海洋声学层析研究现状与展望

赵航芳，汪非易 ，朱小华，徐 文

（1.浙江大学 信息与电子工程学系，浙江 杭州 310027；2.国家海洋局第二海洋研究所 卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012；3.浙江大学 海洋学院，浙江 杭州 310027）

海洋声学层析研究现状与展望

赵航芳1，汪非易1，朱小华2,3，徐 文1

（1.浙江大学 信息与电子工程学系，浙江 杭州 310027；2.国家海洋局第二海洋研究所 卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012；3.浙江大学 海洋学院，浙江 杭州 310027）

海洋声层析是1979年美国科学家W.Munk等人提出的，通过测量传播时间等声传播信号有关参量反演声波所穿越的海洋特征，得到大面积海域中的海洋动力学状态及其变化的估计。声层析方法自提出以来受到各国的重视。在最初的20 a间，以全球测温计划（ATOC）为代表的一系列验证实验推动了声层析的理论研究、设备研制和应用。步入21世纪后，声层析与海洋动力学的数据同化、利用滑翔机等设备的移动声层析以及沿海声层析得到重视，并进行了相关的理论与实验研究。纳入成像旗下的声层析希尔伯特方法、有效低功耗的分布式传感网络声层析，以及被动声层析，或将成为声层析未来研究的重要方向。

声层析；成像；分布式网络；被动声层析

层析一词来自希腊文，Tomo指的是“切片”、“分层”的意思，奠定层析基础的中心定理是投影—切片定理，以实现对一个物体或一种现象与过程进行分层成像。层析可追溯到1917年，奥地利数学家Radon指出，一个空间函数可从它的投影的完备集合重构，是一个典型的成像问题。医学计算机辅助层析（CT）利用X－射线源和接收器阵同步旋转，测量人体对沿着大量平行路径（高过105）的射线的吸收性以判断病灶。如果将X－射线改换为生物医学超声，例如诊断超声中B式扫瞄两维成象（B－超），也可作类似的层析。原则上，水声物理与生物医学超声物理有许多共同之处（例如散射、饱和与空化）。正是受此启发，美国Scripps海洋研究所的Munk和麻省理工学院地球、大气和行星科学系的Wunsch于1979年提出海洋声层析[1-2]，通过分析在多对发射与接收系统之间传播的编码信号研究海洋特性。然而，相对于CT高达105个平行路径的投影测量，海洋声层析的观察网格要稀疏得多，通常只能达数十或数百个路径，造成未知量远多于方程数，属于欠定逆问题求解的范畴。海洋声学家经过多年的努力，声层析无论在实验设计、设备研制、反演方法和应用上都取得了长足的进步，在世界各个海域已进行了20多次的大型海上实验。

本文按声层析的发展历程对其进行综述。第一节总结了声层析的历史，包括基本理论和早期的实验，同时概述了近年间取得的进步；第二节分析了声层析的未来发展趋势和研究方向；第三节对本文的内容作简要的总结。

1 声层析历史

为了弥补经典物理海洋学与卫星遥感在测量海洋内部中、亚中尺度动力学现象的局限性，利用海洋动力学过程对声传播特性的影响，在1970年引入海洋声监测方法，用于海洋内波、中尺度涡、潮流、罗斯贝波和海流等现象的观测。

1.1 声层析开端（1976-1980年）

在1976年美国ONR成立30周年纪念会议上，Munk首次报告了利用相距25 km两点间互易传播时间进行深海和浅海的温度与海流测量的实验结果。发射-接收两点间声信号互易传播时间的平均值，反映两点间海域的平均声速，进而反映了平均温度。两点之间声信号互易传播的时间差反映了两点连线方向上海水的流速。将多对数据进行融合与拼接，可以得出被测海域的温度场和流速场。1977年在ONR官员Bezdeck倡导下，成立了声层析小组：Scripps的Munk与Worcester任负责人，Woods Hole的Spindel与Porter负责水声设备（包括设备的深海锚锭、精确的位置保持等），Webb负责制造可用于SOFAR信道布放的声源，Michigan大学的Birdsall和Metzger负责信号处理，MIT的Wunsch首次将反演理论应用于海洋观测。自此开启了声层析小组长达25 a的合作研究。首次实验在1978年秋进行，利用海军声警戒系统（SOSUS）布放在海底的阵，完成了百慕大以西900 km距离的声传播测试，结果表明在两个月的时间间隔内，在发收路径上提供了13条可稳定分辨、辨识与跟踪的声线。1979年，Munk与Wunsch在对实验的总结中首次给出了利用声反演海洋盆地中尺度起伏的可行性，并类比医学成像提出了Ocean Acoustic Tomography（OAT）这一术语[2]。

声信号在一条特征声线上的传播时延可以表示为[1]：

式中:i代表不同的声线。第i条声线的传播时延等于声线经过的路径长度除以路径上的声速，即慢度S（声速的倒数）在传播路径Гi上的积分。

假定声速扰动较小，实测时延与先验传播时延之差Δτi可近似为慢度之差ΔS(z)在原声线路径Гi(-)上的积分。

式中：δτi为由测量、模型等引起的误差。对每条声线都可得到相似的积分方程，那么估计声速的问题等价于ΔS(z)的求解问题。如果对海洋进行垂直维深度分层，层数N，每层设一个ΔSj表示这一层的慢度差，方程可等价于：

式中：M为声线数目；Ei,j为第i条声线在第j层走过的距离。将方程组写成矩阵的形式，有：

式中：y=[Δτ1,…，ΔτM]T；x=[ΔS1,…，ΔSN]T；n 为噪声向量。由y求解x，是典型的逆问题。可以采用最小二乘估计方法解得慢度x＾=(ETE)-1ETy，再由慢度获得声速进而温度估计。由于海洋声层析收－发数据对少，数据密度稀疏，通常未知量多于方程数，N＞＞M，因此面临着固有解的唯一性与稳定性问题。其后海洋声学家利用作正问题研究的海洋声学所提供的先验信息，发掘数据对之间的约束关系（规则化），以获得式(5)稳定与迭代收敛解。

1.2 声层析实验（1981-2000年）

从1981年开始的20 a间以实验验证为主[1-3]。1981年进行了300 km×300 km范围OAT验证实验，实现了中尺度声速场、湾流跟踪。1983年在大西洋300 km距离进行了RTE83实验，进行互易声传播时间测流的层析验证。1983年佛罗里达海峡实验，在20 km和45 km距离进行三角形布放，进行区域平均涡度测量和海流的监测。1983-1989年北太平洋盆地，进行了系列长距离、低频宽带声学传播实验，发现了4 000 km距离上声到达结构的互易特征。1984年弗拉姆海峡，在53 km和161 km的布放距离上验证利用边际冰带和表面波层析的可行性。1984年墨西哥湾流实验，布阵距离19～51 km，验证基于海底设备利用海面和海底反射声线路径层析的可行性。1987年北太平洋RTE87实验，进行750km,1 000 km,1 275 km距离热容量、正压流场、涡度场和潮流的测量。1988-1989年进行了格陵兰海实验，以200 km间距五角形布阵，进行温度、热容量、正压流场和潮流的测量，以及移动船层析可行性；这两年还进行了墨西哥湾流实验，仍采用200 km五角形布阵，进行正压、斜压流场、中尺度涡等测量。1988年在蒙特雷峡谷进行了54 km距离上表面波层析的验证。1989年进行SLICE89实验，利用3000m长垂直接收阵测试1 000 km切面的水平采样特性、内波散射特性。1990年进行ATE90实验，利用声层析与数值海洋模型作1 000～2 000 km范围海洋现报与预报的验证,进行了GASTOM实验，布设300 km边长五角形阵，研究海洋中尺度现象变化性。1991-1992年进行了AMODE实验，测试西北大西洋350～670 km范围涡旋流和热传送、层析数据与数值模型的同化、移动船层析。1992年巴伦支海35 km范围，利用混合射线-简正模方法在浅海开展对Polar峰的动力学研究。1993年ATE-93声层析在阿拉伯海进行应用测试。1994年北冰洋声传播（TAP）实验，进行利用声信号监测北冰洋温度变化和海冰变化的可行性研究。1996年直布罗陀海峡实验，进行了声层析用于海峡流量和热量输运测量的可行性实验。1996年拉布拉多海实验，测量了对流。1998年进行ACOUS实验，对北极气候进行观测。

声层析最著名的应用之一是全球测温计划（ATOC）[4]。Munk等提出了用声学方法来监测全球变暖的设想，利用声传播速度随温度变化的规律，在大洋中测量声波超远距离传播的时间变化，得到传播途径上声速/温度变化的平均值。为了检验该方法的可行性，1991年开展了HIFT-I可行性实验，1994年继续HIFT-II实验，1995年启动了著名的ATOC实验。1991年采用57 Hz大功率声源，布放于水下175 m，声源级达220 dB；1995年采用75 Hz声源，布放于水下1 000 m，声源级195 dB。声源从南印度洋的赫德岛位置发射，于深水声道中传播后，在阿留申岛、百慕大、开普敦、圣诞岛、果阿、克雷洛夫海底山上、南极毛森站、美国东西海岸、新西兰、日本、澳大利亚等处接收。实验证明经过1.8×104km的传播，声信号仍有足够大的信噪比，并能被压缩，时间分辨力可达10～50 ms，可实现大范围、高准确度监测水温变化（精度0.01℃），用于判断全球气候是否变暖以及变化速率。

20 a声层析实验中，在实验系统的布设上，侧重于数百到数千千米的距离上布设多个固定锚系声发射-接收站，一般布放在待测量区域外围，有三角形、长方形及五角形等布放方式。固定锚锭节点采用发-收合置形式，为实现深海长距离测量，换能器通常发射低频信号，频率在400 Hz以下，声源级在190 dB以上，最大达到220 dB左右。为了能在1 000 m左右的声道轴布设，发射换能器需要采用压力补偿措施。接收阵通常采用垂直阵，由数个或数十个不等间距布放的水听器构成，布放在发射换能器的上方或下方。固定节点在深海锚锭的时间长达数月与数年，节点的定位精度也达到了几十米以内的量级。

在信号处理方法上，Wunsch的博士生Cornuelle利用随机过程的演化特性，发展了Gauss-Markov声层析估计理论，获得的中尺度等高线图，与CTD测量结果相吻合。经过近20 a的发展，基于不同的声参量，海洋声层析的方法主要有：声线传播时间层析、简正波传播时间层析、峰值匹配层析、简正波相位层析、简正波水平折射层析和匹配场层析等。

1.3 21世纪声层析（2001至今）

理论研究的进步推动着声层析的应用更富多元化。将海洋声层析与海洋动力学同化实现区域动力环境-声场同步观测，从固定节点层析到移动平台层析，发展沿海声层析进行流速反演，声层析近年来继续向前发展。

1.3.1 海洋声层析与海洋动力学同化 海洋物理过程与声传播特性有着紧密的联系。一方面声波传播受多种物理过程（如水体密度、锋、涡、流及其它动力特性）引起的声速剖面进而海洋温度场结构扰动影响很大，因而海洋声学研究一直致力于量化海面、水体和海底各种物理过程对声传播的影响。另一方面，声场数据又蕴含着丰富的介质信息，因此可以利用海洋声学技术实现对海洋环境的大范围、长时序、低分辨、动态、实时的监测，这也是OAT发展的动因。在OAT之前，海洋学家早已开始利用各种设备对海洋动力过程进行直接局部、高分辨和高精度的测量。不难推测，融合海洋动力学模型、海洋环境参量局部测量、声传播模型和声场大范围测量，在保证测量范围的前提下，声层析的测量精度与分辨力能够得到有效提高，这就是海洋动力学—声学数据同化，是捕捉、减少环境不确实性的重要手段之一[5-6]。

1.3.2 移动声层析 21世纪声层析的一个新方向是利用移动船拖曳水平阵或/和配以AUV或滑翔器的移动声层析。2009-2011年实施的菲律宾海声层析实验[7]是其中的代表。菲律宾海实验在五角形固定节点布设的基础上，增加了4个滑翔器和1个水平拖曳线阵。图1显示菲律宾海声层析实验节点布放与Glider轨迹图，右下角为Glider解剖图。

菲律宾海声层析由北太平洋实验室（NPAL）主持，主要研究锋面、中尺度涡时空变化规律的声学监测方法，同时结合声层析数据、水下滑翔器和潜标等海洋动力环境测量及海洋模型作同化，给出该海区海洋中尺度过程时空特性，及对深海传播的影响等。

实验在T1-T5布放5个固定节点，形成五角形，并在中心布放节点T6。DVLA处布放一个分布式垂直线阵接收机，记录接收的声信号。4个滑翔器按图1的红、黄、粉和白4条路线滑行，测量1 000 m以内的温、盐、深数据，并记录声信号。船拖曳一个5倍频程水平线阵（FORA），分别围绕其中两个站位呈六角形分布轨迹运动。

图1 菲律宾海声学层析实验节点布放与Glider轨迹图[7]（右下角为 Glider）

DVLA是由5个1 000 m子阵组成的新型垂直阵。5个子阵分别布放于650～725 m，800～1 400 m，1 475～1 625 m，4 285～5 095 m，5 185～5 280 m 海深处，每个子阵的阵元数分别为2,25,3,10,20；阵元间距分别为75 m，25 m，75 m，90 m，5 m。DVLA的阵元为自容式模块，含数据采集、存贮和时间同步于一体，夹在耦合感应钢缆上。每个子阵顶部都有一个控制器，为自容式水听器提供时间同步与调度。耦合感应调制解调器为子阵控制器之间、水听器模块之间提供低带宽(1 200 bit)的通信能力，用于命令、控制和时间同步信号传送。

FORA含有4个耦合模块，组成了一个嵌套声阵，分别以频率 250 Hz，500 Hz，1 000 Hz，2 000 Hz的半波长布阵，其中以250 Hz的半波长布阵的水听器64个。整个阵孔径长189 m，阵拖曳深度在120～250 m之间变化。

滑翔器的航速0.5 kn，可下潜至1 000 m，续航时间长达6个月，3 000 km，可实现600次下潜。滑翔器上携带温度、盐度、水听器和声通信机（WHOImicromodem，25 kHz,FSK,80 bps） 等传感器与设备。

1.3.3 沿海声层析 在浅海，由于海表和海底的反射使得传播损失增加，加大了近海声信号远距离传播的难度。在近海区域，由于繁忙的渔业活动以及船舶交通的影响，传统的测流方法很难进行大面积的观测。沿海声层析（Coastal Acoustic Tomography，简称CAT）观测可以不受渔业以及航运的影响，进行长期、连续的大面积观测。其中，沿海流场声层析在国内外已有一定的理论和实验研究[8-10]，解决了水平流场层析和两点间垂向流速剖面层析问题，三维流场声层析将是今后最大的挑战之一。

沿海流场声层析通过建立流场反演模型，在水平方向上，将观测区域划分为矩形网格并利用函数展开法对流速场进行近似展开，通过离散化近似求出最佳解；在垂直方向上，利用接收到的多条声线的信息，可以反演流速剖面。在此基础上，利用卡尔曼滤波将CAT观测得到的传播时间差的数据同化到海洋环流模式中，满足力学平衡，提高流场的空间分辨力和准确度。将此作为初始值，利用模式可以得到随时间发展的流速场。

CAT发展于20世纪90年代，近年间主要在我国及日本进行了一系列实验，取得了显著的进展。2009年4月—2010年5月期间，在钱塘江共进行了11次双向声传播测流实验，通过传播时间差数据得到声传播路径上的平均流速并进行ADCP走航观测。同年，国家海洋局第二海洋研究所在舟山岛南侧海域成功地进行了中国首次多台沿海声层析测流实验，观测到实验区域西南部直径3～4 km的顺时针潮流涡旋[8]。

2 声层析展望

声层析实质上是一个成像问题，是一个函数重构问题，因而是泛函分析问题，通常被反演参量维数大于测量维数，这样一个欠定问题求解要求有坚实的理论、分布式传感系统支撑。

2.1 声层析成像框架

对于海洋中的温、盐、深，锋，涡，流，内潮，内波，黑潮等各种时空尺度的海洋物理过程的观测可看作为对复杂场景的成像问题，属欠定逆问题，不存在唯一解，需要我们将测量得到的波形、波前、射线等空-时域信号通过适当的域变换，变换到像域或特征空间，实现高可靠分辨和分离，完成海洋物理过程观测。高维甚至无限维希尔伯特空间为可分辨性和可分离性提供了先决条件，而运算在希尔伯特空间中的算子的谱分解理论提供了实现方法——再生核希尔伯特空间声层析核方法[11-12]。

前面已经讲到，声信号传播时间差与声速/慢度扰动之间存在着一个积分关系，这一关系体现了声传播物理的正散射问题，而再生核希尔伯特空间方法也提供一个相似的Hilbert-Schmidt积分算子：

式中：K(x,y)为核函数；f为空间Ω中的某一函数；LK为积分算子。两者联合起来提供逆散射问题解。例如应用海洋声学波动理论模型联合信号传播时间峰值到达处理，可以建立观测时间和声速之间的传播敏感核[11]，利用核方法提供研究三维空间声速变化层析或重构的一个途径。

2.2 分布式声层析

典型的声层析方案是在待观测区域的外围布设观察节点，为覆盖大观测区域，要求节点发射大功率信号，在信号处理上也要求同时反演全局待观测向量，计算量大，如果要实现在线反演，还将导致大数据通信量。

一个有前景的层析方案是采用分布式网络[13]，增加节点数量，在待观测区域的外围与内部密集布放观察节点，节点可以是低功耗的、小型低成本的。随着单个节点（发射-接收器）的能力下降，工作距离减小，声层析系统设置也需要随之改变，不再适合采用所有节点互连型的网络，而采用只与周围相邻节点互连的分布型网络。这种分布型配置可有效降低能源消耗；单个节点的失效不会像传统设置那样影响整个系统的层析结果，而只影响局部测量结果；节点定位可通过节点间通信信号测距来实现，而传统设置需要三个以上高频信标实现；节点分布拓扑结构可根据环境场分布自适应调整；节点作用距离缩短，可以选择较高工作频段，水声换能器的成本和体积可显著减少。但分布式层析的系统设计、分布式处理方法和性能分析都有待进一步发展。

2.3 被动声层析

发射-接收器的高功耗一直是海洋声层析的制约因素。被动声层析[12]的目的是避免利用锚系高功耗的声源，而采用环境声作为层析信号。该技术在观测区域两侧布放接收阵。环境声信号，如一个远处船舶的辐射噪声或水下生物噪声，传播经过一个阵形成一个已知的信号，它再传播到第二阵被接收。通过比较处理两个阵的声信号，可以推断出两个阵之间的信道传递函数，进而推断出海洋信息。由于信道传递函数和输入信号都未知，被动声层析也被称为盲海洋声层析。由于声源与信道都未知，要求作联合估计，这就要求给予更多的先验信息和约束，并要求处理迭代进行，收敛到最好拟合解。

3 结语

声层析是海洋环境监测的重要方法。本文从不同时间段分析了声层析的研究历程与发展趋势，总结了声层析的基本方法与典型实验布设，并概述了近年来海洋动力学同化研究、典型移动层析实验以及沿海声层析的研究进展。最后，本文描述了声层析的三个有前途的未来发展方向。

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Ocean Acoustic Tomography:Current Progress and Future Prospect

ZHAO Hang-fang1,WANG Fei-yi1,ZHU Xiao-hua2,3,XU Wen1
1.College of Information Science and Electronic Engineering,Zhejiang University,Hangzhou310027,Zhejiang Province,China;
2.State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics,Second Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Hangzhou310012,Zhejiang Province,China;
3.Ocean College,Zhejiang University,Hangzhou310027,Zhejiang Province,China

Ocean acoustic tomography (OAT)was proposed in 1979 by American scientist W.Munk and his collaborators.OAT estimates the properties of the ocean,through which acoustic signals propagate,by measuring the propagation time and other acoustic parameters.It soon became an effective method to study the state and variation of oceanic dynamics in large sea areas.OAT gained great attention from 1980-2000,during which a series of verification experiments,particularly with the ATOC project,were conducted to promote theoretical research,equipment building and applications.After entering the 21stcentury,further research of theory and experiment has been made with regard to acoustic tomography as a data assimilation means with ocean dynamics,moving tomography with gliders and moving horizontal array as mobile nodes,as well as the coastal acoustic tomography.The open questions of OAT include:(1)the Hilbert method of OAT in a unified imaging framework,(2)effective and economical acoustic tomography with distributed sensor network, (3)passive acoustic tomography.

ocean acoustic tomography;imaging;distributed sensor network;passive acoustic tomography

TB56;O427.1

A

1003-2029（2015）03-0069-06

2015-03-18

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2012AA090901）；国家自然科学基金资助项目（41276095,41476020,41276028,41321004）

赵航芳（1972-），女，博士，教授，主要研究方向为声信号处理。E-mail:hfzhao@zju.edu.cn