珊瑚型环礁斜坡地形水下声传播特性分析

原齐泽，秦志亮，马本俊，朱兆林，刘雪芹，蔡观强

（1.哈尔滨工程大学水声技术重点实验室，哈尔滨 150001；2.海洋信息获取与安全工信部重点实验室（哈尔滨工程大学），工业和信息化部，哈尔滨 150001；3.哈尔滨工程大学水声工程学院，哈尔滨 150001；4.山东海洋信息技术研究院，山东威海 264200；5.广州海洋地质调查局，广东广州 510000）

0 引 言

南海珊瑚环礁主要以生物建造为主，珊瑚礁盘环绕水下高地生长，在地貌上构成环礁。环礁及其所围限的泻湖为浅水环境，通常水深在50 m以内；环礁周缘为深水区，水深可从几十米迅速演变为上千米，因此环礁周缘通常表现为高陡斜坡，并不断接收从环礁剥落而来的珊瑚碎屑，形成斜坡沉积产物[1]。这种独特的生物建造演化出独特的地形地貌、物质特性、水文环境以及声场结构等海洋环境特征。

岛礁区水下声场是一个十分复杂的时间-空间-环境因素参杂随机多途传输的环境[2]，声波经过海面和海底多次反射造成严重的多径效应，使得声线经过多次反射后沿着不同路径到达接收点，在传输过程中，声波会发生严重的能量衰减和信号畸变[3-5]。因而对岛礁海区水下目标信息的获取与探测，必须对声场有着充分的研究。地形作为影响水下声场结构的重要环境要素，一直是海洋学家的研究重点[6-7]。1968年，Northrop等[8]通过在美国加利福尼亚海域斜坡上布置声源进行实验测量发现，与平坦海底相比，由于斜坡的存在深海声道轴接收的声能量会增多，因此这种现象被称作“斜坡增强效应”，这种斜坡可以是大陆坡，也可以是岛礁斜坡。在夏威夷瓦胡岛海域，Tappert等[9]使用抛物方程模型[10]对岛礁水下真实的海洋环境进行了仿真研究。国内秦继兴等对大陆坡二维声传播规律进行研究[11]，实验结果表明大陆坡会对水体中能量分布、声信号脉冲展宽存在影响。胡治国等[12-14]众多学者针对我国南海的陆架滑坡、海底山、海沟等地形开展大量试验研究与理论验证，为我国南海复杂的海底地形声场特性总结出宝贵的分布规律。2019年，张乾初等[15]在南海北部的海洋环境噪声测量实验中，观测到航船噪声在岛礁区域斜坡地形引起的远距离传播进入深海声道的现象，着重分析了噪声谱级随深度变化的机理及受岛礁区域斜坡地形影响的深海海洋环境噪声空间的分布特性。

前人研究结果显示[16-18]，明确不同地形下的水下声场结构及其分布规律，对改进声学探测技术，优化目标探测方法具有重要意义。但目前对岛礁斜坡地形下的水下声场结构及其分布规律研究相对较少。

本文以南海某珊瑚环礁为例，基于高分辨率的地形数据以及水文条件，利用快速、简便的射线追踪法构建岛礁斜坡水下声线传播路径模型，结合抛物方程模型对声传播损失的精确计算，总结我国南海岛礁斜坡水下声场的分布规律，重点分析斜坡地形对声线轨迹、传播损失、冲击响应等影响，以期为岛礁区海底环境的目标探测以及水下声学对抗等实践应用提供理论基础和技术参考。

1 研究区域概括和地形特征

我国四大海域中渤海、黄海、东海都属于浅海，只有南海属于深海海域。本文研究区位于南海某海域，最大水深约1 900 m。

基于海底多波束测深数据，本文对某区域海底形貌进行了精细刻画，图1中显示了该区域海底复杂的微地貌结构特征。研究区主体属于典型独立生长的台礁，深度基准面以上的顶部礁体露出海面或退潮后露出海面，构成广大弧形礁盘；深度基准面以下的礁体水深范围10～50 m，属于浅海环境。浅海区地形背景坡度介于0°～2°之间，相对较平坦。图1（b）给出了主要斜坡地形剖面，西侧斜坡陡峭坡度最高超过30°；东侧斜坡坡度平均在3°以上，极少区域坡度最高达45°；南侧斜坡坡度集中在10°～15°之中；北侧斜坡坡度分布在10°附近，存在部分坡度超过 40°的斜坡。台地以外海域整体水深范围为650～1 600 m处于半深海环境，背景坡度在0°～5°之间，海底凹坑洼槽边缘以及海底凸状隆起边缘坡度增大，最高坡度超过15°。

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

2 声传播仿真模型

本文使用射线模型Bellhop计算在二维平面内声线传播轨迹，同时利用抛物近似模型RAM对水下声传播损失进行定量仿真。图2给出了通过计算研究海区水下1 100 m的实测温度剖面数据得到的水文剖面，在后续仿真过程中将使用夏季声速剖面。

图2 研究海域6月、12月声速剖面Fig.2 Sound speed profiles in June and December in the studied sea area

文献[19]对南海岛礁区海底珊瑚沉积物的采样调查结果显示，与常见砂泥沉积物相比，岛礁区独特的珊瑚砂沉积物具有较高的孔隙度和孔隙比、较大的含水量，以及较小的湿密度。岛礁浅海区域由于海浪、海流等水动力因素的存在，使得细粒沉积物难以停留，而以块状、片状和粗短枝状的珊瑚为主。表1给出了某海底珊瑚类沉积物的参数。

表1 海洋底质沉积物参数Table 1 Marine sediment parameters

依据沉积物声速c与中值粒径d之间的关系[19]，计算沉积物声速，计算公式为

仿真中声源频率为1.5 kHz，沉积物密度约为1.80 g·cm-3，吸收系数为0.35 dB·λ-1，海底沉积物厚度为20 m，水深小于50 m的浅海区域沉积物声速1 461.9 m·s-1，水深大于50 m的深水区域沉积物声速1 378.1 m·s-1。图3为岛礁区水下声学环境模型，从上至下分别是水层、沉积层以及岛礁基底。

这天晚上，米多翻来覆去无法入眠，脑海里一直在回忆鲍泽说的话。翌日，他收拾书包准备上学的时候，瞥见了桌上的笔筒里躺着一支录音笔。

图3 岛礁斜坡声学环境模型Fig.3 Acoustic field model of reef slope

3 仿真结果分析

世界范围内普遍存在台地周缘的岛礁斜坡地形，声波在该区域传播存在两种形式：一种是从斜坡底部向岛礁台地传播，与之对应的是从岛礁台地向斜坡底部的传播。这两种传播在岛礁声学中十分重要，对岛礁地形内的目标探测、声隐身与反潜均存在着重要意义。目前，受人们关注的斜坡增强效应与泥流效应[21]指出，当声源从浅海斜坡顶端向下发出声波时，与平坦海底相比，在深海声道轴深度附近的传播损失会减小，同时传播损失的减小还受到声速剖面、海底声吸收系数、斜坡角度以及声源位置的影响。而与之相反的从斜坡外侧发出声线沿斜坡向上传播的过程目前研究尚有欠缺，本节从岛礁斜坡地形对上坡声波传播过程的阻碍影响分析，分别探讨声源深度以及坡度对声传播结果的影响。

3.1 斜坡地形对声线阻碍作用的分析

图4给出了岛礁主要斜坡地形下的800 m深度声源目标发出的声线仿真结果与30 m水深水平方向声传播损失变化曲线。计算结果显示，声线沿斜坡向上传播，在岛礁台地前侧附近经过与海底海面的多次反射后汇聚，岛礁台地高度接近海面甚至超出海面，会阻挡大量的声线传播。图4（a）中地形高度超过海面，完全阻碍声线传播，声线被阻挡后全部集中在上坡段的半封闭空间内消散。图4（b）中声线遇到地形阻碍，由于地形坡面角度较大，当入射声线与地形接触角度接近90°时，发生近180°的翻转回传，声线反向远距离传播。大部分声线在上坡阶段遇到阻碍无法顺利向前传播，其余声线只能会聚在狭小通道内，在通道中的声线经过多次与海底海面的反射造成较大的声传播损失，多数声线携带的能量在通道内消散，少量声线能够到达台地另一侧。在30 m水深的水平方向声传播损失结果也表明，声传播损失受斜坡地形影响严重，在声能传输到斜坡上端处时，传播损失迅速增大，严重不利于声能的传输。因此当被动声呐置于岛礁台地时，从斜坡下端发出的声信号将处于屏蔽或半屏蔽状态。

图4 岛礁主要斜坡区的声传播Fig.4 Sound propagation in the main slope area of island and reef

3.2 声源深度对斜坡地形下的声传播影响分析

本文所研究的区域深度未达到传统深海声道轴，且声速剖面与岛礁海底地形均未发生明显变化，因此声源深度的不同，是斜坡对声场的影响的主要因素。图5给出的是岛礁斜坡模拟地形，水平距离36 km，斜坡上端为50 m水深浅海海域，斜坡底部为1 100 m水深深海海域，坡面最大坡度20°。

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

声传播计算中，选择15、500、1 000 m水深声源分别代表浅水、深水、海底目标发出的声波。结果中，不同深度的声传播损失结果差异较小，说明声能在浅海区域分布均匀，岛礁浅海区域的声传播损失垂向分布差异不大。在图6（a）中会聚区集中在从声源至与海底发生第一次接触位置的三角区域内，经过一次反射，声传播损失增加30 dB。而后在10 km距离位置附近经过一次海面反射，声传播损失又增加20 dB左右，声传播损失大于100 dB。图6（c）、6（d）中声源位于500 m水深，此时声场中会聚区在 400 m深度以下普遍存在，会聚区面积明显增加。经过海底反射后的多数声波在继续传播过程中并未与海面发生接触，声传播损失增加幅度减小，在5 km距离位置附近发生第一次海面反射，传播损失增加约25 dB，在距离12 km位置附近发生与海底发生反射后传播损失增加15 dB，随后在距离23 km位置处声传播损失大于120 dB。图6（e）、6（f）中，声源水深1 000 m接近海底，三角会聚区张角增大，会聚区面积进一步增加，在靠近海底位置沿斜坡形成多处会聚区。从海底目标发出的声波传播到浅海区域过程中声传播损失约为60 dB，在距离5 km位置附近发生海面反射后传播损失大于90 dB。在23 km坡顶的位置声波产生会聚，传播损失相对较小，减小约10 dB，随后在33 km位置处声传播损失超过140 dB。为了探索上述现象的物理机制，对上坡过程中的本征声线路径进行计算，Bellhop在所有声线传播路径的基础上，删减传输过程中消散的声线以及未到达接收点的声线，只给出到达接收位置处声线的路径，因此显示的本征声线数目也反映了声波在收发过程中传输完整性的情况。声源在±13°范围内发出50条均匀分布的声线，从靠近海底的1000m深度分别上升至800 m与600 m，接收点在斜坡上水深30 m位置处。

图7中声源深度1 000 m靠近海底，存在7条声线能进行远距离传播并最终到达浅海区域的接收位置，其中有2条声线（蓝色声线）在传播过程中并未经过海面碰撞；随着声源深度的减小，声线传播过程的损失增大，大多数声线传输距离缩短，能够到达坡顶的本征声线数目减少，接收位置处的声线仅存4条（2条蓝色声线）；进一步减小声源深度到600 m时，声线的传输距离进一步缩短，仅存3条声线（0条蓝色声线）能够到达接收位置。原因在于负声速剖面环境中，水深较浅的声源发出的声线角度向下偏转朝向海底传播，第一次与海底发生碰撞的位置距离声源更近，同时发生反射的声线与海底碰撞时的入射掠射角更大，反射后的声线反弹的高度增加，因此在水体中进行了大范围的偏转移动，消耗更大。而深水声源发出的声线与海底碰撞后反弹的高度减小，能够以更少的海面反射次数向上传播，声波的传播过程相对简单直接，从而减少了传播损失，传播得更远。

图6 不同深度声源在斜坡区的声传播仿真Fig.6 Simulation of sound propagation in slope area for the sound source at different depths

图7 不同深度声源的本征声线Fig.7 Sound eigenrays of the sound source at different depths

3.3 坡度对声信号传播的影响

声信号在水下的传播是时变多途信道，接收点接收到的声压由不同路径的声压叠加而成。受岛礁区域海底复杂地形等因素影响，各途径声信号选择性衰落，信号的持续时间和频带得到展宽，声信号发生多途畸变。在经典射线声学中通过声线轨迹计算传播损失，而多途信道冲击响应函数则由接收到的声场中所有到达射线（本征声线）的叠加而得到：

在利用被动声呐探测目标时，探测范围往往不局限于单一地形。使用被动声呐从岛礁一侧对另一侧目标进行探测时，声波必然经过上坡和下坡两个过程，其中坡度对声信号传输过程的影响尤为重要。针对这一问题，进行声信号接收情况仿真。仿真中，从实测地形中截取两段相同高度，坡度陡、缓的岛礁坡面路线，水平长度均20 km，斜坡高度均在水深50～750 m。为防止坡面长度对信号接收时间产生影响，将两个斜坡顶端连接，构成类似岛礁地形剖面路线。设定先通过缓面上坡、陡面下坡路线为途径1，与之对应相反方向为途径2。在掠射角−13°～13°范围内均匀发出50根声线，改变声源深度及接收位置深度进行接收本征声线计算。

在表2途径1的计算结果中，声源在200～300米水深时，接收深度在200～600 m范围内并未接收到本征声线。声源水深增加，接收到的本征声线数目逐步增多，同时数目增加的幅度明显变大。途径2的计算结果中，声源水深从200 m至400 m过程中，接收到的本征声线数目逐渐增加。水深从400 m至700 m过程中，接收到本征声线数目起伏减小。从对比结果中可以看出，当声源深度较浅时，途径2接收到的本征声线数大于途径1，声源深度达到500 m时，途径1接收到本征声线数目与途径2相近。声源深度进一步增加至700 m时，途径1接收到的本征声线数目大约是途径2的5倍。说明在坡度小的一侧深水声源发出的声线更容易爬坡并且穿过岛礁地区，而坡度大的斜坡地形对深水声源发出的声线存在更大的阻碍，而有利于浅水声源发出的声线传播。

表2 方向相反两个声传播路径的计算结果对比Table 2 Comparison between the calculation results of sound propagation along the two paths in the opposite directions

图8 方向相反两个路径的接收信号时延对比Fig.8 Comparison between time delays of the received signals along the two paths in the opposite directions

为进一步分析斜坡地形坡度对接收信号的影响，对接收水深400 m处本征声线到达时间进行计算。图8中，在途径1地形下，声源在50～350 m水深范围内，没有本征声线能够传播。在水深400～700 m时，信号接收时间呈减小趋势，减小幅度0.11 s。途径2地形下，在水深50～700 m范围内均有本征声线到达，接收信号时间在26.51～26.64 s范围内起伏变化，变化最大幅度为0.13 s。

4 结 论

本文以南海某珊瑚型环礁区为例，基于射线仿真程序Bellhop与抛物近似模型RAM对岛礁斜坡地形条件下的声传播进行计算仿真，模拟水下目标声学信号的传播轨迹，得到岛礁区水下声场的声线轨迹、本征声线、传播损失、信号时延等声学特性分布规律，总结具体结论如下：

（1）声波在岛礁区域传播过程中受斜坡地形阻碍影响严重。岛礁斜坡区，由于负梯度声速与岛礁高陡斜坡地形的共同作用，声能量在随着海深变浅的距离上经过坡面反射后会聚。同时研究海域声速分布的临界深度位于海面附近，声源位置越靠近海底，会聚区发生概率越高，声能量会聚区覆盖面积越大，使得斜坡外缘浅海区域不易被岛礁斜坡顶端的被动声呐所探测。

（2）环礁区内坡度较小的斜坡地形屏蔽浅海目标的声传播，对深海目标的声传播更为有利，而浅海目标更适合在坡度较大的斜坡地形下传播。

本文以某珊瑚型环礁区为研究对象，旨在为认知岛礁斜坡水下声场特征以及岛礁海区目标探测的系统设计提供一定参考。

致谢感谢哈尔滨工程大学水声重点实验室提供研究平台，全球移动卫星服务（GMSS）提供数据。