羽，馬樹青，孟洲

(國防科技大學氣象海洋學院，湖南長沙 410073)

可靠聲路徑(Reliable Acoustic Path, RAP)是深海中的一種重要聲信道，在總結(jié)可靠聲路徑物理機理及探測優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，采用射線模型分析了RAP聲信道內(nèi)水聽器接收聲線的結(jié)構(gòu)特性，計算了32基元垂直線列陣接收信號的相關(guān)性隨聲源距離的變化，仿真結(jié)果顯示在中程探測距離內(nèi)信號垂直相關(guān)性將出現(xiàn)衰落。結(jié)合這一現(xiàn)象深入探究了多途效應(yīng)對聲場垂直相關(guān)性的影響，揭示了多途傳播中能量較強的波在不同基元上的到達時間差是影響垂直相關(guān)性的最主要因素，最后利用以上分析對RAP聲信道內(nèi)垂直陣列的布放、設(shè)計及增益分析提出了建議。

垂直相關(guān)性；可靠聲路徑；射線理論；深海

0 引言

可靠聲路徑(Reliable Acoustic Path, RAP)是深海中的一種特殊聲信道，其形成條件是聲源或接收器放置在聲速值高于海面附近最大聲速的近海底位置。實際深海中聲源大多為淺源，故本文著重對垂直陣布于近海底位置的情況進行仿真研究。在RAP聲信道中，聲傳播受海面海底影響較小，傳輸損耗和噪聲級很低，聲傳播存在一定特點。它的應(yīng)用始于美國建立的深海海嘯災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)，為美國國家海洋和大氣管理局對海嘯提供遠程監(jiān)測；隨著技術(shù)發(fā)展，安靜型潛艇對海上平臺造成了極大的不對等威脅，認識到RAP的優(yōu)點后，美國國防部先進研究項目局啟動了基于可靠聲路徑的分布式潛艇獵捕系統(tǒng)研究；2009～2011年美國在菲律賓海相關(guān)海域布放了全深度分布式垂直線列陣，并先后組織了兩次實驗，將可靠聲路徑的聲傳播作為實驗研究的一個重要部分[1]。國內(nèi)基于RAP的研究較少，西工大的楊坤德等[2]進行了基于RAP聲線到達角度的水下聲源定位研究；段睿[1]做了基于寬帶信號相干條紋的可靠聲路徑定深方法研究；文獻[3]將RAP與時間反轉(zhuǎn)處理相結(jié)合，研究了基于RAP的垂直水聽器陣時反定位問題。2018年初，中科院聲學所的新型深海分布式聲學接收系統(tǒng)研制成功，實現(xiàn)了全水深探測，突破了國外對我國1 000 m以上深度水聽器的技術(shù)封鎖，未來國內(nèi)對RAP的研究和應(yīng)用將實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

當前對于RAP條件下聲場垂直相關(guān)性的研究還很少。水聲傳播過程中由于水介質(zhì)的折射及聲波在海面海底的反射，自發(fā)射點至接收點存在多個傳播途徑的現(xiàn)象稱為多途效應(yīng)，它是影響聲場相關(guān)性的重要原因[4-5]。

本文采用射線模型，分析了RAP聲信道內(nèi)水聽器接收聲線的結(jié)構(gòu)特征，并對中程探測距離內(nèi)信號的垂直相關(guān)性進行研究，仿真分析了相關(guān)性隨聲源距離增大所呈現(xiàn)的衰落現(xiàn)象，分析表明該現(xiàn)象的產(chǎn)生是受多途效應(yīng)影響的結(jié)果，結(jié)合波導特性，揭示了聲場垂直相關(guān)性受多途效應(yīng)影響程度的最主要因素。最后對垂直陣的設(shè)計、布放及增益分析提出建議。

1 射線理論及海底反射分析

在經(jīng)典射線聲學中，對聲場的描述是把聲波的傳播看作是一束無數(shù)條垂直于等相位面的射線的傳播，由聲線來傳遞聲能量。從聲源出發(fā)的聲線按一定的路徑到達接收點，接收到的聲能是所有到達聲線的能量的疊加，由于聲線都有一定的路徑，相應(yīng)有一定的到達時間和相位。每根聲線攜帶的能量守恒，強度由聲線的截面確定。由此，在射線聲學的范疇內(nèi)有兩個基本的方程，一個是用于確定聲線軌跡和到達時間的程函方程；一個是用于確定單根聲線能量的強度方程。這兩個方程可以在一定的近似條件下得到[6]：

為研究深海環(huán)境中的海底反射，本文建立液-液聲學半空間模型，基于射線理論研究兩種介質(zhì)上的反射問題。如圖2所示，后續(xù)仿真中將海底設(shè)置為硬質(zhì)無損海底。

圖1 聲速負梯度條件下的聲學Snell定律示意圖

圖2 液-液半空間海底反射模型

2 RAP的形成機理與探測優(yōu)勢

可靠聲路徑(RAP)是深海水聲傳播中的一種特殊聲信道。如圖3(a)所示，在含有聲信道軸的典型深海聲速剖面中，把聲信道軸下方的某個深度值定義為臨界深度。該處聲速等于近海面的聲速最大值(表面聲信道存在時通常為表面聲信道底部的聲速值)。臨界深度也稱為表面聲信道深度的共軛深度，臨界深度至海底的水體厚度稱為深度余量。圖3(b)給出了聲速剖面對應(yīng)的聲傳播損失空間分布圖，圖中表示聲源頻率，d表示聲源深度，下同。

圖3 深海環(huán)境中聲傳播損失空間分布圖

信號在RAP聲信道中傳播有以下3個優(yōu)點：(1)直達波能量較強，且噪聲級較低。如圖3(b)所示，主要是因為存在臨界深度時，若聲線出射角度足夠小或深度余量足夠大，則射線將在與海底接觸前反轉(zhuǎn)，傳播至近海面附近形成會聚區(qū)，傳輸損失較小。且遠距離噪聲源輻射的噪聲由于出射掠射角較小，無法穿過臨界深度到達RAP聲信道內(nèi)；(2) 聲速起伏和界面散射對其聲傳播影響較小。主要是因為傳播至海底附近的直達波其出射掠射角較大，根據(jù)Snell定律，聲線掠射角大時聲速起伏對其折射角的相對影響較小[1]；(3) 靠近底部的接收器在一定距離內(nèi)無探測盲區(qū)。如圖4中，若將聲源設(shè)置在臨界深度以下(即深度余量內(nèi))，在40 km左右的整個中程范圍內(nèi)都將形成一個低傳輸損耗區(qū)。40～60 km內(nèi)的低損耗聲場在三維空間中形成一個碗形結(jié)構(gòu)[2]。但若把聲源設(shè)置在近海面或聲信道軸附近時，如圖5(a)、(b)，在中近程范圍內(nèi)都將有無法用于探測的影區(qū)存在。因此根據(jù)聲學的互易性原理，近海底接收器可在無任何盲區(qū)的情況下在一定范圍內(nèi)探測海面目標或潛入目標。

圖4 聲源位于深度余量內(nèi)的傳播損失分布圖

圖5 不同聲源深度的聲傳播損失空間分布圖

3 仿真結(jié)果及原因分析

3.1 基于RAP的聲線結(jié)構(gòu)分析

圖6(a)、6(b)給出了深度為4 600 m、與聲源水平距離為10 km的水聽器所接收的本征聲線路徑及結(jié)構(gòu)。可以看出，當=10 km時，聲線的傳播路徑較為復雜，但對接收波形起主要貢獻的是D和S1B0，到達時間在7.3 s左右，其中D能量最強，S1B0的能量低約0.32 dB。經(jīng)海底反射的聲線S0B1及S1B1能量較弱，較D低約21.6 dB，可以近似忽略不計。海底反射波能量較弱的原因主要是當聲源距離較近時，射線以較大的掠射角穿透底部，主要的能量在基底中衰減。從仿真實驗知，聲源距離在約15 km內(nèi)，可認為只有D和S1B0起主要貢獻。

圖6 水聽器位于10 km處所接收的聲線到達路徑及結(jié)構(gòu)圖

圖7(a)、7(b)給出了深度為4 600 m、距聲源17 km的水聽器所接收的本征聲線路徑及結(jié)構(gòu)?？梢钥闯霎斅曉淳嚯x為17 km時，聲線的傳播路徑較為復雜，對接收波形起主要作用的有4根聲線，時間在11.7 s左右，分別對應(yīng)D、S1B0、S0B1以及S1B1，其中D能量最強。在14 s之后到達的多次反射波能量很弱，較D低約51.6 dB，可以忽略不計。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因是當射線以較小的掠射角射入底部時，更多的能量將被反射到水中，但海底海面多次反射波由于底部的大掠射角和附加的幾何衰減而變?nèi)?。因此當聲源?6～30 km的中等距離時，D、S1B0、S0B1和S1B1一同起主要作用。

圖7 水聽器位于17 km處所接收的聲線到達路徑及結(jié)構(gòu)圖

對于38 km范圍內(nèi)的聲源，接收信號中S0B1和S1B1作用更加顯著，同時此處D和S1B0發(fā)生強烈彎曲，根據(jù)Snell定律，它們被臨界點下的聲速剖面強烈彎折，因聲線能量近似服從高斯分布，故只有少部分能量泄漏進入接收器，幅度較小。且此時海底一次反射波也產(chǎn)生了較強的彎曲。

3.2 基于RAP的信號垂直相關(guān)性分析

對于均勻聲場，其時空相關(guān)函數(shù)定義為

對空間位置固定的兩點，式(9)可化為時間的函數(shù)

因此歸一化的互相關(guān)函數(shù)定義為

將歸一化互相關(guān)函數(shù)的最大值定義為接收信號的互相關(guān)系數(shù)：

本節(jié)對深度余量內(nèi)信號垂直相關(guān)性隨聲源距離的變化進行仿真分析?；赗AP噪聲級低的優(yōu)點，將噪聲設(shè)置為高斯白噪聲。采用圖3(a)所示的聲速剖面，將32基元垂直陣置于4 600～4 755 m的深度余量內(nèi)，基元間距5 m。設(shè)置聲源深度為100 m，相對接收器的水平距離從3～30 km變化。發(fā)射中心頻率為150 Hz、帶寬為50 Hz的掃頻信號。海底參數(shù)設(shè)置不變。假定陣列首基元為參考基元，將參考基元與其它各基元接收信號的相關(guān)系數(shù)相加取平均定義為平均相關(guān)系數(shù)，聲源每移動1 km計算一次平均相關(guān)系數(shù)。以聲源距離為自變量作圖8。

圖8 平均相關(guān)系數(shù)隨聲源距離變化圖(掃頻聲源)

考慮當聲源發(fā)射信號為線譜時的垂直相關(guān)性。設(shè)置其它參數(shù)不變，由8 Hz基頻、倍頻分量以及1 kHz所組成的線譜信號如圖9所示。

當信號源為圖9所示的線譜時，垂直陣平均相關(guān)系數(shù)隨聲源距離的變化如圖10所示。

從圖8及圖10可以看出：當聲源水平距離小于16 km時，平均相關(guān)系數(shù)較大，在大部分區(qū)間內(nèi)高于0.8；當距離大于等于17 km時相關(guān)系數(shù)平均值銳減，且隨著深度的變化而劇烈起伏變化，在大部分深度范圍內(nèi)，相關(guān)系數(shù)均值低于0.58。

以上述掃頻信號源為例，對平均垂直相關(guān)系數(shù)的衰落現(xiàn)象進行分析。

圖9 信號源線譜圖

圖10 平均相關(guān)系數(shù)隨聲源距離變化圖(線譜聲源)

故可近似認為當聲源水平距離大于等于17 km時，聲線在海底已發(fā)生全反射，S0B1及S1B1幅度有較大提升，反射系數(shù)為海底反射聲線引入了附加相位。

圖11 海底掠射角計算圖

假定首基元為參考基元，當聲源與垂直陣相距17 km時，參考基元與其它各基元聲信號的相關(guān)系數(shù)如圖12所示?？擅黠@看到，此時垂直相關(guān)性較低且劇烈起伏，使得此時接收信號的平均相關(guān)系數(shù)較低。

圖12 聲源距離17km時垂直陣各基元接收信號相關(guān)系數(shù)

17 km處垂直線列陣首基元的聲線到達結(jié)構(gòu)如圖13(a)所示，可以看出，受到海底全反射的影響，導致S0B1及S1B1幅度升高，與D、S1B0一同對接收波形起主要作用。4個波的到達時間如圖13(b)所示，將D及S1B0編為組1，S0B1及S1B1編為組2。

從仿真結(jié)果中可以看到，組1與組2到達時間的時延差不斷減小，組1中兩個不同路徑的波將最先到達首基元，最后到達32號基元，而組2中的兩個波則完全相反，最先到達32號基元，最后到達首基元。因此在各基元中，不同路徑波進行疊加的時間差不一致，故各基元接收波形產(chǎn)生較嚴重的畸變，相關(guān)系數(shù)不高。且由于時延差的減小是近似線性的，所以圖12中各基元相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)不斷減小的“周期”震蕩。

圖13 17 km處首基元聲線到達結(jié)構(gòu)及時間圖

水平陣常規(guī)波束形成能夠獲得較好的理論增益，這是由于它的到達信號能夠滿足平面波的假設(shè)，即聲場中不同路徑到達波的時間差在各基元中是相同的，因此不同路徑波在各基元中的疊加方式是一致的(進行疊加的時間差一致)，聲傳播幾乎不受多途效應(yīng)的影響，理想情況下各基元接收波形將高度相關(guān)。水平陣各基元信號的相關(guān)是一種水平橫向相關(guān)，實際環(huán)境中波導隨機起伏所引起的波形畸變是影響其相關(guān)性高低的主要原因。對垂直陣而言，各主要聲線在不同基元間到達時延差的差異是導致其不能滿足平面波假設(shè)的主要原因，它使得主要聲線在不同基元中的疊加方式產(chǎn)生差異，即使得多途效應(yīng)對垂直相關(guān)性產(chǎn)生強烈影響，多途效應(yīng)的影響程度是導致垂直相關(guān)性高低的最重要原因。

聲源距離16 km時陣列參考基元與其它各基元接收信號的相關(guān)系數(shù)如圖14所示?？梢钥闯霎?16 km時，參考基元與其它各基元接收信號的相關(guān)系數(shù)隨深度的增加呈緩慢下降趨勢，略有起伏變化，但垂直相關(guān)性較高，從而相距16 km處陣列的平均相關(guān)系數(shù)也較高。

圖14 聲源距離16 km時垂直陣各基元接收信號相關(guān)系數(shù)

取16 km處垂直陣首基元的聲線到達結(jié)構(gòu)作圖15(a)，取第32基元聲線到達結(jié)構(gòu)作圖16。由圖15(a)可以看到，由于海底反射波尚未到達全反射臨界角，故S0B1及S1B1幅度較小，可近似認為只有D及S1B0兩個波做主要貢獻，繪制這兩個波的到達時間如圖15(b)所示，D與S1B0到達時間近似平行，時延差幾乎不變，可近似認為D與S1B0在各基元中的疊加方式是一致的，因此受多途效應(yīng)影響較微弱，各基元與首基元的相關(guān)系數(shù)較高。隨基元序號變大，其相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)緩慢減小趨勢，結(jié)合圖16，可知這是由于深度增大，對應(yīng)基元接收到的S0B1掠射角逐漸達到全反射臨界角，進而幅度提升所致。由于隨著基元號數(shù)增大，S0B1能量逐漸變強，其疊加方式對接收波形的影響將愈發(fā)重要，同時S0B1幅度的提升也使得波形產(chǎn)生畸變，上述兩點使得相關(guān)性略有下降。

圖15 16 km處首基元聲線到達結(jié)構(gòu)及時間

圖16 16 km處末基元聲線到達結(jié)構(gòu)

圖17中的3條曲線分別表示聲源水平距離為13、14、15 km時陣列的垂直相關(guān)系數(shù)。可以看出在這些距離上，垂直相關(guān)性普遍較高，因此在圖8中的平均相關(guān)系數(shù)也較高。14、15 km處垂直陣中序號較大的基元相對首基元接收信號的相關(guān)性有所下降，是RAP聲信道內(nèi)海底反射波開始產(chǎn)生全反射，多途效應(yīng)逐漸變強所導致的結(jié)果。結(jié)果與仿真分析是一致的，驗證了上述分析。

圖17 分別在13、14、15 km處的垂直陣各基元接收信號相關(guān)系數(shù)

如圖18所示，3條曲線分別表示聲源距離為18、19、20 km時垂直陣列的垂直相關(guān)系數(shù)?？梢钥闯鲈谶@些距離上，垂直相關(guān)性起伏劇烈且普遍較低，因此在圖8中呈現(xiàn)的平均相關(guān)系數(shù)較低，結(jié)果與分析一致。

對于均勻波導，垂直線列陣布放在RAP聲信道內(nèi)對淺源目標進行探測時，在約17 km的探測距離上將出現(xiàn)相關(guān)性的衰落，因此垂直陣能夠更為有效地探測到水平距離約17 km內(nèi)的目標(本文為便于分析，將海底設(shè)置為無損海底，實際情況下的有效探測距離應(yīng)大于17 km)。有效探測距離外，由于各基元信號相關(guān)性降低，故增大孔徑不一定能有效提升增益，需結(jié)合實際環(huán)境具體分析。本文的結(jié)果對垂直線列陣的設(shè)計、布放及增益分析具有一定的指導意義。

圖18 分別在18、19、20 km處的垂直陣各基元接收信號相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)束語

本文基于射線模型對RAP聲信道內(nèi)的聲傳播路徑及到達結(jié)構(gòu)進行分析，計算了RAP內(nèi)陣列接收信號的垂直相關(guān)性隨聲源距離的變化，針對中程距離內(nèi)信號相關(guān)性的衰落進行分析。仿真結(jié)果顯示：當聲源距離較近時，垂直陣各基元接收波形中起主要作用的是直達波和海面一次反射波，由于其到達時延差基本不變，因此在各基元中的疊加方式基本一致，傳播過程中受多途效應(yīng)影響較小，各基元信號的相關(guān)性較高；隨著接收距離增大，由于全反射的作用，海底反射波幅度增大，使得不同路徑到達波的時延差隨基元序號不斷變化，即各路徑波進行疊加的時間差隨基元序號不斷變化，接收信號受多途效應(yīng)影響顯著，進而導致垂直相關(guān)性急劇降低。

聲場垂直相關(guān)性主要受多途效應(yīng)的影響，多途傳播中能量較強的波在不同基元上的幅度變化及到達時間差決定了信號受多途效應(yīng)影響的強烈程度，其中到達時間差的差異是最主要因素。以上分析表明，布放于RAP聲信道(深度余量)內(nèi)的垂直陣在一定距離內(nèi)能夠?qū)\源目標實現(xiàn)有效探測，在此距離之外探測性能將降低，且增大基陣孔徑不一定能有效提升增益。

[1] 段睿. 深海環(huán)境水聲傳播及聲源定位方法研究[D]. 西安: 西北工業(yè)大學, 2016:32-56.

DUAN Rui. Studies on sound propagation and localization methods in deep water source[D]. Xi'an: Northwestern Polytechnical University, 2016: 32-56.

[2] DUAN R, YANG K D, MA Y L, et al. Research on reliable acoustic path: Physical properties and a source localization method[J]. Chinese Physics B, 2012, 21(12): 42-48.

[3] 王鴻吉, 韓建輝, 楊日杰. 基于RAP的垂直線列陣時反定位研究 [J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2015, 12(4): 56-58.

WANG Hongji, HAN Jianhui, YANG Rijie. Research on time reversal positioning of vertical line array based on RAP[J]. Transducer and Microsystem Technologies, 2015, 12(4): 56-58.

[4] ZHOU S, ZHANG R, TAO X, et al. Vertical correlation characterization of acoustic fields in the deep sea[J]. Progress in Natural Science, 1998, 18(3): 37-42.

[5] 胡治國, 李整林, 張仁和, 等. 深海不平海底對聲場水平縱向相關(guān)性的影響[J]. 聲學學報, 2016, 41(5): 758-767.

HU Zhiguo, LI Zhenglin, ZHANG Renhe, et al. The effects of the uneven bottom on horizontal longitudinal correlations of acoustic field in deep water[J]. Acta Acustica, 2016, 41(5): 758-767.

[6] 劉伯勝, 雷家煜. 水聲學原理[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社, 2010: 46-56.

LIU Bosheng, LEI Jiayu. Principies of underwater sound[M]. Harbin: Harbin Engineering University Press, 2010: 46-56.

[7] JENSEN F B, KUPERMAN W A, PORTER M B. Computational ocean acoustics 2ed[M]. New York: Springer-Verlag, 1992.

Research on the vertical correlation of acoustic field in deep water based on reliable acoustic paths

QIU Chun-yu, CHEN Yu, MA Shu-qing, MENG Zhou

(College of Meteorology and Oceanology, National University of Defense Technology, Changsha 410005, Hunan, China)

The reliable acoustic path (RAP) is an important acoustic channel in deep water. Based on the physical mechanism of RAP and its advantages in detection, the structures of the acoustic rays received in RAP are analyzed by using ray theory. For a 32-element vertical linear array, the variation of the cross-correlations of the received signals with the source range are simulated, and the result shows that a sudden decline of the cross-correlation appears in medium detection range. Based on this phenomenon, the influence of multipath effect on the vertical correlation is studied. It indicates that the time deviation of the acoustic rays with higher amplitude arriving different elements is the main factor to affect the vertical correlation. Finally, some suggestions on the deployment, design and gain analysis of the vertical array in RAP are put forward.

vertical correlation; reliable acoustic path (RAP); ray theory; deep water

TN911.7

A

1000-3630(2019)-03-0270-08

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.03.006

2018-02-03;

2018-04-02

國防科技大學校科研重點基金項目(ZDYYJCY J20140701)、國防科技大學?？蒲谢痦椖?ZK16-03-56, ZK16-03-31)

邱春燏(1993－), 男, 福建龍巖人, 碩士研究生, 研究方向為水聲物理、水聲探測技術(shù)。

陳羽,E-mail: chenyulm@163.com