深海海底山引起的混響雜波聯(lián)合預(yù)報(bào)方法

楊華, 秦繼興, 莫東鵬, 高博

(1.中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所 聲場(chǎng)聲信息國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 物理學(xué)院, 北京 100190; 3.中國(guó)人民解放軍92578部隊(duì), 北京 100161; 4.中國(guó)海洋大學(xué) 信息海洋技術(shù)學(xué)院, 山東 青島 266100)

混響和雜波是主動(dòng)聲吶的主要干擾,二者形成過(guò)程相似且通常摻雜疊加在一起,但散射機(jī)理不同。混響是聲波與連續(xù)變化的隨機(jī)粗糙界面和非均勻介質(zhì)發(fā)生不規(guī)則散射的疊加,雜波則是非目標(biāo)的強(qiáng)散射體形成的“亮點(diǎn)”干擾,其強(qiáng)度遠(yuǎn)大于隨時(shí)間衰減的彌散性混響。在淺海環(huán)境中,海底地形變化一般不大,關(guān)于淺海混響模型多關(guān)注混響的強(qiáng)度和空間分布規(guī)律[1-9]。在深海,特別是我國(guó)南海部分海域,由于地形水平變化形成的大起伏海底山增加了海底散射的復(fù)雜性,導(dǎo)致混響、海底雜波要素都摻雜在一起。摻雜在混響中的雜波是引起水聲主動(dòng)探測(cè)虛警概率升高的主要原因,同時(shí)也大幅度改變了彌散性混響的統(tǒng)計(jì)特性,嚴(yán)重制約了主動(dòng)探測(cè)聲吶的混響抑制、目標(biāo)識(shí)別性能。

在目前的深海混響研究中,國(guó)內(nèi)外的研究人員基于射線理論提出了一系列的深海混響預(yù)報(bào)模型[10-13],這些模型大多應(yīng)用于水平或傾斜地形的小起伏海底環(huán)境,難以對(duì)我國(guó)南海部分復(fù)雜地形條件下的混響雜波進(jìn)行統(tǒng)一預(yù)報(bào)。如王龍昊等[11]基于南海大深度混響實(shí)驗(yàn),給出了不同頻率、不同收發(fā)位置的深海混響實(shí)驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合仿真算例分析了深海混響的強(qiáng)度起伏特征,發(fā)現(xiàn)仿真-實(shí)驗(yàn)對(duì)比中未能預(yù)測(cè)的雜波信號(hào)是由海底山形成的強(qiáng)散射產(chǎn)生。

歐美的水聲研究人員也在發(fā)表的文獻(xiàn)中提出了與之類(lèi)似的問(wèn)題:Preston等[14]分析了NATO(north atlantic treaty organization)快速反應(yīng)演習(xí)和邊界表征實(shí)驗(yàn)期間在拖曳陣列上接收的遠(yuǎn)程混響數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)了大陸架、海底山等海底起伏性在混響極坐標(biāo)圖上顯示的強(qiáng)散射雜波特征。并將海底混響模型與寬帶混響模型結(jié)合,在拖曳陣列混響數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立模型-數(shù)據(jù)差異的極坐標(biāo)圖來(lái)估計(jì)海底損失和海底散射強(qiáng)度,分析了起伏海底邊界特征對(duì)聲散射的影響[15]。其中的海底混響是依據(jù)傳統(tǒng)的小起伏海底混響模型計(jì)算的,通過(guò)結(jié)合混響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和水深測(cè)量圖比對(duì),可以很好地識(shí)別地該片海域未知的海底散射特征,但模型預(yù)測(cè)的海底混響與大起伏海底山環(huán)境的混響數(shù)據(jù)并未吻合。

由此可見(jiàn),對(duì)于帶有海底山的深海復(fù)雜環(huán)境,摻雜在一起的海底山雜波和小起伏海底混響的一體化預(yù)報(bào)是現(xiàn)有的深海混響模型難以處理的實(shí)際問(wèn)題,亟需提出一種可以對(duì)海底山地形條件下的混響和雜波進(jìn)行統(tǒng)一聯(lián)合預(yù)報(bào)的理論模型,這是對(duì)傳統(tǒng)小起伏海底深海界面混響模型研究的有益擴(kuò)展。

深海海底山對(duì)聲波的三維水平折射效應(yīng)已被眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)和證實(shí),并且這種三維聲傳播效應(yīng)與大尺度海底山目標(biāo)在主動(dòng)聲吶探測(cè)時(shí)所形成的強(qiáng)散射回波息息相關(guān),進(jìn)而增加了海底山回波探測(cè)的難度。本文提出的深海混響和海底山雜波統(tǒng)一預(yù)報(bào)方法為了計(jì)算的便捷性,忽略了混響傳播過(guò)程中的水平耦合效應(yīng),將海底山看作孤立的強(qiáng)海底體積散射源。即以接收點(diǎn)為中心,將隨空間分布的海底地形按不同方位、深度、距離等間隔劃分網(wǎng)格單元,根據(jù)海底山分布函數(shù)搜索最接近海底山表面的網(wǎng)格點(diǎn)作為本征聲線接收點(diǎn)來(lái)計(jì)算海底山界面的信道傳輸函數(shù)和散射函數(shù)。利用南海實(shí)測(cè)混響數(shù)據(jù)對(duì)方法進(jìn)行了驗(yàn)證,通過(guò)數(shù)值計(jì)算比較有、無(wú)海底山環(huán)境下的海底混響計(jì)算結(jié)果差異,發(fā)現(xiàn)本文所提出的預(yù)報(bào)方法可實(shí)現(xiàn)水平小起伏海底混響和孤立海底山雜波的統(tǒng)一聯(lián)合預(yù)報(bào)。

1 深海復(fù)雜地形下混響雜波聯(lián)合建模

從深海混響射線理論模型出發(fā),考慮單散射近似,深海混響與海底山雜波統(tǒng)一表達(dá)式為:

(1)

式中:I0為發(fā)射信號(hào)平均強(qiáng)度;第1項(xiàng)表述了小起伏海底產(chǎn)生的海底混響;S為相應(yīng)的混響散射過(guò)程;A為散射單元的作用面積;Hm、Hn為在不同傳播方式m、n下的入射、散射傳輸函數(shù);第2項(xiàng)表述了海底山的強(qiáng)體積散射過(guò)程形成的雜波;σmn(h)為海底山的體積散射強(qiáng)度;h為海深,隨著海底山的地形而有較大變化。在深海環(huán)境,求解小起伏粗糙海底和大起伏海底山目標(biāo)表面的信道傳輸函數(shù)和散射函數(shù),同時(shí)疊加相同時(shí)刻下散射面積的貢獻(xiàn),即可實(shí)現(xiàn)海底混響與海底山回波的聯(lián)合計(jì)算。

對(duì)于深海雙基地平臺(tái),如果忽略了不同傳播方式下的傳播時(shí)間差異,即傳播時(shí)間只取決于水平傳播距離和深度垂直方向上的聲速梯度時(shí),相同時(shí)間到達(dá)接收器的海底混響信號(hào)來(lái)自于圖1所示的橢圓環(huán)海底散射區(qū)域,將橢圓環(huán)上的散射聲場(chǎng)疊加即可得到這個(gè)時(shí)刻下的混響聲場(chǎng)。但是由于深海信道下各聲線傳播差異較大,導(dǎo)致以不同路徑到達(dá)橢圓環(huán)上的各個(gè)區(qū)域的傳播時(shí)間不同,這一點(diǎn)是不可忽略的。在橢圓環(huán)散射單元?jiǎng)澐智疤嵯?按接收方位將橢圓環(huán)進(jìn)一步等間隔劃分,再將每一塊被劃分的散射單元所對(duì)應(yīng)不同傳播路徑下的散射聲場(chǎng)進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算,最后將所有的散射聲場(chǎng)按照傳播時(shí)間的遞增順序疊加起來(lái),建立深海海底混響的數(shù)值計(jì)算模型。

圖1 海底散射單元網(wǎng)格劃分示意Fig.1 Grid diagram of seabed scattering area

假定收發(fā)距離為2d,橢圓長(zhǎng)軸與短軸之和為2l,按照接收方位角φ將橢圓環(huán)以等方位間隔劃分成多個(gè)微小平行四邊形的疊加,則每個(gè)平行四邊形的面積ΔA以及平行四邊形上的散射體到聲源和接收器的水平距離rinc和rscat分別為:

ΔAmn=rscatφ×Δrmn

(2)

(3)

式中:Δrmn為平行四邊形的高,即橢圓環(huán)寬度。考慮到橢圓環(huán)在各個(gè)方向的寬度是不一樣的,在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下認(rèn)為橢圓環(huán)的寬度是最大寬度(垂直方向)與最小寬度(水平方向)的算術(shù)平均:

Δrmn=

{cbτ0/(cosθm+cosθn)+

(4)

式中:cb為海底界面處海水聲速;τ0為發(fā)射信號(hào)脈沖寬度;θm、θn分別為聲波到達(dá)、離開(kāi)海底的掠射角。

1.1 混響的小起伏界面散射函數(shù)模型

在深海雙基地混響計(jì)算中,單位面積散射元對(duì)聲波的散射貢獻(xiàn)可由結(jié)合Lambert散射定律和Kirchhoff近似的三維界面散射函數(shù)表示為:

S(θm,θn,φmn)=μsinθmsinθnexp(iξmn)+

ν(1+ΔΩ)2exp(-ΔΩ/2σ2+iξmn)

(5)

式中:μ為背向散射強(qiáng)度;v為側(cè)向散射強(qiáng)度;σ為側(cè)向散射偏差。與Ellis等[7]的工作相比,本文在三維散射函數(shù)中引入了隨機(jī)相位ξ,ξ為服從[0,2π]均勻分布的隨機(jī)相位。ΔΩ為鏡反射方向上散射聲線的偏轉(zhuǎn)度量:

(6)

在小起伏海底環(huán)境下,假定海底平均深度為zb,聲源角頻率為ω,聲源深度為zs,接收深度為zs,聲源、接收器至海底散射元水平距離分別為rinc、rscat,則入射傳輸函數(shù)和散射傳輸函數(shù)由射線模型展開(kāi)為數(shù)值形式:

Pinc,m=Am(rinc,zs,zb)exp(iωτm(rinc,zs,zb))

(7)

Pscat,n=An(rscat,zr,zb)exp(iωτn(rsact,zr,zb))

(8)

綜合式(2)、(5)、(7)、(8),得到式(1)中第1部分小起伏深海海底環(huán)境下的混響數(shù)值計(jì)算式為:

(9)

式中:∑表示按入射傳播時(shí)間τm與散射傳播時(shí)間τn之和,將所有傳播路徑m、n,以及所有網(wǎng)格i、j對(duì)應(yīng)的散射場(chǎng)排序疊加(i、j分別表示在距離、方位上劃分的散射單元網(wǎng)格)。該海底散射數(shù)值計(jì)算模型將雙基地混響按照傳統(tǒng)橢圓環(huán)散射區(qū)域劃分的同時(shí),也充分考慮了橢圓環(huán)內(nèi)每個(gè)區(qū)域的傳播時(shí)間差異,并獨(dú)立劃分不同傳播路徑下的橢圓環(huán)寬度。同時(shí)模型還能對(duì)海底混響按照不同接收方位角進(jìn)行單獨(dú)劃分,對(duì)于模擬具有方位波束角度的水聽(tīng)器接收的海底混響十分有效。

1.2 海底山散射函數(shù)的數(shù)值模型

與水平海底小起伏界面相比,在計(jì)算海底山的散射函數(shù)σmn(h)時(shí)引入了以下2點(diǎn)假設(shè):1)只考慮單次海底散射;2)不同深度海底山的散射強(qiáng)度依賴于入射聲線和散射聲線的幅度。針對(duì)于大起伏海底山目標(biāo),以接收點(diǎn)為中心,按不同方位、深度、距離等間隔劃分網(wǎng)格單元,并根據(jù)海底山分布函數(shù)搜索最接近海底山表面的網(wǎng)格點(diǎn)作為本征聲線接收點(diǎn)來(lái)計(jì)算海底山界面的信道傳輸函數(shù)和散射函數(shù)。如圖2所示,假定某個(gè)聲源或接收方位角上的海底深度隨距離變化的起伏函數(shù)為T(mén)(r),r為水平傳播距離。在需要計(jì)算的深度范圍hmax和距離范圍rmax內(nèi)分別按照Δh和Δr間隔設(shè)定若干個(gè)本征聲線計(jì)算點(diǎn),則海底山表面所在網(wǎng)格點(diǎn)為:

圖2 海底山表面聲線接收點(diǎn)網(wǎng)格搜索示意Fig.2 Grid search of sound ray receiving points on seamount surface

(nh,nr)=(?(T(r)/Δh)」,r/Δr)

(10)

式中:?(T(r)/Δh)」為向下取整符,即向海面方向取最接近海底山所在的網(wǎng)格點(diǎn)作為海底山的本征聲線接收點(diǎn),從而獲得海底山界面的本征聲線幅值、時(shí)延、掠射角等參數(shù),用于計(jì)算海底山表面的信道傳輸函數(shù)和散射函數(shù)。

在該網(wǎng)格下,海底山表面的入射傳輸函數(shù)和散射可以修正為:

(11)

(12)

將式(2)、(5)、(10)、(11)、(12)聯(lián)立后,可得到海底山不同深度位置產(chǎn)生的強(qiáng)散射雜波數(shù)值計(jì)算表達(dá)式為:

(13)

2 基于Munk剖面的混響雜波仿真

以錐形海底山為例,對(duì)不同寬度、高度海底山形成的混響雜波進(jìn)行仿真分析。仿真環(huán)境選取圖3所示的典型Munk聲速剖面,海深5 000 m。假設(shè)底部為單層粗糙砂質(zhì)海底結(jié)構(gòu),其底質(zhì)參數(shù)分別取密度1.8 g/cm3,聲速1 650 m/s,衰減系數(shù)0.3 dB/λ。海水密度假設(shè)為均勻不變量,取1.0 g/cm3。聲源頻率為600 Hz,發(fā)射信號(hào)脈寬為0.1 s,聲源、接收的深度為200 m,收發(fā)水平距離為0 m,即收發(fā)合置。使用式(5)給出的散射函數(shù),其中的具體參數(shù)分別為10lgμ=-32 dB,10lgv=-10 dB,σ=10°。如圖4所示,以接收位置為坐標(biāo)中心,在5 000 m平均海深下模擬了3個(gè)錐型海底山,分別分布于90°、180°、270°水平方位角,起始位置均為25 km,最大高度分別為2 000、2 500、2 000 m,寬度分別為30、30、45 km。其中,海底山1與海底山2寬度一致,后者高度大500 m;而海底山1與海底山3最大高度一致,后者寬度大15 km。

圖3 典型Munk聲速剖面Fig.3 Munk sound speed profile

圖4 不同高度、寬度的錐形海底山模擬Fig.4 Simulation of conical seamount with different height and width

為了充分考慮海底山的水平折射效應(yīng),射線聲場(chǎng)采用射線聲學(xué)專業(yè)軟件BELLHOP3D程序計(jì)算。李晟昊等[16]利用南海海底山環(huán)境聲傳播實(shí)驗(yàn)證明了該三維聲場(chǎng)計(jì)算模型相比于傳統(tǒng)二維聲場(chǎng)計(jì)算模型可以以更高的精確度計(jì)算存在海底山水平折射效應(yīng)的聲場(chǎng)。結(jié)合深海復(fù)雜海底地形環(huán)境下的海底混響計(jì)算模型,將海底地形以等間隔網(wǎng)格劃分,進(jìn)行海底混響與海底山回波統(tǒng)一仿真。其中橢圓環(huán)散射單元在水平距離上以0.1 km間隔劃分,每個(gè)橢圓環(huán)再以10°方位角間隔劃分,海底山表面本征聲線接收點(diǎn)以20 m深度間隔的網(wǎng)格進(jìn)行搜索。

針對(duì)圖4所示的錐形海底山環(huán)境,圖5給出了不同方位的混響強(qiáng)度衰減結(jié)果。與無(wú)海底山的方位相比,在海底山1、2、3對(duì)應(yīng)的方位,混響強(qiáng)度極坐標(biāo)圖在35 s之后均出現(xiàn)了強(qiáng)起伏雜波特征,且雜波特征存在一定的差異。為了分析不同高度、寬度錐形海底山的雜波特征,在不同的方位取一定的扇面角分析混響的強(qiáng)度衰減曲線規(guī)律。圖6分別給出了以0°、90°、180°、270°為扇面中心角度,扇面寬度為60°的混響強(qiáng)度對(duì)比,其中實(shí)線表示0°扇面(無(wú)海底山),虛線曲線表示90°扇面(海底山1),點(diǎn)劃線曲線表示180°扇面(海底山2),虛點(diǎn)線表示270°扇面(海底山3)。綜合圖5、6可知,隨著海底山的升高,對(duì)應(yīng)的海底山雜波增大,相比于海底山1高出了500 m的海底山2,其形成的混響雜波增大了約3 dB,雜波時(shí)間寬度基本一致。另外,隨著海底山的寬度的增大,對(duì)應(yīng)的海底山雜波時(shí)間尺度更大,海底山1形成的混響雜波分布在35～85 s,而海底山3形成的混響雜波分布在35～115 s。考慮到海底山1與海底山3最大高度相同,水平寬度的增大必然導(dǎo)致海底山陡度的較小,進(jìn)而影響信道傳輸函數(shù)和散射函數(shù),因此海底3形成的混響雜波略微降低。特別地,與無(wú)海底山的方位相比,3個(gè)錐形海底山形成的混響雜波到達(dá)之后均出現(xiàn)了混響場(chǎng)影區(qū),這是由海底山的掩蔽效應(yīng)造成的,且海底山的高度、陡度越大,掩蔽效應(yīng)越明顯。

圖5 混響強(qiáng)度隨方位、時(shí)間極坐標(biāo)分布Fig.5 Azimuth and time distribution of reverberation intensity

圖6 不同錐形海底山混響強(qiáng)度對(duì)比Fig.6 Comparison of reverberation intensity of different conical seamounts

3 混響實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析

2018 年 4 月,中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所聲場(chǎng)聲信息國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在南海進(jìn)行了一次雙基地深海混響實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用單船結(jié)合深海聲學(xué)接收潛標(biāo)的作業(yè)方式進(jìn)行,如圖7 所示。接收潛標(biāo)系統(tǒng)由 20 個(gè)自容式水聽(tīng)器(underwater signal recorder, USR)組成,USR 以非等間距方式布放,水聽(tīng)器接收靈敏度為-170 dB,信號(hào)采樣率為 16 kHz。圍繞接收潛標(biāo),“實(shí)驗(yàn) 1 號(hào)”船在聲傳播測(cè)線上間隔約 6 min 投擲一枚標(biāo)定深度為200 m 的 1 kg TNT 當(dāng)量寬帶爆炸聲源。接收潛標(biāo)位置海深測(cè)量值為3 472 m,圖8為實(shí)驗(yàn)環(huán)境測(cè)量聲速值的擬合結(jié)果,屬于非完全深海聲道。

圖7 混響實(shí)驗(yàn)布置Fig.7 Schematic diagram of reverberation experiment

圖8 實(shí)驗(yàn)海區(qū)聲速剖面Fig.8 Sound speed profile in experimental area

取205 m接收深度水聽(tīng)器、收發(fā)距離為0.76 km的實(shí)測(cè)混響信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)度特性分析。圖9為實(shí)測(cè)混響信號(hào)的時(shí)頻圖,頻率范圍為10 Hz～3 KHz,時(shí)間0～40 s(定義聲源于零時(shí)刻發(fā)射)。由圖9可知,在3 kHz頻率范圍內(nèi)實(shí)測(cè)混響數(shù)據(jù)表現(xiàn)出顯著的起伏到達(dá)現(xiàn)象,每個(gè)起伏峰的到達(dá)時(shí)間差約為4.5 s。隨著頻率的升高,聲波的衍射效應(yīng)減弱、傳播衰減增大,相應(yīng)的混響起伏峰越窄、能量越小。特別地,實(shí)驗(yàn)信號(hào)在800～900 Hz內(nèi)存在噪聲干擾。對(duì)混響時(shí)域信號(hào)進(jìn)行窄帶濾波處理,中心頻率為600 Hz,圖10為濾波后的混響級(jí)曲線。首次峰值出現(xiàn)時(shí)間約為0.4 s,對(duì)應(yīng)了直達(dá)聲波的到達(dá)時(shí)間,海面混響與體積混響信號(hào)隨后到達(dá),然后強(qiáng)度迅速衰減,海底混響信號(hào)在第2個(gè)峰值對(duì)應(yīng)時(shí)間首次到達(dá)。經(jīng)海底、海面不同次數(shù)反射的海底混響信號(hào)被分成多個(gè)峰緊隨第2個(gè)峰之后到達(dá),并且每個(gè)峰出現(xiàn)后混響強(qiáng)度急劇衰減。隨著時(shí)間的增加,混響峰的極值逐漸減弱。值得注意的是,不同頻率下的混響信號(hào)均在31 s附近出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)起伏雜波,且該雜波峰的強(qiáng)度大于前2個(gè)混響峰,時(shí)間到達(dá)特征與混響峰不匹配,這表明該時(shí)間段對(duì)應(yīng)的海底區(qū)域具有十分強(qiáng)的散射效應(yīng)。考慮到實(shí)驗(yàn)環(huán)境的地形起伏性,該混響雜波可能是由海底山強(qiáng)散射回波造成的。

圖9 實(shí)測(cè)混響時(shí)頻圖Fig.9 Time-frequency diagram of measured reverberation data

圖10 實(shí)測(cè)混響強(qiáng)度衰減曲線Fig.10 Intensity attenuation curve of the measured reverberation signal

以接收位置為坐標(biāo)中心,圖11繪制了接收潛標(biāo)周?chē)?0 km的海底地形分布圖,聲源、接收器所在位置已在圖中標(biāo)出。海底地形數(shù)據(jù)來(lái)源國(guó)家海洋科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://mds.nmdis.org.cn/),測(cè)量時(shí)間為2020年。考慮到海底地形時(shí)變特性較小,該地形數(shù)據(jù)可以較好地描述實(shí)驗(yàn)海域的地形分布。由圖11可知,實(shí)驗(yàn)海域在以接收點(diǎn)為中心的190°～240°方位、280°～350°方位較為顯著的海底山,海底山的起伏高度在1 000～2 000 m,海底山以大片連續(xù)山嶺的形式分布。而在10°～180°方位,海底以小起伏分布,平均海深與接收潛標(biāo)位置處的海深一致。

圖11 以接收點(diǎn)為中心的海底地形分布Fig.11 Distribution of seabed topography centered on receiving point

圖12給出了圖11所示海底地形對(duì)應(yīng)的海底混響仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比。圖12中虛線為經(jīng)平滑平均的實(shí)驗(yàn)混響強(qiáng)度曲線,實(shí)線為模型考慮了海底山三維水平折射效應(yīng)下計(jì)算的海底混響強(qiáng)度曲線,點(diǎn)劃線為模型以3 472 m平均海深計(jì)算的小起伏粗糙海底混響強(qiáng)度曲線。對(duì)于模型計(jì)算中環(huán)境參數(shù)的選擇主要依據(jù)該海區(qū)的歷史調(diào)查資料和反演結(jié)果,底質(zhì)參數(shù)選取水平不變的單層海底模型,聲速為1 580 m/s,密度為2.2 g/cm3,衰減系數(shù)為0.3 dB/λ,海水密度為1.02 g/cm3。海底底質(zhì)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)過(guò)程中海底采樣獲取的樣品測(cè)量參數(shù)基本一致。爆炸聲源等效脈寬以0.1 s計(jì)算。式(5)的散射函數(shù)具體參數(shù)分別取10lgμ=-32 dB,10lgv=-10 dB,σ=8.2°。

圖12 混響仿真-實(shí)驗(yàn)對(duì)比Fig.12 Simulation and experimental comparison of reverberation

由圖12可知,由于海底地形的起伏性,實(shí)驗(yàn)混響信號(hào)與仿真混響信號(hào)均出現(xiàn)了一定的雜波特征,且仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為吻合。對(duì)比無(wú)海底山環(huán)境和實(shí)驗(yàn)環(huán)境的混響仿真結(jié)果,混響起伏峰值吻合較好,但由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境的非平坦性,即并非以3 472 m海深分布,導(dǎo)致混響峰到達(dá)之后的衰減強(qiáng)度得到了降低,并且在25 s后混響強(qiáng)度出現(xiàn)明顯的增大。對(duì)比實(shí)驗(yàn)環(huán)境的仿真結(jié)果與測(cè)量結(jié)果,模型成功地預(yù)測(cè)了小起伏粗糙海底混響起伏衰減特征和大起伏海底山雜波特征,但也存在部分差別。模型只計(jì)算由海底散射引起的海底混響信號(hào),并未預(yù)報(bào)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在近程所體現(xiàn)的直達(dá)波峰、海面混響、體積混響,但由對(duì)比結(jié)果可知,在非完全深海信道環(huán)境下,海底混響依然是深海混響的主要貢獻(xiàn)。仿真結(jié)果中較為顯著的海底山回波在31 s左右到達(dá),相比于無(wú)海底山環(huán)境其強(qiáng)度高出約10 dB,海底山強(qiáng)度、時(shí)間特征與測(cè)量數(shù)據(jù)相比存在細(xì)微差別。考慮到海底地形數(shù)據(jù)并非實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的真實(shí)測(cè)量值,實(shí)際環(huán)境中的海底山位置與仿真環(huán)境相比存在一定偏差,以及海水聲速的水平非均勻性,在海底山回波到達(dá)時(shí)間上仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值存在0.5 s左右的誤差。海底山散射函數(shù)以三維粗糙海底界面散射函數(shù)近似計(jì)算,未考慮海底山地形凹凸不平引起的多次散射效應(yīng),這是模型預(yù)測(cè)的海底山回波強(qiáng)度略小于實(shí)際值的估計(jì)原因。

為了具體分析不同方位海底山對(duì)海底計(jì)算的影響,將混響仿真結(jié)果按不同接收方位 (如圖1所示)展開(kāi),圖13繪制了不同方位混響強(qiáng)度隨時(shí)間衰減的極坐標(biāo)分布圖。

圖13 混響強(qiáng)度隨方位、時(shí)間極坐標(biāo)分布Fig.13 Azimuth and time distribution of reverberation intensity

由圖13可知,不同方位的混響強(qiáng)度衰減特征與海底地形圖相互對(duì)應(yīng)。在10°～180°方位無(wú)明顯海底山,這個(gè)方位范圍內(nèi)的混響強(qiáng)度曲線沒(méi)有出現(xiàn)雜波特征,只存在由海底、海面對(duì)聲波的反射作用引起的混響起伏峰。而在190°～240°方位、280°～350°方位范圍內(nèi)出現(xiàn)了分布時(shí)間、強(qiáng)度不等的混響雜波。從本文的理論模型出發(fā),海底山對(duì)信道傳輸函數(shù)(式(11)、(12))與散射函數(shù)的共同影響,導(dǎo)致其回波在海底混響強(qiáng)度衰減曲線上以起伏雜波的特征分布。圖11中標(biāo)號(hào)為1、2、3、4、5的海底山在混響極坐標(biāo)圖中均出現(xiàn)了與其位置對(duì)應(yīng)的雜波。其中,標(biāo)號(hào)為1、3、4的海底山形成的雜波強(qiáng)度較高,在總混響強(qiáng)度曲線上分布明顯,到達(dá)時(shí)間約為30.0、31.0、33.4 s。標(biāo)號(hào)為2、5的海底山形成的雜波強(qiáng)度相對(duì)同時(shí)刻的混響強(qiáng)度不高,且受到各方位接收的混響強(qiáng)度干擾,經(jīng)疊加后的海底山回波在總混響強(qiáng)度曲線上分布不明顯,到達(dá)時(shí)間在21.2～26.3 s。為了具體分析不同海底山的混響雜波曲線特征,取不同的接收方位扇面進(jìn)行混響強(qiáng)度對(duì)比,圖14分別給出了60°～90°、200°～230°、270°～300°、310°～340°扇面的混響強(qiáng)度衰減曲線對(duì)比結(jié)果。60°～90°扇面無(wú)顯著海底山,混響強(qiáng)度隨時(shí)間按一定的起伏規(guī)律衰減,無(wú)明顯雜波。200°～230°扇面存在起伏高度較小的海底山,形成的混響雜波較小,但時(shí)間寬度大。270°～300°扇面和310°～340°扇面相似,均存在起伏高度較大的海底山,形成的混響雜波較大。與模擬的錐形海底山環(huán)境下的混響仿真結(jié)果相似,具有顯著海底山分布的方位在海底山強(qiáng)散射回波到達(dá)之后均出現(xiàn)了混響場(chǎng)影區(qū),對(duì)應(yīng)的混響強(qiáng)度低于同時(shí)刻小起伏海底分布區(qū)域的混響強(qiáng)度,這是由于海底山對(duì)聲波的水平折射效應(yīng)產(chǎn)生的掩蔽效果。

圖14 不同扇面的混響強(qiáng)度對(duì)比Fig.14 Contrast of reverberation intensity of different sectors

4 結(jié)論

1)海底山是一類(lèi)孤立的海底強(qiáng)散射體,海底山雜波強(qiáng)度的理論預(yù)報(bào)需要完成對(duì)海底山體積散射函數(shù)的數(shù)值積分。本文通過(guò)水平和垂直維度的網(wǎng)格劃分,將海底山地形變化所引起的體積散射強(qiáng)度變化進(jìn)行了離散化數(shù)值表征。結(jié)合射線聲學(xué)理論和小起伏海底混響散射區(qū)域的網(wǎng)格搜索方法,可以實(shí)現(xiàn)海底山體積散射的快速計(jì)算。

2)仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均表明海底山引起的雜波水平時(shí)間尺度主要受海底山地形的水平寬度影響,而海底山雜波的強(qiáng)度與垂直維度的海底山高度成正相關(guān)。

3)通過(guò)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證,本文提出的預(yù)報(bào)方法成功的預(yù)測(cè)了小起伏粗糙海底混響起伏衰減規(guī)律和大起伏海底山雜波特征,理論仿真的海底山雜波出現(xiàn)的時(shí)刻和絕對(duì)強(qiáng)度與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合度較好。但也有一部分偏差。造成偏差的主要原因是本文重點(diǎn)關(guān)注的是海底山體積散射函數(shù)的數(shù)值表征,未考慮混響前向傳播過(guò)程的三維折射效應(yīng)。另外,理論模型中只考慮了海底界面散射,未將海面混響以及海底山界面的多次散射納入到理論模型的修正中。這些都是未來(lái)的重點(diǎn)研究工作。另外,需要指出的是本文理論反正是以單線程運(yùn)算,若優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)并進(jìn)行多線程運(yùn)算,可以大幅提高運(yùn)算速度,在距離、深度以及各方位上以更高的精度進(jìn)行遠(yuǎn)距離海底山回波預(yù)測(cè)。