海洋声学层析及其研究中的一种新方法*

刘进忠

(1.潍坊学院,山东 潍坊 261061;2.国家海洋局第一海洋研究所,山东 青岛 266061)

海洋声学层析及其研究中的一种新方法*

刘进忠1,2

(1.潍坊学院,山东 潍坊 261061;2.国家海洋局第一海洋研究所,山东 青岛 266061)

概述了海洋声学层析的基本理论,从射线传播时间、简正波传播时间、简正波相位等角度阐述了海洋声学层析研究中对海洋监测的具体实现方法。针对目前海洋声学层析研究的现状和不足之处提出了一种新的方法,利用声场的耦合简正波理论进行浅海声学层析研究。

海洋声学层析;声场简正波耦合;声传播;浅海声学

海洋声学层析(Ocean Acoustic Tomography)作为利用声学手段对海洋内部现象和过程进行研究的一种技术,自1979年由Munk W and Wunsch C[1]提出后,在海洋学界和声学界科学家的努力下,经过几十年的发展,现已成为海洋监测的一种重要手段。海洋声学层析根据所依据的声学理论的不同,可以分为射线传播时间反演[1-2]、简正波传播时间[3]、简正波相位反演[3]、匹配场反演[4-6]等,这些理论和方法都是基于传播时间的测量和利用,主要用于声速场和流场的反演。在浅海环境中,由于浅海声波导的多途效应使得区分不同路径的声线变的异常困难,此情况下(如较远距离的声传播)利用简正波方法比利用射线方法进行反演具有更大的优势。浅海海洋声学层析可以用于对浅海环境中海洋动力学过程(如内波、锋面、洋流、中尺度水团等)的声学监测[7-10]。本文概述了海洋声学层析的基本理论和方法,针对传统声层析的缺点,在耦合简正波的理论基础上,提出了一种新的浅海声学层析的方法。

1 射线传播时间层析

设实际环境声速场为背景场加扰动场c(r,z,t)=c0(r,z)+δc(r,z,t),在背景场下对于沿路经Γn的射线传播时间可以表示为。加扰动场后变为其中ds为沿射线传播路径方向,由此导致的传播时间变化为当声速场的扰动是由流(速度为v,流向为由声源到接收器)产生的时(加流场扰动后),传播时间为,其中θ(r, z)为射线与水平方向的夹角。两次反向声传播的时间差为

在理论上,根据(1)式可以反演得到流场在声传播路径上分量。此射线传播时间层析方法实现起来比较简单,试验中也可以精确测量声的传播时间。但是要精确获取流场的三维分布,要求布设大量的发射声源和接收器阵列。上述方法是基于两次往返声信号传播时,海洋波导不变和声传播的互异性这两个基本前提,由于浅海声波导环境多存在复杂的声传播三维效应,并可能存在浅海简正波耦合,使得(1)式的条件被弱化或破坏,从而使得射线传播时间层析方法,在实际的浅海环境中有时可能受到较大限制。

2 简正波传播时间层析

在浅海波环境中,声射线传播过程中多次发生与海底、海面的反射,路径难以精确追踪,在此条件下的声学层析研究中,简正波方法比利用射线方法具有更大的优势,这主要是由于浅海声波导的多途效应使得区分不同路径的声线变的异常困难。因此可以利用简正波理论进行海洋声学层析研究。

在二维声波传播问题中,设z轴沿深度方向,r轴以声源位置为原点,指向水平距离方向,ω为声源频率,当声传播的波导存在水平变化但是仅导致简正波声场的弱耦合时,声场可以表示为下式简正波场(仅保留前向传播项)的形式

其中,Φm,km分别为第m号简正波的波函数和波数。

设第n号简正波群速度为则背景场(平均场)下此简正波传播时间为其中,群速度也可以表示为其中φn(z)为第n号简正波波函数,则(z)dzdr,当声速有扰动时传播时间差

其中,δc(z)为距离平均的声速变化(平均梯度)。

3 简正波相位层析

δkm(r)是由于波导的水平变化导致的。仅考虑水体起伏影响,可以设c(z,r)=c0(z)+Δc(z,r),根据微扰公式,波数可以表示为其中,k0(z)=ω/c0(z)为参考波数。结合上述公式可以得到声速扰动与简正波相位起伏的关系,同时注意相位的变化中2π的周期性,最终得到[3]

在实际应用中声速扰动也可以采用某种近似描述(如EOF分解)来简化反演问题。

4 浅海海洋声学层析中的一种新方法

当前海洋声学层析需要声传播路径与流场(水平分量)方向越平行越好,且仅能反演声速平均变化。无法精确获知获得海洋内部声速变化随距离的分布。这是当前声层析的普遍问题,针对此问题提出了利用耦合简正波理论,进行浅海海洋声学层析研究的方法。

浅海声传播中,声场的远场可表示为有限个数简正波和形式,当简正波声场传播过程中遇到波导的水平变化(如内波、洋流、海底地形的起伏等)时都可能发生传播方向的改变,造成能量向其他号简正波的转移,称为简正波的耦合,耦合情况可以用简正波耦合系数矩阵P来进行描述。设水平剧烈变化的声波导位于距离r1至r2处,则由此导致的简正波异号耦合,在接收位置处所产生的第n号简正波波包为

Pm,n(ω,r1,r2)为频率为ω时,在距离从r1到r2处第m号向第n号耦合的系数。S(ω)为脉冲声源频谱。此异号耦合波包经较远距离传播后,会在时域上与声源直接激发的简正波波包有一定时间延迟,声波导的水平变化会导致水听器接收信号序列的时间结构的变化,如图1所示。

图1 声传播示意及接收信号示意图

对于实际的海洋声波导,由于波导的水平变化(特别是海底深度的变化)导致的同号间的简正波转移耦合)是一个渐进的过程,此过程对于接收信号的贡献是单一的简正波波包。异号间的耦合成分由于发生耦合的水平位置的不同,其贡献为一个或者多个新的波包。同时在脉冲声传播中,由于不同号简正波群速度存在差异,耦合信号与非耦合信号在时域上明显被分开,可以分析总结出脉冲声传播中接收声简正波耦合信号的特点:

(Ⅰ)接收信号由一系列的波包构成,并可能存在波包的重叠(与海洋声速分布、声源频率、传播距离等密切有关),此波包列可以分为同号间转移(耦合)的波包和异号间转移(耦合)的波包。同号转移的波包到达接收器的时间较稳定,是等效均匀波导作用的结果,而异号耦合的波包的到达时间与耦合发生位置有关。

(Ⅱ)海洋水体中一些海洋动力学过程都会导致声波导的水平变化,从而引起简正波的耦合,使得接收声信号相对不变波导发生结构上的变化(如异号耦合波包的出现)。

根据上述浅海波导中脉冲声传播中声简正波耦合信号(接收声信号)的特点,可以建立起利用耦合简正波理论进行海洋声学层析研究的基本内容:

(Ⅰ)利用简正波声信号的到达时间结构(耦合信号在信号中的相对位置),可以反演导致耦合发生的空间位置。对于图1所示内容,耦合位置由下式确定[10]

(Ⅱ)利用耦合声信号的波形信息,可以反演导致耦合发生的海洋内部动力学过程(如大振幅内波等)的特征和某些参数。对此,本文提出了海洋内部波导水平变化致脉冲声简正波耦合的三参数模型(图1右图耦合2号波波形):

(a)时域耦合波形的最大强度(可以利用声源处激发1号波强度做归一化处理)。

(b)信号时域宽度。

(c)时域信号时频曲线(斜率)。

根据此三参数,可以进行利用耦合简正波声信号反演海洋内部现象导致声速场起伏的研究,可以对非线性大振幅内波等海洋内部动力学过程进行参数刻画,结合实验数据(耦合简正波实验信号)和声场仿真进行内波参数搜索、匹配。

5 结论

本文概述了海洋声学层析的几种基本理论和方法,射线传播时间方法、简正波传播时间方法、简正波相位方法,并提出了一种利用耦合简正波理论进行浅海声学层析的新方法,给出了确定反演导致耦合发生的空间位置的方法和海洋内部波导水平变化致脉冲声简正波耦合的三参数模型。

[1]Munk W,Wunsch C.Ocean acoustic tomography:A scheme for large scale monitoring[J].Deep Sea Research,1979,26 (2):123-161.

[2]Munk W,Worcester P,Wunsch C.Ocean acoustic tomography[M].Cambridge:Cambridge University Press,1995.

[3]Shang E C.Ocean acoustic tomography based on adiabatic mode theory[J].J Acoust Soc Am,1989,85(4):1531-1537.

[4]Tolstoy A,Diachok O,Frazer L N.Acoustic tomography via matched field processing[J].J Acoust Soc Am,1991,89(3): 1119-1127.

[5]Tolstoy A.Matched field processing for underwater acoustics[M].Singapore:World Scientific,1993.

[6]Westwood E K.Broadband matched-field source localization[J].J Acoust Soc Am,1992,91(5):2777-2788.

[7]Lynch J F,Miller J H,Muench R,et al.Acoustic travel-time perturbations due shallow-water internal waves and internal tides in the barents sea polar front:theory and experiment[J].J Acoust Soc Am,1996,99(2):803-821.

[8]Rouself D.Coherence of acoustic modes propagating through shallow water internal waves[J].J Acoust Soc Am,2002, 111(4):1655-1666.

[9]Chiu C S,Miller J H,Lynch J F.Forward coupled-mode propagation modeling for coastal acoustic tomography[J].J Acoust Soc Am,1996,99(2):793-802.

[10]刘进忠,高大治,王宁.基于耦合简正波到达时间结构的海洋锋面声学监测[J].中国科学:G辑,2009,39(5):719-727.

A New Methd of Ocean Acoustic Tomography

L IU Jin-zhong1,2
(1.Weifang University,Weifang 261061,China;2.The First Institute of Oceanography,Qingdao 266061,China)

Theories and methds of ocean acoustic tomography are summarized.An new method of ocean a oustic tomography,forward coup ling no rmal mode ocean acoustic tomography,is presented.

ocean acoustic tomography,acoustic mode coup ling,sound propagation,shollow water a oustics

P733

A

1671-4288(2010)04-0107-04

(责任编辑:刘乃生)

2010-02-10

国家自然科学基金项目(40806041)。

刘进忠(1976-),男,山东昌乐人,潍坊学院物理与电子科学学院副教授,博士。