论文专区▏拖曳声源深海脉冲多途效应及直达波传播特征
一、引言
深海水声多路径传播通常含直达波、海面反射波、海底反射波，与海面、海底反射波的组合形式，各类型声波的达到时差及强度差异对声场预报、传播损失计算、水声地位、环境参数反演及水声设备评估极具价值与参考意义[[1]]。
直达波是指由发射声源传播至水听器，而不与边界发生相互用的声波。当声源与水听器同时位于浅表层，且深度远小于水深时，直达波还包括海面一次发射的声波[2]，并将与海面、海底同时作用后的声波统称为海底反射波。深海脉冲传播多途效应相对显著，对于高信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）数据，可从时域波形对目标信号进行识别区分，进而得到各声波的到达时差、声强差异；对于多元垂向阵（vertical line array，VLA），可对比研究多途声波的垂向分布特征。
声波与下边界的相互作用是浅海水声传播衰减主要影响来源，故直达波是浅海脉冲传播至接收设备中衰减最小、声强最大部分，略射角较大的声波由于多次的边界损失，难以识别[3]。深海多途结构显著，对于宽带爆炸声源信号，通常不考虑低SNR时的目标信号，然后对于近似单频的窄带拖曳声源信号，可采用相位匹配[4]、带通滤波等常用手段检测得到较低SNR条件下的目标信号。
陆娟娟等[5]采用WKBJ简正波理论计算深海脉冲波形及其群速度，模拟收发深度对深海多途效应的影响。孙梅等[6]利用深海近海面拖曳声源所产生的声场，与大深度矢量水听器接收得到的信号，分析了8km以内的近场直达波信号的水平/垂向振速与略射角的关系。翁晋宝等[2]通过理论推导得出深海近距离声场干涉结构，并将其应用与底质声学反演，取得了较好的效果。
已有的关于深海多途效应及直达波区域声场特征研究多是基于理论建模推导其传播衰减成因，并未考虑多途到达的声波强度差异，也未提及海洋环境对其空间分布所造成的影响。本文基于南海试验数据，构建带通滤波器可从时域有效识别目标信号，并对比分析各直达波、海底反射波的强度差异。结合深海声速剖面特征与射线理论，研究海洋水声环境对直达波空间变化特征的影响。
二、数据来源与处理方法
⒈ 水声调查
当前常采用收发分置的水声设备进行走航式水声试验，见图1。信号接收设备为VLA，上端连接至海面浮标，配备电台以实现与母船的实时通讯，安装GPS以确定其实时位置信息；下端连接铅鱼，用于减弱海流造成的VLA倾斜。
母船沿预设航线前行并释放声信号，常用于水声试验的声源可分为爆炸声源与拖曳声源，前者声源级大，且信号频带宽，在远程声传播试验中应用广泛；拖曳声源工作深度、波形、声源级可知，且具有较强的稳定性和可控性，信号经滤波处理后多途现象显著，适于对比分析直达波、海底反射波的特征差异，满足文章研究所需的数据要求。
图1 海上水声调查示意图
作者所在部门采用图1所示方式，于2016年9月在南海海域组织开展了一次深海水声综合试验，所用VLA电缆长度200m，含16个阵元，各阵元采样率20k。近似无指向性的拖曳声源发射不同中心频率的窄带（近似单频）正弦脉冲信号，信号长度为500ms，声源配置压力传感器，可实时获取其深度信息。对调查航线上的水深及声速剖面也一并进行观测。
⒉ 目标信号识别
受海洋环境噪声干扰，通过目测难以有效识别水听器原始采集波形序列中的目标信号，见图2（a）。拖曳声源发射功率谱可知，在考虑拖曳速度所致的多普勒效应基础上，可确定目标信号的中心频率，进而采用带通滤波算法即可提取目标信号。对于近似单频的窄带拖曳声源信号，采用带通滤波算法对目标识别效果较好，见图2（b）。
本文不对数据滤波处理进行详细介绍，具体方法及步骤可参照文献[7]和[8]。
图2 水听器时域归一化幅度序列
三、试验数据分析与讨论
⒈ 多途效应
经Butterworth数字滤波器处理得到水听器深海信号波形见图3。其中，目标信号为拖曳声源发射的中心频率为500Hz的正弦脉冲，声源深度约为50～56m，海底地形平坦，水深在4100～4200m间。图3中，各子图纵坐标为深度，波形振幅为归一化电压幅度。
对于电缆长200m的VLA接收阵，各阵元信号接收时间相差甚小，图3（a）、图3（b）各深度处的阵元接收到的信号到达时间几乎一致。拖曳声源试验过程中脉冲发射间隔30s，可排除相邻两次接收信号所造成的叠加混淆。
图3 各深度水听器目标信号波形
引言中提及深海多途脉冲可分为直达波、海底反射波，直达波所传播路径最短，最先到达接收设备；海底反射波随反射次数增加，声强逐渐降低。故对于一段经滤波处理后的时域波形序列，应先判定其声强，当最先到达的信号声强较小，第2个信号最强，且后续信号逐渐减弱时，则各信号分别为直达波、第1次海底反射波、第2次海底反射波……；同时，判定目标声波信号类型需参考距离拖曳声源的距离，通常直达波随传播距离的增加逐渐减弱消失；各深度阵元接收信号时间相差甚小，故对比各阵元的波形序列也是重要参照之一。
依据上述原则，对图3中信号进行分类。如图3（a）所示，近距离处，声源与VLA相距7.6km，拖曳声源发射1次脉冲，VLA各阵元可接收到3次目标声波信号，多途效应显著。最先达到的为直达波，由于声源、VLA深度远小于水深，故海面反射波与直达波重叠，因此文章所定义的“直达波”还包括海面反射波；于是，后续信号分别为第1、2次海底反射波。如图3（b）所示，中距离处，声源与VLA相距31.14km，拖曳声源发射1次脉冲，VLA各阵元可接收到4次目标声波信号，分别为直达波、第1、2、3次海底反射波。如图3（c）所示，受海洋环境声传播衰减影响，远距离处信号弱，无直达波，且第1次海底反射波幅度较小，各深度接收声强差异较大，难以识别与区分。
对比图3中各子图易知，深海直达波并非声强最大的目标信号，第1次海底反射波声线显著大于直达波，且0～200m水层各深度直达波差异较大。
⒉ 直达波分布特征
水声试验过程中，2#水听器故障，该通道数据无法使用。作者将其余15个通道试验数据进行带通滤波处理，提取中心频率为1000Hz的信号数据，并采用DFT（Discrete Fourier Transform，离散傅里叶变换）计算各直达波信号能量，
式中，ωN＝e(-2πi)/N，N截断信号数据点数。具体信号段截取及噪声剔除方法，可参照文献[8]。
图4纵坐标刻度采用非等间距处理，分析可知，当声源位于浅表层时，在水平范围10～50km，垂向水深5～200m范围内，试验海域拖曳声源深海脉冲直达波在50m以上水层强度最大，水平距离大于40km时直达波强度迅速减小。不难得出，5～200m范围内，直达波向下呈逐渐减弱的趋势。
图4 直达波能量随距离和深度分布
⒊ 物理成因
调查航线附近声速剖面见图5（a），海表向下约50m声速变化微弱，为海表混合层；50～300m间声速垂向变化显著，深海声道位于约1100m深度，最小声速约1484.2m/s。
图5 典型深海声速剖面条件下的声线分布
图5（b）为图5（a）声速剖面条件下的声线分布，其中模拟声源置于50m深度，水深设置为4100m。不难发现，深海环境下，声源、VLA位于浅表层深度时，受SneⅡ折射定律影响，声线在海底、海表多次反射传播。水听器接收到的目标信号多为与边界相互作用得到的反射波，直达波微弱，故直达波声强显著低于第一次海底反射波。
图6 0～60m深度声速分布
图6为与VLA相距15、74、120km处的海洋浅表层声速剖面分布。分析可知，调查海域夏季0～45m水深范围内，声速随深度微弱增加，具备一定的海面波导传输能力[9-10]。当声源深度位于51～56m时，略射角较小的声线可直达或经过海面反射到达VLA各阵元。
深度大于50m的水听器位于夏季强跃层中，声线向下弯曲，无法实现直达[11-12]，故直达波强度随深度/传播距离逐渐减弱，且远距离无直达波。
四、结束语
水声试验声源与VLA位于浅表层时，深海海洋声速剖面对脉冲传播影响明显，多途效应及直达波随距离与深度变化差异较大。文章基于南海水声试验数据分析，得到结论如下：
⑴深海水声传播规律性强，多途效应显著，第1次海底反射波信号最强。近距离处目标声波信号可分为直达波，第1、2次海底反射波；中距离可分为直达波，第1、2、3次海底反射波；远距离目标信号弱，特征不明显。
⑵受夏季海面波导作用，浅层直达波信号较强，随深度、传播距离增加，直达波信号逐渐减弱消失。
参考文献
[1]Rui D,Kunde Y,Yuan L M,et al. A simple expression for sound attenuation due to surface duct energy leakage in low-latitude oceans [J].JASA Express Letters,2016,139(5):EL118-EL123.
[2]翁晋宝,李风华,郭永刚.典型深海声场频率-距离干涉结构分析及实验研究[J].声学学报,2016,41(3): 330-342.
[3]孙荣光,舒象兰,曲大伟.浅海声信道中的声纳脉冲传播多途效应[J].四川兵工学报,2013, 34(12):56-59.
[4]刘理,梁红,孙进才,等.基于信号相位匹配原理的单频信号检测[J].西北工业大学学报,2005,23(3): 307-310.
[5]陆娟娟,韩梅.深海脉冲声传播的多途效应[J].四川兵工学报,2009,30(2):44-46.
[6]孙梅,周士弘,李整林.基于矢量水听器的深海直达波区域声传播特性及其应用[J].物理学报,2016, 65(9):094302-1-094302-9.
[7]赵先龙,孙磊,王川.海洋水声调查及信号处理方法的研究[J].海洋测绘,2009,29(2):67-69.
[8]曲加圣,牛天星.一种窄带水声信号数字处理系统[J].声学技术,2012,31(6):601-605.
[9]Duan R.,Yang K.,Ma Y.Investigation of long-range sound propagation in surface ducts [J].Chin. Phiys.B.,2013,22:124301.
[10]Matthew A D.Signal processing and tracking of arrivals in ocean acoustic tomography[J].J. Acoust.Soc.Am.,2014,136(5):2512-2522.
[11]Ralph A S.,Bolmer S T.,Llya A U.,et al.Deep seafloor arrivals in long range ocean acoustic propagation[J].J.Acoust.Soc.Am.,2013,134(4):3307-3317.
[12]张旭,张永刚,张健雪.海洋混合层结构对表面声道中声传播特征的影响分析[J].海洋学报,2012, 34(1):79-89.
■第一作者孙芳，1969出生，女，天津人，高级工程师，硕士，主要从事水声环境效应与水声调查研究；本项目为国家自然科学基金项目（No.41406004），来自《海洋测绘》（2017年第4期），若其他公众平台转载，请备注论文作者，并说明文章来源，版权归《海洋测绘》所有。
相关阅读推荐
公众号
溪流之海洋人生
微信号▏xiliu92899
用专业精神创造价值
用人文关怀引发共鸣
您的关注就是我们前行的动力
投稿邮箱▏452218808@qq.com