珊瑚型環(huán)礁斜坡地形水下聲傳播特性分析

原齊澤，秦志亮，馬本俊，朱兆林，劉雪芹，蔡觀強

（1.哈爾濱工程大學水聲技術重點實驗室，哈爾濱 150001；2.海洋信息獲取與安全工信部重點實驗室（哈爾濱工程大學），工業(yè)和信息化部，哈爾濱 150001；3.哈爾濱工程大學水聲工程學院，哈爾濱 150001；4.山東海洋信息技術研究院，山東威海 264200；5.廣州海洋地質調查局，廣東廣州 510000）

0 引 言

南海珊瑚環(huán)礁主要以生物建造為主，珊瑚礁盤環(huán)繞水下高地生長，在地貌上構成環(huán)礁。環(huán)礁及其所圍限的瀉湖為淺水環(huán)境，通常水深在50 m以內；環(huán)礁周緣為深水區(qū)，水深可從幾十米迅速演變?yōu)樯锨?，因此環(huán)礁周緣通常表現(xiàn)為高陡斜坡，并不斷接收從環(huán)礁剝落而來的珊瑚碎屑，形成斜坡沉積產(chǎn)物[1]。這種獨特的生物建造演化出獨特的地形地貌、物質特性、水文環(huán)境以及聲場結構等海洋環(huán)境特征。

島礁區(qū)水下聲場是一個十分復雜的時間-空間-環(huán)境因素參雜隨機多途傳輸?shù)沫h(huán)境[2]，聲波經(jīng)過海面和海底多次反射造成嚴重的多徑效應，使得聲線經(jīng)過多次反射后沿著不同路徑到達接收點，在傳輸過程中，聲波會發(fā)生嚴重的能量衰減和信號畸變[3-5]。因而對島礁海區(qū)水下目標信息的獲取與探測，必須對聲場有著充分的研究。地形作為影響水下聲場結構的重要環(huán)境要素，一直是海洋學家的研究重點[6-7]。1968年，Northrop等[8]通過在美國加利福尼亞海域斜坡上布置聲源進行實驗測量發(fā)現(xiàn)，與平坦海底相比，由于斜坡的存在深海聲道軸接收的聲能量會增多，因此這種現(xiàn)象被稱作“斜坡增強效應”，這種斜坡可以是大陸坡，也可以是島礁斜坡。在夏威夷瓦胡島海域，Tappert等[9]使用拋物方程模型[10]對島礁水下真實的海洋環(huán)境進行了仿真研究。國內秦繼興等對大陸坡二維聲傳播規(guī)律進行研究[11]，實驗結果表明大陸坡會對水體中能量分布、聲信號脈沖展寬存在影響。胡治國等[12-14]眾多學者針對我國南海的陸架滑坡、海底山、海溝等地形開展大量試驗研究與理論驗證，為我國南海復雜的海底地形聲場特性總結出寶貴的分布規(guī)律。2019年，張乾初等[15]在南海北部的海洋環(huán)境噪聲測量實驗中，觀測到航船噪聲在島礁區(qū)域斜坡地形引起的遠距離傳播進入深海聲道的現(xiàn)象，著重分析了噪聲譜級隨深度變化的機理及受島礁區(qū)域斜坡地形影響的深海海洋環(huán)境噪聲空間的分布特性。

前人研究結果顯示[16-18]，明確不同地形下的水下聲場結構及其分布規(guī)律，對改進聲學探測技術，優(yōu)化目標探測方法具有重要意義。但目前對島礁斜坡地形下的水下聲場結構及其分布規(guī)律研究相對較少。

本文以南海某珊瑚環(huán)礁為例，基于高分辨率的地形數(shù)據(jù)以及水文條件，利用快速、簡便的射線追蹤法構建島礁斜坡水下聲線傳播路徑模型，結合拋物方程模型對聲傳播損失的精確計算，總結我國南海島礁斜坡水下聲場的分布規(guī)律，重點分析斜坡地形對聲線軌跡、傳播損失、沖擊響應等影響，以期為島礁區(qū)海底環(huán)境的目標探測以及水下聲學對抗等實踐應用提供理論基礎和技術參考。

1 研究區(qū)域概括和地形特征

我國四大海域中渤海、黃海、東海都屬于淺海，只有南海屬于深海海域。本文研究區(qū)位于南海某海域，最大水深約1 900 m。

基于海底多波束測深數(shù)據(jù)，本文對某區(qū)域海底形貌進行了精細刻畫，圖1中顯示了該區(qū)域海底復雜的微地貌結構特征。研究區(qū)主體屬于典型獨立生長的臺礁，深度基準面以上的頂部礁體露出海面或退潮后露出海面，構成廣大弧形礁盤；深度基準面以下的礁體水深范圍10～50 m，屬于淺海環(huán)境。淺海區(qū)地形背景坡度介于0°～2°之間，相對較平坦。圖1（b）給出了主要斜坡地形剖面，西側斜坡陡峭坡度最高超過30°；東側斜坡坡度平均在3°以上，極少區(qū)域坡度最高達45°；南側斜坡坡度集中在10°～15°之中；北側斜坡坡度分布在10°附近，存在部分坡度超過 40°的斜坡。臺地以外海域整體水深范圍為650～1 600 m處于半深海環(huán)境，背景坡度在0°～5°之間，海底凹坑洼槽邊緣以及海底凸狀隆起邊緣坡度增大，最高坡度超過15°。

圖1 研究海域地形地貌Fig.1 Landforms of the studied sea area

2 聲傳播仿真模型

本文使用射線模型Bellhop計算在二維平面內聲線傳播軌跡，同時利用拋物近似模型RAM對水下聲傳播損失進行定量仿真。圖2給出了通過計算研究海區(qū)水下1 100 m的實測溫度剖面數(shù)據(jù)得到的水文剖面，在后續(xù)仿真過程中將使用夏季聲速剖面。

圖2 研究海域6月、12月聲速剖面Fig.2 Sound speed profiles in June and December in the studied sea area

文獻[19]對南海島礁區(qū)海底珊瑚沉積物的采樣調查結果顯示，與常見砂泥沉積物相比，島礁區(qū)獨特的珊瑚砂沉積物具有較高的孔隙度和孔隙比、較大的含水量，以及較小的濕密度。島礁淺海區(qū)域由于海浪、海流等水動力因素的存在，使得細粒沉積物難以停留，而以塊狀、片狀和粗短枝狀的珊瑚為主。表1給出了某海底珊瑚類沉積物的參數(shù)。

表1 海洋底質沉積物參數(shù)Table 1 Marine sediment parameters

依據(jù)沉積物聲速c與中值粒徑d之間的關系[19]，計算沉積物聲速，計算公式為

仿真中聲源頻率為1.5 kHz，沉積物密度約為1.80 g·cm-3，吸收系數(shù)為0.35 dB·λ-1，海底沉積物厚度為20 m，水深小于50 m的淺海區(qū)域沉積物聲速1 461.9 m·s-1，水深大于50 m的深水區(qū)域沉積物聲速1 378.1 m·s-1。圖3為島礁區(qū)水下聲學環(huán)境模型，從上至下分別是水層、沉積層以及島礁基底。

這天晚上，米多翻來覆去無法入眠，腦海里一直在回憶鮑澤說的話。翌日，他收拾書包準備上學的時候，瞥見了桌上的筆筒里躺著一支錄音筆。

圖3 島礁斜坡聲學環(huán)境模型Fig.3 Acoustic field model of reef slope

3 仿真結果分析

世界范圍內普遍存在臺地周緣的島礁斜坡地形，聲波在該區(qū)域傳播存在兩種形式：一種是從斜坡底部向島礁臺地傳播，與之對應的是從島礁臺地向斜坡底部的傳播。這兩種傳播在島礁聲學中十分重要，對島礁地形內的目標探測、聲隱身與反潛均存在著重要意義。目前，受人們關注的斜坡增強效應與泥流效應[21]指出，當聲源從淺海斜坡頂端向下發(fā)出聲波時，與平坦海底相比，在深海聲道軸深度附近的傳播損失會減小，同時傳播損失的減小還受到聲速剖面、海底聲吸收系數(shù)、斜坡角度以及聲源位置的影響。而與之相反的從斜坡外側發(fā)出聲線沿斜坡向上傳播的過程目前研究尚有欠缺，本節(jié)從島礁斜坡地形對上坡聲波傳播過程的阻礙影響分析，分別探討聲源深度以及坡度對聲傳播結果的影響。

3.1 斜坡地形對聲線阻礙作用的分析

圖4給出了島礁主要斜坡地形下的800 m深度聲源目標發(fā)出的聲線仿真結果與30 m水深水平方向聲傳播損失變化曲線。計算結果顯示，聲線沿斜坡向上傳播，在島礁臺地前側附近經(jīng)過與海底海面的多次反射后匯聚，島礁臺地高度接近海面甚至超出海面，會阻擋大量的聲線傳播。圖4（a）中地形高度超過海面，完全阻礙聲線傳播，聲線被阻擋后全部集中在上坡段的半封閉空間內消散。圖4（b）中聲線遇到地形阻礙，由于地形坡面角度較大，當入射聲線與地形接觸角度接近90°時，發(fā)生近180°的翻轉回傳，聲線反向遠距離傳播。大部分聲線在上坡階段遇到阻礙無法順利向前傳播，其余聲線只能會聚在狹小通道內，在通道中的聲線經(jīng)過多次與海底海面的反射造成較大的聲傳播損失，多數(shù)聲線攜帶的能量在通道內消散，少量聲線能夠到達臺地另一側。在30 m水深的水平方向聲傳播損失結果也表明，聲傳播損失受斜坡地形影響嚴重，在聲能傳輸?shù)叫逼律隙颂帟r，傳播損失迅速增大，嚴重不利于聲能的傳輸。因此當被動聲吶置于島礁臺地時，從斜坡下端發(fā)出的聲信號將處于屏蔽或半屏蔽狀態(tài)。

圖4 島礁主要斜坡區(qū)的聲傳播Fig.4 Sound propagation in the main slope area of island and reef

3.2 聲源深度對斜坡地形下的聲傳播影響分析

本文所研究的區(qū)域深度未達到傳統(tǒng)深海聲道軸，且聲速剖面與島礁海底地形均未發(fā)生明顯變化，因此聲源深度的不同，是斜坡對聲場的影響的主要因素。圖5給出的是島礁斜坡模擬地形，水平距離36 km，斜坡上端為50 m水深淺海海域，斜坡底部為1 100 m水深深海海域，坡面最大坡度20°。

圖5 模型中的斜坡地形Fig.5 Slope terrain in the model

聲傳播計算中，選擇15、500、1 000 m水深聲源分別代表淺水、深水、海底目標發(fā)出的聲波。結果中，不同深度的聲傳播損失結果差異較小，說明聲能在淺海區(qū)域分布均勻，島礁淺海區(qū)域的聲傳播損失垂向分布差異不大。在圖6（a）中會聚區(qū)集中在從聲源至與海底發(fā)生第一次接觸位置的三角區(qū)域內，經(jīng)過一次反射，聲傳播損失增加30 dB。而后在10 km距離位置附近經(jīng)過一次海面反射，聲傳播損失又增加20 dB左右，聲傳播損失大于100 dB。圖6（c）、6（d）中聲源位于500 m水深，此時聲場中會聚區(qū)在 400 m深度以下普遍存在，會聚區(qū)面積明顯增加。經(jīng)過海底反射后的多數(shù)聲波在繼續(xù)傳播過程中并未與海面發(fā)生接觸，聲傳播損失增加幅度減小，在5 km距離位置附近發(fā)生第一次海面反射，傳播損失增加約25 dB，在距離12 km位置附近發(fā)生與海底發(fā)生反射后傳播損失增加15 dB，隨后在距離23 km位置處聲傳播損失大于120 dB。圖6（e）、6（f）中，聲源水深1 000 m接近海底，三角會聚區(qū)張角增大，會聚區(qū)面積進一步增加，在靠近海底位置沿斜坡形成多處會聚區(qū)。從海底目標發(fā)出的聲波傳播到淺海區(qū)域過程中聲傳播損失約為60 dB，在距離5 km位置附近發(fā)生海面反射后傳播損失大于90 dB。在23 km坡頂?shù)奈恢寐暡óa(chǎn)生會聚，傳播損失相對較小，減小約10 dB，隨后在33 km位置處聲傳播損失超過140 dB。為了探索上述現(xiàn)象的物理機制，對上坡過程中的本征聲線路徑進行計算，Bellhop在所有聲線傳播路徑的基礎上，刪減傳輸過程中消散的聲線以及未到達接收點的聲線，只給出到達接收位置處聲線的路徑，因此顯示的本征聲線數(shù)目也反映了聲波在收發(fā)過程中傳輸完整性的情況。聲源在±13°范圍內發(fā)出50條均勻分布的聲線，從靠近海底的1000m深度分別上升至800 m與600 m，接收點在斜坡上水深30 m位置處。

圖7中聲源深度1 000 m靠近海底，存在7條聲線能進行遠距離傳播并最終到達淺海區(qū)域的接收位置，其中有2條聲線（藍色聲線）在傳播過程中并未經(jīng)過海面碰撞；隨著聲源深度的減小，聲線傳播過程的損失增大，大多數(shù)聲線傳輸距離縮短，能夠到達坡頂?shù)谋菊髀暰€數(shù)目減少，接收位置處的聲線僅存4條（2條藍色聲線）；進一步減小聲源深度到600 m時，聲線的傳輸距離進一步縮短，僅存3條聲線（0條藍色聲線）能夠到達接收位置。原因在于負聲速剖面環(huán)境中，水深較淺的聲源發(fā)出的聲線角度向下偏轉朝向海底傳播，第一次與海底發(fā)生碰撞的位置距離聲源更近，同時發(fā)生反射的聲線與海底碰撞時的入射掠射角更大，反射后的聲線反彈的高度增加，因此在水體中進行了大范圍的偏轉移動，消耗更大。而深水聲源發(fā)出的聲線與海底碰撞后反彈的高度減小，能夠以更少的海面反射次數(shù)向上傳播，聲波的傳播過程相對簡單直接，從而減少了傳播損失，傳播得更遠。

圖6 不同深度聲源在斜坡區(qū)的聲傳播仿真Fig.6 Simulation of sound propagation in slope area for the sound source at different depths

圖7 不同深度聲源的本征聲線Fig.7 Sound eigenrays of the sound source at different depths

3.3 坡度對聲信號傳播的影響

聲信號在水下的傳播是時變多途信道，接收點接收到的聲壓由不同路徑的聲壓疊加而成。受島礁區(qū)域海底復雜地形等因素影響，各途徑聲信號選擇性衰落，信號的持續(xù)時間和頻帶得到展寬，聲信號發(fā)生多途畸變。在經(jīng)典射線聲學中通過聲線軌跡計算傳播損失，而多途信道沖擊響應函數(shù)則由接收到的聲場中所有到達射線（本征聲線）的疊加而得到：

在利用被動聲吶探測目標時，探測范圍往往不局限于單一地形。使用被動聲吶從島礁一側對另一側目標進行探測時，聲波必然經(jīng)過上坡和下坡兩個過程，其中坡度對聲信號傳輸過程的影響尤為重要。針對這一問題，進行聲信號接收情況仿真。仿真中，從實測地形中截取兩段相同高度，坡度陡、緩的島礁坡面路線，水平長度均20 km，斜坡高度均在水深50～750 m。為防止坡面長度對信號接收時間產(chǎn)生影響，將兩個斜坡頂端連接，構成類似島礁地形剖面路線。設定先通過緩面上坡、陡面下坡路線為途徑1，與之對應相反方向為途徑2。在掠射角?13°～13°范圍內均勻發(fā)出50根聲線，改變聲源深度及接收位置深度進行接收本征聲線計算。

在表2途徑1的計算結果中，聲源在200～300米水深時，接收深度在200～600 m范圍內并未接收到本征聲線。聲源水深增加，接收到的本征聲線數(shù)目逐步增多，同時數(shù)目增加的幅度明顯變大。途徑2的計算結果中，聲源水深從200 m至400 m過程中，接收到的本征聲線數(shù)目逐漸增加。水深從400 m至700 m過程中，接收到本征聲線數(shù)目起伏減小。從對比結果中可以看出，當聲源深度較淺時，途徑2接收到的本征聲線數(shù)大于途徑1，聲源深度達到500 m時，途徑1接收到本征聲線數(shù)目與途徑2相近。聲源深度進一步增加至700 m時，途徑1接收到的本征聲線數(shù)目大約是途徑2的5倍。說明在坡度小的一側深水聲源發(fā)出的聲線更容易爬坡并且穿過島礁地區(qū)，而坡度大的斜坡地形對深水聲源發(fā)出的聲線存在更大的阻礙，而有利于淺水聲源發(fā)出的聲線傳播。

表2 方向相反兩個聲傳播路徑的計算結果對比Table 2 Comparison between the calculation results of sound propagation along the two paths in the opposite directions

圖8 方向相反兩個路徑的接收信號時延對比Fig.8 Comparison between time delays of the received signals along the two paths in the opposite directions

為進一步分析斜坡地形坡度對接收信號的影響，對接收水深400 m處本征聲線到達時間進行計算。圖8中，在途徑1地形下，聲源在50～350 m水深范圍內，沒有本征聲線能夠傳播。在水深400～700 m時，信號接收時間呈減小趨勢，減小幅度0.11 s。途徑2地形下，在水深50～700 m范圍內均有本征聲線到達，接收信號時間在26.51～26.64 s范圍內起伏變化，變化最大幅度為0.13 s。

4 結 論

本文以南海某珊瑚型環(huán)礁區(qū)為例，基于射線仿真程序Bellhop與拋物近似模型RAM對島礁斜坡地形條件下的聲傳播進行計算仿真，模擬水下目標聲學信號的傳播軌跡，得到島礁區(qū)水下聲場的聲線軌跡、本征聲線、傳播損失、信號時延等聲學特性分布規(guī)律，總結具體結論如下：

（1）聲波在島礁區(qū)域傳播過程中受斜坡地形阻礙影響嚴重。島礁斜坡區(qū)，由于負梯度聲速與島礁高陡斜坡地形的共同作用，聲能量在隨著海深變淺的距離上經(jīng)過坡面反射后會聚。同時研究海域聲速分布的臨界深度位于海面附近，聲源位置越靠近海底，會聚區(qū)發(fā)生概率越高，聲能量會聚區(qū)覆蓋面積越大，使得斜坡外緣淺海區(qū)域不易被島礁斜坡頂端的被動聲吶所探測。

（2）環(huán)礁區(qū)內坡度較小的斜坡地形屏蔽淺海目標的聲傳播，對深海目標的聲傳播更為有利，而淺海目標更適合在坡度較大的斜坡地形下傳播。

本文以某珊瑚型環(huán)礁區(qū)為研究對象，旨在為認知島礁斜坡水下聲場特征以及島礁海區(qū)目標探測的系統(tǒng)設計提供一定參考。

致謝感謝哈爾濱工程大學水聲重點實驗室提供研究平臺，全球移動衛(wèi)星服務（GMSS）提供數(shù)據(jù)。