李整林 董凡辰 胡治國(guó) 吳雙林

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)(南京船舶雷達(dá)研究所,南京 211153)

1 引 言

聲場(chǎng)垂直相關(guān)性表征了垂直空間上兩個(gè)接收點(diǎn)聲場(chǎng)的相似程度,既是利用垂直陣進(jìn)行匹配場(chǎng)定位的物理基礎(chǔ),也是基于垂直陣聲吶設(shè)計(jì)及獲取空間增益的重要參數(shù)[1],在實(shí)際海洋環(huán)境中,多途干涉效應(yīng)會(huì)使得聲場(chǎng)的垂直相關(guān)性降低,進(jìn)而影響垂直陣列波束形成和水下目標(biāo)探測(cè)性能,因此聲場(chǎng)垂直相關(guān)性研究一直是海洋聲學(xué)的重要課題之一.

國(guó)內(nèi)外對(duì)聲場(chǎng)垂直相關(guān)性展開(kāi)了大量研究[1?14].我國(guó)對(duì)聲場(chǎng)垂直相關(guān)性的研究多集中在淺海.2001年,Guo等[2]對(duì)淺海遠(yuǎn)距離聲場(chǎng)的垂直相關(guān)性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)垂直相關(guān)系數(shù)隨著距離的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì).2004年,Li等[3]利用垂直相關(guān)特性隨距離的變化反演海底吸收系數(shù).2009年,Wan等[4]通過(guò)兩個(gè)L型接收陣同步研究了淺海聲場(chǎng)的垂直相關(guān)性和水平相關(guān)性.在淺海不平海底條件下聲場(chǎng)空間相關(guān)研究方面,趙梅和胡長(zhǎng)青[5]發(fā)現(xiàn)在淺海傾斜海底條件下,空間相關(guān)性隨著傾斜角度和陣元間距的增加而減小,并且與收發(fā)深度有關(guān); 2011年,王魯軍等[6]發(fā)現(xiàn)與水平海底相比,下坡海底會(huì)增加聲場(chǎng)的空間相關(guān)性,上坡海底會(huì)減小聲場(chǎng)的空間相關(guān)性.

在深海聲場(chǎng)空間相關(guān)方面,Urick等[10,11]提出,會(huì)聚區(qū)聲場(chǎng)的空間相關(guān)性明顯高于影區(qū),而且隨著陣元間距的增加衰減更慢.1998年,周士弘等[1]發(fā)現(xiàn),多途干涉越復(fù)雜,垂直相關(guān)系數(shù)變化越復(fù)雜,而且垂直相關(guān)性與聲源深度、頻率以及聲源與接收器的距離等有關(guān).2013年,Colosi等[12]分別利用耦合模式傳輸理論和絕熱模式近似理論分析了深海環(huán)境下的垂直相關(guān),并研究了深海垂直相關(guān)半徑隨著頻率和距離的變化規(guī)律.Li等[13]和李鋆[14]對(duì)深海聲場(chǎng)空間相關(guān)特性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)聲場(chǎng)的空間相關(guān)系數(shù)的空間分布結(jié)構(gòu)與傳播損失的空間分布結(jié)構(gòu)基本一致,高聲強(qiáng)區(qū)內(nèi)的聲場(chǎng)主要是由一組相位相近的簡(jiǎn)正波或在水體中折射的射線(xiàn)組成,其聲場(chǎng)具有相似性.胡治國(guó)等[15?17]分析了在存在海底斜坡和海底小山丘的海底地形條件下,聲傳播規(guī)律和聲場(chǎng)的水平縱向相關(guān)性.但是,國(guó)內(nèi)對(duì)深海大深度聲場(chǎng)垂直相關(guān)性的研究還鮮有報(bào)道.

本文利用2014年南中國(guó)海的一次深海實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分區(qū)域探究了深海中直達(dá)聲區(qū)、聲影區(qū)和會(huì)聚區(qū)等不同距離位置的大深度聲場(chǎng)垂直相關(guān)性,并給出了相應(yīng)的物理解釋,對(duì)提高深海環(huán)境下垂直陣列的陣增益和水下目標(biāo)的探測(cè)性能等具有重要意義.

2 深海聲傳播實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

2014年6月,聲場(chǎng)聲信息國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在南中國(guó)海進(jìn)行了一次深海聲傳播實(shí)驗(yàn).海上實(shí)驗(yàn)設(shè)備布放示意圖如圖1所示,27個(gè)自容式水聽(tīng)器(USR)組成的潛標(biāo)垂直陣被錨定在O2位置,水聽(tīng)器呈不等間隔布放在102—1866 m深度范圍內(nèi).水聽(tīng)器的靈敏度為–170 dB,通道的采樣率為16 kHz.實(shí)驗(yàn)船以4節(jié)航速拖曳發(fā)射換能器聲源從O2接收陣位置向O1點(diǎn)行駛.O2到O1方向上聲傳播距離的總長(zhǎng)度約172 km,覆蓋了3個(gè)會(huì)聚區(qū).

圖1 海上實(shí)驗(yàn)設(shè)備布放示意圖Fig.1.The configuration of the experiment.

拖曳發(fā)射換能器的深度約為126 m.發(fā)射聲信號(hào)是中心頻率為310 Hz、帶寬為100 Hz的雙曲調(diào)頻信號(hào)(HFM).發(fā)射信號(hào)形式如圖2所示,先發(fā)射20 s,停10 s,重復(fù)四次,再停40 s,然后依次重復(fù)發(fā)射.拖曳聲源的聲源級(jí)標(biāo)定為181 dB.圖3是實(shí)驗(yàn)1號(hào)科考船上的萬(wàn)米測(cè)深儀測(cè)量的海深隨距離的變化,可見(jiàn)O2到O1 傳播路徑上海底整體比較平坦,平均深度約為4300 m.圖4為實(shí)驗(yàn)期間的全海深聲速剖面,其中聲道軸深度約為1150 m,最小聲速為1484 m/s,海底附近海水聲速(1533 m/s)小于海面處海水聲速(1541 m/s),為典型的不完全深海聲道.在這種海洋環(huán)境下,海底反射作用對(duì)在聲影區(qū)內(nèi)的聲場(chǎng)影響較大.實(shí)驗(yàn)期間也進(jìn)行了海底底質(zhì)柱狀采樣測(cè)量,經(jīng)對(duì)3 m長(zhǎng)的柱狀沉積物樣品分析表明: 實(shí)驗(yàn)海區(qū)的底質(zhì)類(lèi)型以粘土質(zhì)粉砂為主,具體分段測(cè)量的沉積物類(lèi)型、密度、聲速和中值粒徑等參數(shù)如表1所示,為海底聲學(xué)參數(shù)的選取提供參考依據(jù).

圖2 拖曳換能器發(fā)射聲信號(hào)的周期Fig.2.The cycle of the source signals from a towed transducer.

圖3 O2到O1傳播路徑上海深隨距離的變化Fig.3.The bathymetry along the propagation track from O2 to O1.

圖4 實(shí)驗(yàn)期間的海水聲速剖面Fig.4.Sound speed profile during the experiment.

表1 海底底質(zhì)采樣測(cè)量樣品分析參數(shù)表Table 1.Sediment parameters analyzed from core sampling.

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理流程與聲場(chǎng)垂直相關(guān)定義

將聲源發(fā)射的雙曲調(diào)頻信號(hào)設(shè)為是s(t),則接收陣接收的聲壓信號(hào)pR(r,z,t)可表示為

其中S(w)為s(t)對(duì)應(yīng)的頻譜,H(r,z;w)為聲源至接收器之間海洋聲信道的傳輸函數(shù),w為角頻率.實(shí)驗(yàn)時(shí)可以通過(guò)脈沖壓縮來(lái)提高信噪比.脈沖壓縮是將聲源發(fā)射的信號(hào)s(t)與接收陣接收的信號(hào)pR(r,z,t)做相關(guān),即:

對(duì)應(yīng)的頻譜Xi可以由pc(r,z,t)經(jīng)過(guò)Fourier變換得到.將Xi在實(shí)驗(yàn)發(fā)射信號(hào)的帶寬內(nèi)取平均,得到信號(hào)的平均聲能量:

其中f0為信號(hào)的中心頻率,Fs為信號(hào)的采樣率,nf2和nf1分別為頻率上、下限對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)數(shù).聲傳播損失(TL)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果由下式計(jì)算:

式中SL(f0)代表發(fā)射換能器聲源級(jí),本實(shí)驗(yàn)中為181 dB;Mv代表接收水聽(tīng)器靈敏度,大小為–170 dB;EC代表脈沖壓縮獲取的時(shí)頻增益,根據(jù)發(fā)射聲源信號(hào)時(shí)間帶寬計(jì)算得約為66.6 dB.

聲場(chǎng)垂直相關(guān)指的是與聲源水平距離相同,深度不同的兩個(gè)接收點(diǎn)接收到的聲信號(hào)之間的互相關(guān).假設(shè)兩個(gè)接收點(diǎn)位置分別為(r,z)和(r,z+ ?z),其中r為與聲源的水平距離,z為水聽(tīng)器深度.垂直相關(guān)系數(shù)定義為兩個(gè)接收水聽(tīng)器同時(shí)接收到聲信號(hào)之間的互相關(guān)程度:

其中pz(t)和pz+?z(t)分別代表兩個(gè)水聽(tīng)器接收到的聲壓時(shí)域信號(hào),?z是水聽(tīng)器在垂直方向的間隔.一般淺海遠(yuǎn)場(chǎng)垂直陣接收信號(hào)的波陣面可以近似為同時(shí)到達(dá),只需要做零時(shí)延相關(guān).與淺海中不同,在深海中不同深度上波陣面到達(dá)時(shí)間差別較大,所以垂直相關(guān)處理中pz+?z(t)(t+t)表示將其中一個(gè)信號(hào)做時(shí)延t之后再做互相關(guān).頻域內(nèi)的垂直相關(guān)系數(shù)可以通過(guò)Fourier變換得到:

其中Pz(w)和Pz+?z(ω)分別表示兩個(gè)接收點(diǎn)位置的聲場(chǎng),*表示復(fù)數(shù)共軛.w0和 ?ω分別表示中心頻率和帶寬.

在下面的垂直相關(guān)性分析中,采用(5)式對(duì)接收水聽(tīng)器接收的時(shí)域聲壓信號(hào)進(jìn)行處理得到實(shí)驗(yàn)垂直相關(guān)系數(shù),用聲傳播模型計(jì)算頻域聲場(chǎng)經(jīng)(6)式相關(guān)處理得到垂直相關(guān)理論結(jié)果.

為了比較垂直相關(guān)性的大小,引入?yún)⒖枷嚓P(guān)系數(shù).一般認(rèn)為,歸一化相關(guān)系數(shù)大于參考相關(guān)系數(shù)0.707的兩點(diǎn)間聲場(chǎng)相關(guān)性較好.

4 深海聲場(chǎng)垂直相關(guān)特性及其理論解釋

4.1 聲傳播損失

利用(2)式對(duì)垂直陣列接收的信號(hào)進(jìn)行匹配濾波處理可得脈沖傳播信號(hào),然后由(4)式計(jì)算得到O2到O1 傳播路徑上二維聲傳播損失（TL）,結(jié)果如圖5(a)所示.作為比較,圖5(b)給出用拋物方程近似聲場(chǎng)模型RAM-PE[18,19]計(jì)算的不同距離和深度上的TL[15,16].計(jì)算中,采用聲學(xué)互易原理[20],將聲源設(shè)定在0 km,不同的水聽(tīng)器所在深度,在原拖曳聲源深度的不同距離處接收信號(hào).仿真時(shí)頻率范圍與實(shí)驗(yàn)一致,為260―360 Hz,頻點(diǎn)間隔為10 Hz.根據(jù)表1的海底采樣測(cè)量結(jié)果及聲影區(qū)傳播損失反演可獲得的等效海底參數(shù)[21],海底模型設(shè)置為兩層液態(tài)海底[15],沉積層聲速1555 m/s,密度1.6 g/cm3,海底衰減系數(shù) 0.35 dB/l,厚度為20 m; 無(wú)限大基底聲速為1650 m/s,密度為1.8 g/cm3,海底衰減系數(shù) 0.517×f1.07dB/λ[21,22],其中頻率f的單位為kHz.該海底模型及參數(shù)可較好地用于南海深海聲傳播損失計(jì)算[15].海水吸收系數(shù)a(單位dB/km)則用以下公式計(jì)算[20]:

對(duì)比圖5(a)和圖5(b)可見(jiàn),在最大傳播距離172 km以?xún)?nèi),基本上覆蓋了3個(gè)會(huì)聚區(qū),實(shí)驗(yàn)結(jié)果空間分布與模型計(jì)算的影區(qū)及會(huì)聚區(qū)的相對(duì)強(qiáng)度一致,表明不同距離上信號(hào)都具有較強(qiáng)的信噪比,且第一會(huì)聚區(qū)以?xún)?nèi)聲場(chǎng)信噪比更高.過(guò)去受到實(shí)驗(yàn)條件限制,我國(guó)對(duì)深海大深度聲場(chǎng)垂直相關(guān)性的研究起步比較晚.所以,本節(jié)將選用O2到O1 傳播路徑上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分為直達(dá)聲區(qū)、聲影區(qū)和會(huì)聚區(qū)三個(gè)部分,探究平坦海底環(huán)境下大深度聲場(chǎng)的垂直相關(guān)特性.實(shí)驗(yàn)選用O2潛標(biāo)接收陣上所有27個(gè)水聽(tīng)器接收的數(shù)據(jù),并與RAM-PE模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.RAM-PE模型計(jì)算時(shí)選擇與實(shí)驗(yàn)信號(hào)一致的頻率范圍,即260—360 Hz,選取101個(gè)頻點(diǎn),頻點(diǎn)間隔為1 Hz,其他環(huán)境參數(shù)與計(jì)算圖5(b)聲傳播損失時(shí)相同.

圖5 O2到O1 傳播路徑上二維聲傳播損失對(duì)比(a)實(shí)驗(yàn)結(jié)果;(b)RAM模型計(jì)算結(jié)果Fig.5.TL along the propagation track from O2 to O1:(a)Experimental result;(b)numerical result.

4.2 直達(dá)區(qū)聲場(chǎng)垂直相關(guān)

實(shí)驗(yàn)中O2垂直陣的最大接收深度為1866 m,在此深度下直達(dá)區(qū)寬度大約為10 km.首先,選取收發(fā)距離為2.0和4.2 km兩個(gè)直達(dá)區(qū)內(nèi)的典型收發(fā)距離進(jìn)行垂直相關(guān)特性分析.

4.2.1 距離2.0 km處聲場(chǎng)垂直相關(guān)

先對(duì)收發(fā)距離2.0 km處的聲場(chǎng)垂直相關(guān)特性進(jìn)行研究.圖6 給出的是潛標(biāo)垂直接收陣上不同水聽(tīng)器之間的聲場(chǎng)自相關(guān)與互相關(guān)系數(shù),(a)是實(shí)驗(yàn)結(jié)果,(b)是模型計(jì)算結(jié)果,模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好.互相關(guān)圖以對(duì)角線(xiàn)為中心上下對(duì)稱(chēng),中間的斜對(duì)角線(xiàn)是各陣元的自相關(guān)結(jié)果,歸一化相關(guān)系數(shù)為1.從圖中可以看出,2.0 km處接收陣的垂直相關(guān)性總體比較高.圖7是以第1陣元(平均深度102 m)為參考陣元,與各個(gè)通道接收的信號(hào)做相關(guān)得出的垂直相關(guān)系數(shù)隨著垂直間隔變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模型計(jì)算結(jié)果(即圖6中第一行結(jié)果),兩者符合較好.可見(jiàn),在距離2.0 km處,垂直相關(guān)系數(shù)較高,隨著垂直間隔的增加,垂直相關(guān)系數(shù)緩慢下降,但基本保持在參考相關(guān)系數(shù)0.707(圖中藍(lán)色虛線(xiàn),下同)以上.

圖6 距離2.0 km處垂直陣聲場(chǎng)垂直互相關(guān)(a)實(shí)驗(yàn)結(jié)果;(b)模型結(jié)果Fig.6.The vertical cross-correlation of sound fields in the whole array at the range of 2.0 km:(a)Experimental results;(b)numerical results.

圖7 距離2.0 km處聲場(chǎng)垂直相關(guān)隨間距的變化,其中參考陣元深度102 m,虛線(xiàn)為參考值0.707Fig.7.The vertical correlation coefficients at the range of 2.0 km for the reference depth at 102 m,where the dashed line representing the reference value 0.707.

深海聲場(chǎng)中有效簡(jiǎn)正波號(hào)數(shù)比較多,而射線(xiàn)聲學(xué)物理圖像清晰,在深海環(huán)境中能較好地反映聲波在海水中的傳播特性.以高斯波束追蹤法[23]為基礎(chǔ)的BELLHOP射線(xiàn)模型可以計(jì)算水平變化環(huán)境中聲線(xiàn)軌跡、時(shí)間到達(dá)結(jié)構(gòu)和聲強(qiáng).這里用BELLHOP模型對(duì)2.0 km處垂直相關(guān)系數(shù)的變化結(jié)果進(jìn)行定性分析和機(jī)理解釋.

圖8給出距離2.0 km,聲源深度126 m,接收深度分別為167 m,357 m 和1453 m時(shí)的本征聲線(xiàn)及時(shí)間到達(dá)結(jié)構(gòu).為了使結(jié)果更加直觀(guān),對(duì)不同大小掠射角的本征聲線(xiàn)用不同顏色進(jìn)行區(qū)分,小于10°為青色,10°—20°為紅色,20°—40°為深藍(lán)色,40°—65°為綠色,后文均采用相同的顏色標(biāo)注.從圖8可以看出,到達(dá)垂直陣的聲線(xiàn)多為直達(dá)聲線(xiàn)(DR)和一次海面反射聲線(xiàn)(SR),且隨著接收深度增加,兩條聲線(xiàn)之間到達(dá)時(shí)間差逐漸增大.圖9給出整個(gè)垂直陣深度上的時(shí)間到達(dá)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與BELLHOP計(jì)算結(jié)果的對(duì)比.從圖中可以看出,兩者比較符合,直達(dá)區(qū)2.0 km處接收聲信號(hào)主脈沖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,垂直相關(guān)性整體較高.隨著接收深度增加,兩條聲線(xiàn)到達(dá)時(shí)間差逐漸增大,信號(hào)多途畸變更明顯,從而導(dǎo)致圖7中垂直相關(guān)系數(shù)隨著垂直間隔增加而下降.

下面將使用射線(xiàn)聲學(xué)理論對(duì)直達(dá)區(qū)聲場(chǎng)的垂直相關(guān)性進(jìn)行定量分析和近似推導(dǎo).由于近場(chǎng)聲波經(jīng)海底大角度反射后的聲能量衰減較大,故只考慮對(duì)直達(dá)區(qū)聲場(chǎng)起主要貢獻(xiàn)的DR和SR,即圖10所示的兩條聲線(xiàn).圖11給出了這兩條聲線(xiàn)的聲源掠射角和時(shí)間到達(dá)結(jié)構(gòu),直達(dá)區(qū)接收點(diǎn)接收到的聲壓可以近似表示為[24]

圖8 直達(dá)區(qū)內(nèi)2.0 km距離處不同接收深度本征聲線(xiàn)和時(shí)間到達(dá)結(jié)構(gòu)(a),(b)167 m;(c),(d)357 m;(e),(f)1453 mFig.8.Eigenrays and arrivals received at three different depths at the range of 2.0 km in the direct zone:(a),(b)167 m;(c),(d)357 m;(e),(f)1453 m.

圖9 直達(dá)區(qū)內(nèi)2.0 km距離處不同接收深度多途到達(dá)結(jié)構(gòu)比較(a)實(shí)驗(yàn)結(jié)果;(b)模型結(jié)果Fig.9.Comparison of the experimental multipath structures on the vertical line array at the range of 2.0 km in the direct zone with numerical ones:(a)Experimental result;(b)numerical result.

圖10 直達(dá)區(qū)內(nèi)對(duì)聲場(chǎng)起主要貢獻(xiàn)的兩條聲線(xiàn),其中聲源深度126 m,接收深度1453 mFig.10.The two main rays contributing to the sound field in the direct zone,where the source and receiver are at the depth of 126 and 1453 m,respectively.

其中S(w)表示聲源的頻譜,W為單位立體角內(nèi)的輻射聲功率,Fi表示第i條聲線(xiàn)的聚焦因子,Ri表示第i條聲線(xiàn)的斜距,ti(i=1,2)表示第i條聲線(xiàn)的傳播時(shí)間.

因?yàn)槁曉瓷疃容^淺,兩條聲線(xiàn)的軌跡基本一致,聲源掠射角的絕對(duì)值近似相等,即|a1|≈|a2|,同時(shí)可以認(rèn)為聚焦因子F和斜距R基本一致.令Dt=t2–t1,則(8)式中兩條聲線(xiàn)的相干疊加部分可以近似表示為

因?yàn)閮蓷l聲線(xiàn)滿(mǎn)足|a1|≈|a2|,Dt可以近似表示為[24]

由(10)式可知,Dt隨著聲源深度zs的增加而增大.在典型深海條件下,當(dāng)收發(fā)距離不變時(shí),|a2|的值隨著深度的增加而增大,因此兩條聲線(xiàn)的到達(dá)時(shí)間差Dt隨著接收深度的增加而增大.

圖11 直達(dá)區(qū)內(nèi)對(duì)聲場(chǎng)起主要貢獻(xiàn)的兩條聲線(xiàn)的初始掠射角及時(shí)間到達(dá)結(jié)構(gòu)(a)聲源處的掠射角;(b)時(shí)間到達(dá)結(jié)構(gòu)(聲源深度126 m,接收深度1453 m)Fig.11.The two main rays contributing to the sound field in the direct zone:(a)The grazing angles at source location;(b)the arrivals of the two rays(The source and receiver are at the depth of 126 and 1453 m,respectively).

同理,接收點(diǎn)(r,z+Dz)處的聲壓可以表示為

在窄帶帶寬Dw內(nèi),有Az(ω)≈Az(ω0),Az+?z(ω)≈Az+?z(ω0).將(9)式和(11)式代入(6)式,分子分母同時(shí)約去幅度項(xiàng),可得:

由于參考點(diǎn)(r,z)選定后,t1和Dt為定值,時(shí)延t可以使項(xiàng)實(shí)部近似等于最大值1,故(12)式中的相位變化主要取決于

根據(jù)上述理論分析,收發(fā)距離2.0 km處,以第一陣元(平均深度102 m)為參考陣元,用BELLHOP模型計(jì)算得到的DR和SR的到達(dá)時(shí)間差和相位差隨深度的變化如圖12所示.從圖中可以看出,隨著接收深度的增加,兩條聲線(xiàn)的到達(dá)時(shí)間差逐漸增大,而相位差在 [0,2π] 內(nèi)無(wú)規(guī)則振蕩變化.最后,用近似公式(12)式計(jì)算得到參考深度為102 m時(shí)垂直相關(guān)系數(shù)隨垂直間隔的變化,如圖13中青色曲線(xiàn)所示.從圖13結(jié)合圖9可以看出,近似公式只考慮兩條聲線(xiàn),而實(shí)際接收的信號(hào)及寬角RAMPE計(jì)算的信號(hào)里包括一定角度范圍內(nèi)的聲能量,所以(12)式計(jì)算得到的相關(guān)系數(shù)在500 m以淺與實(shí)驗(yàn)結(jié)果及RAM-PE模型[18]計(jì)算結(jié)果有0.15左右的偏差,但是基本能夠反映直達(dá)區(qū)聲場(chǎng)的高垂直相關(guān)性.

圖12 由射線(xiàn)模型計(jì)算的距離2.0 km處對(duì)聲場(chǎng)起主要貢獻(xiàn)的兩條本征聲線(xiàn)DR和SR的(a)到達(dá)時(shí)間差和(b)相位差隨接收深度的變化Fig.12.Numerical travel time differences(a)and phase differences(b)of the two eigenrays(DR and SR)with the increase of the receiving depth at the range of 2.0 km from Bellhop model.

圖13 由近似公式(12)式計(jì)算的垂直相關(guān)系數(shù)隨著垂直間距變化與實(shí)驗(yàn)結(jié)果及RAM-PE模型結(jié)果的對(duì)比Fig.13.Comparison of the numerical vertical correlations computed by Eq.(12),with the experimental data and RAM-PE model results at the range of 2.0 km.

4.2.2 距離4.2 km處聲場(chǎng)垂直相關(guān)

當(dāng)收發(fā)距離增加到4.2 km時(shí),潛標(biāo)垂直接收陣較淺深度的水聽(tīng)器處在聲影區(qū)內(nèi),而部分較深的水聽(tīng)器處在直達(dá)聲區(qū)內(nèi).圖14給出了各水聽(tīng)器接收聲信號(hào)的互相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模型計(jì)算結(jié)果,可以看出,與收發(fā)距離2.0 km處的結(jié)果相比,編號(hào)較小的陣元所在的淺層深度聲場(chǎng)垂直相關(guān)性顯著偏低,而在11陣元(平均深度357 m)以下,陣元間的垂直互相關(guān)性較高.為了分析垂直相關(guān)性隨深度的變化情況,圖15給出了參考深度分別為102 m和357 m時(shí)的垂直相關(guān)系數(shù)隨著垂直間隔變化的曲線(xiàn),可以看出,參考深度為102 m時(shí)垂直相關(guān)系數(shù)隨著垂直間距下降迅速,并很快維持在0.3左右,而以第11陣元為參考陣元的垂直相關(guān)系數(shù)隨著深度增加下降緩慢,與收發(fā)距離2.0 km處的情況比較類(lèi)似,相關(guān)系數(shù)基本維持在0.707上下.

圖16是用BELLHOP模型計(jì)算得到的距離4.2 km處聲源深度126 m,接收深度分別為167 m,357 m和1453 m的本征聲線(xiàn)和時(shí)間到達(dá)結(jié)構(gòu).圖17是時(shí)間到達(dá)深度結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與BELLHOP計(jì)算結(jié)果比較.對(duì)比圖16和圖17可以看出,4.2 km處深度較大的地方仍然處于直達(dá)區(qū),對(duì)聲場(chǎng)起主要貢獻(xiàn)的是兩條聲線(xiàn)DR和SR,聲信號(hào)主脈沖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,相關(guān)性較高,垂直相關(guān)系數(shù)隨著垂直間隔的增加下降緩慢.而357 m以淺的接收深度處于影區(qū),經(jīng)歷一次海底反射的聲線(xiàn)對(duì)聲場(chǎng)的貢獻(xiàn)占主,聲信號(hào)主脈沖多途到達(dá)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,使得這部分陣元接收到的信號(hào)與其他深度陣元接收到的信號(hào)之間相關(guān)性較差,垂直相關(guān)系數(shù)降低,且隨著深度增加下降較快.

圖14 距離4.2 km處垂直陣聲場(chǎng)垂直互相關(guān)(a)實(shí)驗(yàn)結(jié)果;(b)模型結(jié)果Fig.14.The vertical cross-correlation of sound fields in the whole array at the range of 4.2 km:(a)Experimental results;(b)numerical results.

圖15 距離4.2 km處兩個(gè)不同參考深度上聲場(chǎng)垂直相關(guān)隨間距的變化(a)參考深度102 m;(b)參考深度357 mFig.15.The vertical correlation coefficients at two different reference depths at the range of 4.2 km:(a)For reference depth 102 m;(b)for reference depth 357 m.

4.3 聲影區(qū)聲場(chǎng)垂直相關(guān)

圖18和圖19分別給出第一影區(qū)內(nèi)13.6 km和33.2 km兩個(gè)不同距離處的接收陣各水聽(tīng)器接收聲場(chǎng)的垂直互相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模型計(jì)算結(jié)果的比較.從圖18和圖19可以看出,與圖6和圖7的直達(dá)區(qū)結(jié)果相比,聲影區(qū)內(nèi)聲場(chǎng)垂直相關(guān)系數(shù)整體偏小,而距離33.2 km處的垂直相關(guān)比13.6 km處的稍高,并且從實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模型計(jì)算結(jié)果中都可以看到隨著間隔增大聲場(chǎng)垂直相關(guān)系數(shù)有較小幅度起伏.為了進(jìn)一步說(shuō)明第一影區(qū)聲場(chǎng)垂直相關(guān)特性的變化,圖20給出了參考深度為102 m時(shí)兩個(gè)收發(fā)距離的垂直相關(guān)系數(shù)隨垂直間隔的變化曲線(xiàn).從圖中可以看出,同一收發(fā)距離下,垂直相關(guān)系數(shù)隨垂直間距下降明顯,垂直相關(guān)性整體較低.距離33.2 km處的垂直相關(guān)系數(shù)比13.6 km處平均高0.2左右,而且垂直相關(guān)系數(shù)隨間隔的周期性變化更加明顯.

圖21給出了用BELLHOP模型計(jì)算得到的兩個(gè)收發(fā)距離處的本征聲線(xiàn)和時(shí)間到達(dá)結(jié)構(gòu),聲源深度126 m,接收深度865 m.圖22和圖23分別是距離13.6 km和33.2 km處的時(shí)間到達(dá)深度結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和BELLHOP模型計(jì)算結(jié)果,可以觀(guān)測(cè)到經(jīng)過(guò)一次和兩次海底反射的聲能量到達(dá).對(duì)比圖21—圖23可以看出,進(jìn)入影區(qū)之后,對(duì)聲場(chǎng)起主要貢獻(xiàn)的從直達(dá)聲線(xiàn)變成了海底反射聲線(xiàn),它們構(gòu)成的聲信號(hào)主脈沖隨著深度的增加逐漸分裂為聲源(-海面)-海底-接收和聲源(-海面)-海底-海面-接收的兩部分能量相近的脈沖.它們對(duì)聲場(chǎng)垂直相關(guān)性的影響主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面: 1)隨著深度的增加兩部分聲線(xiàn)到達(dá)時(shí)間差增大,多途干涉更加復(fù)雜,進(jìn)而導(dǎo)致聲場(chǎng)垂直相關(guān)性降低; 2)隨著距離的增加,到達(dá)接收陣的海底反射聲線(xiàn)掠射角減小,兩部分聲線(xiàn)路程差相對(duì)減小,到達(dá)時(shí)間差減小; 對(duì)比兩個(gè)不同距離處的時(shí)間到達(dá)深度結(jié)構(gòu)可以看出,隨著距離增大,多途展寬變窄,到達(dá)結(jié)構(gòu)反而變得更加簡(jiǎn)單,從而提高了垂直相關(guān)性.

圖16 直達(dá)區(qū)內(nèi)4.2 km距離處不同接收深度的本征聲線(xiàn)和時(shí)間到達(dá)結(jié)構(gòu)(a),(b)167 m;(c),(d)357 m;(e),(f)1453 mFig.16.Eigenrays and arrivals received at three different depths at the range of 4.2 km in the direct zone:(a),(b)167 m;(c),(d)357 m;(e),(f)1453 m.

4.4 第一會(huì)聚區(qū)聲場(chǎng)垂直相關(guān)

從圖5的傳播損失結(jié)果可見(jiàn),不同深度處的第一會(huì)聚區(qū)大約位于50 — 60 km附近.為了探究第一會(huì)聚區(qū)附近垂直相關(guān)性的變化規(guī)律,不失一般性,選取50 km位置進(jìn)行第一會(huì)聚區(qū)聲場(chǎng)垂直相關(guān)性研究.第二、第三會(huì)聚區(qū)具有和第一會(huì)聚區(qū)相似的規(guī)律,這里不再展開(kāi)討論.

圖17 直達(dá)區(qū)內(nèi)4.2 km距離處垂直陣深度覆蓋范圍內(nèi)的多途到達(dá)結(jié)構(gòu)比較(a)實(shí)驗(yàn)結(jié)果;(b)模型結(jié)果Fig.17.Comparison of the experimental multipath structures from the receivers on the vertical line array at the range of 4.2 km in the direct zone with numerical ones:(a)Experimental result;(b)Numerical result.

圖18 距離13.6 km處垂直陣聲場(chǎng)垂直互相關(guān)(a)實(shí)驗(yàn)結(jié)果;(b)模型結(jié)果Fig.18.The vertical cross-correlation of sound fields in the whole array at the range of 13.6 km:(a)Experimental results;(b)numerical results.

圖19 距離33.2 km處垂直陣聲場(chǎng)垂直互相關(guān)(a)實(shí)驗(yàn)結(jié)果;(b)模型結(jié)果Fig.19.The vertical cross-correlation of sound fields in the whole array at the range of 33.2 km:(a)Experimental results;(b)numerical results.

圖24給出距離50 km處接收陣各通道聲場(chǎng)垂直相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模型計(jì)算結(jié)果的比較.圖25給出參考深度分別為102 m(第1陣元)和634 m(第15陣元)時(shí)垂直相關(guān)系數(shù)隨著接收深度的變化曲線(xiàn).從圖24和圖25可見(jiàn),50 km處垂直相關(guān)性整體比較高,并且隨著接收深度的增加呈現(xiàn)出周期性振蕩趨勢(shì).

圖20 第一影區(qū)內(nèi)兩個(gè)不同距離處聲場(chǎng)垂直相關(guān)隨間距的變化,其中參考深度102 m,接收距離分別為13.6 km 和33.2 kmFig.20.Comparison of the vertical correlation coefficients at two different ranges of 13.6 km and 33.2 km in the first shadow zone for the reference depth at 102 m.

圖26給出了第一會(huì)聚區(qū)附近(50—60 km)接收深度范圍內(nèi)傳播損失的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和RAM-PE模型計(jì)算結(jié)果的比較.從圖中可以看出,在會(huì)聚區(qū)附近的高聲強(qiáng)區(qū)域,聲能量分布在空間垂直方向上呈現(xiàn)出清晰的明暗相間條紋.仔細(xì)觀(guān)察可見(jiàn),圖26中50 km處的聲能量在垂直方向上的振蕩與圖25中垂直相關(guān)系數(shù)的振蕩現(xiàn)象具有較強(qiáng)的相似性.為了進(jìn)一步探究聲能量的振蕩規(guī)律與垂直相關(guān)性之間的關(guān)聯(lián)性,給出50 km處歸一化聲能量在垂直深度上的分布,如圖27所示.對(duì)比圖25和圖27可以看出,聲能量隨著接收深度的增加呈現(xiàn)出振蕩趨勢(shì),并且振蕩規(guī)律與垂直相關(guān)系數(shù)隨接收深度變化的振蕩規(guī)律基本一致,二者具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性.

下面使用射線(xiàn)理論,分析50 km處聲能量及垂直相關(guān)系數(shù)隨接收深度增加而振蕩的原因以及兩者之間的關(guān)聯(lián).

針對(duì)收發(fā)距離50 km處3個(gè)典型接收深度(167 m,836 m和1453 m)進(jìn)行分析,分別代表經(jīng)海底小角度反射后的聲場(chǎng)能量為主、及水體中折射加上海面反射時(shí)延不同導(dǎo)致干涉現(xiàn)象的差異,圖28給出了BELLHOP射線(xiàn)模型計(jì)算的主要本征聲線(xiàn)和時(shí)間到達(dá)結(jié)構(gòu).圖29為50 km距離處的時(shí)間到達(dá)深度結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模型計(jì)算結(jié)果比較.結(jié)合圖27不同接收深度的相對(duì)強(qiáng)度可以看出,對(duì)600 m以淺的聲場(chǎng)起主要貢獻(xiàn)的是四條一次海底反射聲線(xiàn),聲線(xiàn)與海底作用能量損失較大且接收聲信號(hào)主脈沖多途干涉復(fù)雜,聲場(chǎng)的垂直相關(guān)性相對(duì)較低.而對(duì)600—1550 m深度范圍內(nèi)的聲場(chǎng)起主要貢獻(xiàn)的是來(lái)自水體中的兩條反轉(zhuǎn)聲線(xiàn)(聲源-接收點(diǎn)和聲源-海面-接收點(diǎn)),它們沒(méi)有與海底發(fā)生作用,主脈沖到達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,對(duì)應(yīng)的聲傳播損失小,聲場(chǎng)的垂直相關(guān)性較高,而在垂直方向上兩條反轉(zhuǎn)聲線(xiàn)之間的周期性干涉導(dǎo)致垂直相關(guān)系數(shù)隨著深度增加出現(xiàn)周期振蕩現(xiàn)象.隨著深度增加,對(duì)1550—1866 m(最大接收深度1866 m,第27陣元)深度范圍內(nèi)聲場(chǎng)起主要貢獻(xiàn)的是一條經(jīng)聲源-海面-接收的反轉(zhuǎn)聲線(xiàn),周期性振蕩不如淺深度處劇烈,此時(shí)聲傳播損失增大,聲場(chǎng)的垂直相關(guān)性有所下降.從圖3的海深中可以看出距離O2接收陣35—40 km附近存在一個(gè)海底小山丘會(huì)改變50 km處的二次海底反射到達(dá)聲線(xiàn)的路徑,但對(duì)聲信號(hào)的主脈沖結(jié)構(gòu)沒(méi)有影響,其作用可以忽略不計(jì).

圖21 第一影區(qū)內(nèi)接收深度865 m處不同收發(fā)距離的本征聲線(xiàn)和時(shí)間到達(dá)結(jié)構(gòu)(a),(b)13.6 km;(c),(d)33.2 kmFig.21.Eigenrays and arrivals received at the depth of 865 m for two different ranges in the first shadow zone:(a),(b)13.6 km;(c),(d)33.2 km.

圖22 第一影區(qū)內(nèi)距離13.6 km處垂直陣深度覆蓋范圍內(nèi)的多途到達(dá)結(jié)構(gòu)比較(a)實(shí)驗(yàn)結(jié)果;(b)模型結(jié)果Fig.22.Comparison of the experimental multipath structures from the receivers on the vertical line array at the range of 13.6 km in the first shadow zone with numerical ones:(a)Experimental result;(b)numerical result.

圖23 第一影區(qū)內(nèi)距離33.2 km處垂直陣深度覆蓋范圍內(nèi)的多途到達(dá)結(jié)構(gòu)比較(a)實(shí)驗(yàn)結(jié)果;(b)模型結(jié)果Fig.23.Comparison of the experimental multipath structures from the receivers on the vertical line array at the range of 33.2 km in the first shadow zone with numerical ones:(a)Experimental result;(b)numerical result.

圖24 距離50 km處垂直陣聲場(chǎng)垂直互相關(guān)(a)實(shí)驗(yàn)結(jié)果;(b)模型結(jié)果Fig.24.The vertical cross-correlation of sound fields in the whole array at the range of 50 km:(a)Experimental results;(b)numerical results.

圖25 距離50 km處兩個(gè)不同參考深度上聲場(chǎng)垂直相關(guān)隨間距的變化(a)參考深度102 m;(b)參考深度634 mFig.25.The vertical correlation coefficients at two different reference depths at the range of 50 km:(a)For reference depth 102 m;(b)for reference depth 634 m.

圖26 第一會(huì)聚區(qū)附近(50?60 km)聲傳播損失比較(a)實(shí)驗(yàn)結(jié)果;(b)模型結(jié)果Fig.26.TL results near the first convergence zone(50?60 km):(a)For experimental result;(b)for numerical result.

圖27 距離50 km處歸一化聲強(qiáng)隨接收深度變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比Fig.27.Comparison of the normalized experimental sound energy with numerical results at the range of 50 km.

下面進(jìn)一步定量分析和解釋第一會(huì)聚區(qū)附近聲能量和垂直相關(guān)系數(shù)隨著深度增加出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象的機(jī)理.

先考慮接收陣元位于600—1550 m深度范圍內(nèi)的情況.由于一次海底反射聲線(xiàn)與海底作用之后損失較大,只考慮兩組水體中反轉(zhuǎn)聲線(xiàn)的貢獻(xiàn),則接收到的聲壓可以表示為[23]

圖28 第一會(huì)聚區(qū)附近50 km距離處不同接收深度的本征聲線(xiàn)和時(shí)間到達(dá)結(jié)構(gòu)(a),(b)167 m;(c),(d)836 m;(e),(f)1453 mFig.28.Eigenrays and arrivals at three different depths at the range of 50 km near the first convergence zone:(a),(b)167 m;(c),(d)836 m;(e),(f)1453 m.

其中S(w)表示聲源的頻譜,W為單位立體角內(nèi)的輻射功率,Fi表示第i組聲線(xiàn)的聚焦因子,Ri表示第i組聲線(xiàn)的斜距,ti(i=1,2)表示第i組聲線(xiàn)的傳播時(shí)間.

當(dāng)聲源位于海水表層時(shí),兩組聲線(xiàn)的傳播軌跡基本一致,可以認(rèn)為聲源掠射角的絕對(duì)值基本相等,即|a1|≈|a2|,同時(shí)可以認(rèn)為聚焦因子F和斜距R基本一致.令Dt=t2–t1,則(13)式中兩組聲線(xiàn)相干疊加后的聲壓可以近似表示為

圖29 第一會(huì)聚區(qū)附近距離50 km處垂直陣深度覆蓋范圍內(nèi)的多途到達(dá)結(jié)構(gòu)比較(a)實(shí)驗(yàn)結(jié)果;(b)模型結(jié)果Fig.29.Comparison of the experimental multipath structures from the receivers on the vertical line array at the range of 50 km near the first convergence zone with numerical ones:(a)Experimental result;(b)numerical result.

由(14)式,經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可以得到聲強(qiáng)的近似表示為

當(dāng)掠射角滿(mǎn)足|a1|≈|a2|時(shí),Dt可以近似表示為[24,25]

從(17)式可以看出,兩組聲線(xiàn)的時(shí)間間隔Dt隨著深度zs的增加而增大.在典型的深海條件下,收發(fā)距離保持不變時(shí),聲線(xiàn)2掠射角的絕對(duì)值|a2|隨著深度的增加而增大,因此聲線(xiàn)1,2的到達(dá)時(shí)間差Dt隨著深度的增加而增大,這與圖29中時(shí)間到達(dá)深度結(jié)構(gòu)的結(jié)果一致,從而導(dǎo)致聲場(chǎng)相位隨深度發(fā)生周期性變化.

根據(jù)上述推導(dǎo)結(jié)果,可以采用下面的公式計(jì)算帶寬內(nèi)的平均聲強(qiáng):

實(shí)驗(yàn)時(shí)中心頻率為310 Hz,帶寬為100 Hz,頻帶間隔為1 Hz,則頻點(diǎn)數(shù)N等于101.

圖30給出了距離50 km處,以第15陣元(深度634 m)為參考陣元,由BELLHOP射線(xiàn)模型計(jì)算得到的兩組聲線(xiàn)到達(dá)時(shí)間差和相位差隨著接收深度的變化.可見(jiàn),隨著接收深度增加,對(duì)第一會(huì)聚區(qū)聲場(chǎng)起主要貢獻(xiàn)的兩組反轉(zhuǎn)聲線(xiàn)到達(dá)時(shí)間差逐漸增大,相位差在 [0,2π] 內(nèi)發(fā)生周期性變化,這是導(dǎo)致多途聲線(xiàn)疊加干涉時(shí)相位出現(xiàn)周期性起伏的原因[26,27].圖31給出由近似公式(18)式計(jì)算得到的帶寬內(nèi)平均聲強(qiáng)隨著接收深度的變化,同時(shí)給出了歸一化聲能量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模型計(jì)算結(jié)果,三者符合程度較好,都隨著接收深度的增加呈現(xiàn)周期性振蕩.

在窄帶帶寬Dw內(nèi),可以近似認(rèn)為幅度Az(ω)≈Az(ω0),Az+?z(ω)≈Az+?z(ω0).將(14)式和(15)式代入(6)式,分子分母同時(shí)約去幅度項(xiàng),可得:

圖32是用近似公式(19)式計(jì)算得到的以第15陣元為參考陣元的垂直相關(guān)系數(shù)隨著接收深度變化的結(jié)果.可見(jiàn),由近似公式計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果及模型計(jì)算結(jié)果較為一致,都呈現(xiàn)出明顯的周期性振蕩的趨勢(shì).將圖31與圖32進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),在會(huì)聚區(qū)附近50 km處的高聲強(qiáng)區(qū)域內(nèi),由兩組水體反轉(zhuǎn)聲線(xiàn)干涉疊加推導(dǎo)得到的近似公式計(jì)算的聲強(qiáng)和垂直相關(guān)系數(shù)在垂直方向上的分布非常相似.實(shí)驗(yàn)海洋環(huán)境和RAM-PE模型計(jì)算中,實(shí)際上是由兩組相近的聲線(xiàn)族干涉而成,所以細(xì)節(jié)上會(huì)有一定的差別.

圖30 由射線(xiàn)模型計(jì)算的距離50 km處對(duì)聲場(chǎng)起主要貢獻(xiàn)的兩組水體反轉(zhuǎn)聲線(xiàn)的到達(dá)時(shí)間差(a)和相位差隨接收深度(b)的變化Fig.30.Numerical travel time differences(a)and phase differences(b)of the two groups of refraction eigenrays from water volume with the increase of the receiving depth at the range of 50 km from Bellhop model.

在會(huì)聚區(qū)附近的高聲強(qiáng)區(qū)域(深度范圍600—1550 m),對(duì)聲場(chǎng)起主要貢獻(xiàn)的是兩組水體內(nèi)反轉(zhuǎn)的聲線(xiàn),其幅度相當(dāng),隨著深度的增加,到達(dá)時(shí)間差增大,使得相位差在 [0,2π] 內(nèi)周期性變化.兩組聲線(xiàn)之間的互相干涉導(dǎo)致聲能量和垂直相關(guān)系數(shù)隨著接收深度振蕩變化.在同相相干的深度范圍內(nèi),聲信號(hào)主要由兩組水體反轉(zhuǎn)聲線(xiàn)構(gòu)成,它們的多途到達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,所以在該深度范圍內(nèi)聲場(chǎng)的垂直相關(guān)性比較高; 而在反相相干的深度范圍內(nèi),兩組反轉(zhuǎn)聲線(xiàn)(部分)干涉相消,海底反射聲線(xiàn)對(duì)聲場(chǎng)的作用不能忽略,此時(shí)多途干涉變得復(fù)雜,導(dǎo)致垂直相關(guān)性在該深度范圍內(nèi)有所下降.所以,在會(huì)聚區(qū)附近的高聲強(qiáng)區(qū)域內(nèi),是兩組水體反轉(zhuǎn)聲線(xiàn)的周期性干涉導(dǎo)致了垂直相關(guān)曲線(xiàn)和歸一化聲能量在垂直方向上相似的振蕩結(jié)構(gòu).

圖31 由近似公式(18)式計(jì)算50 km處歸一化聲強(qiáng)隨著接收深度變化與實(shí)驗(yàn)結(jié)果及RAM-PE模型結(jié)果的對(duì)比Fig.31.Comparison of the numerical sound intensities computed by Eq.(18)with the experimental data and RAM-PE model results at the range of 50 km.

圖32 由近似公式(19)式計(jì)算得到的參考深度634 m時(shí)垂直相關(guān)系數(shù)隨著接收深度的變化與實(shí)驗(yàn)結(jié)果及RAMPE模型結(jié)果的對(duì)比Fig.32.Comparison of the numerical vertical correlations for the reference depth 634 m computed by Eq.(19)with the experimental data and RAM-PE model results at the range of 50 km.

對(duì)于約1550—1866 m深度范圍內(nèi)的聲場(chǎng)來(lái)說(shuō),由于只有一組水體反轉(zhuǎn)聲線(xiàn)能量占主,無(wú)法形成兩組反轉(zhuǎn)聲線(xiàn)之間的周期性干涉現(xiàn)象,垂直相關(guān)系數(shù)和聲能量隨接收深度振蕩的幅度顯著降低,振蕩現(xiàn)象不再明顯.

5 總 結(jié)

利用2014年南中國(guó)海一次深海聲傳播實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分區(qū)域?qū)Σ煌嚯x位置處的大深度聲場(chǎng)垂直相關(guān)特性進(jìn)行了系統(tǒng)分析,并利用射線(xiàn)理論從物理機(jī)理方面對(duì)深海垂直相關(guān)特性隨距離和深度的變化進(jìn)行了解釋,主要結(jié)論如下:

1)在直達(dá)聲區(qū)內(nèi),對(duì)聲場(chǎng)起主要貢獻(xiàn)的是直達(dá)聲線(xiàn)和一次海面反射聲線(xiàn),聲信號(hào)主脈沖到達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,垂直相關(guān)性較好,隨深度增加下降緩慢,垂直相關(guān)系數(shù)基本維持在0.707左右;

2)在聲影區(qū)內(nèi),對(duì)聲場(chǎng)起主要貢獻(xiàn)的是海底反射聲線(xiàn),隨著接收深度增加,聲線(xiàn)的到達(dá)時(shí)間差逐漸增大,聲信號(hào)主脈沖多途到達(dá)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,垂直相關(guān)系數(shù)隨著深度增加下降明顯.隨著接收距離的增加,同一接收深度接收的聲線(xiàn)到達(dá)時(shí)間差逐漸減小,聲信號(hào)主脈沖多途到達(dá)結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單,使得影區(qū)內(nèi)的垂直相關(guān)隨著接收距離增加略微增大;

3)在第一會(huì)聚區(qū)附近,對(duì)高聲強(qiáng)區(qū)內(nèi)的聲場(chǎng)起主要貢獻(xiàn)的是水體內(nèi)反轉(zhuǎn)的兩組聲線(xiàn),它們幅度相當(dāng),到達(dá)時(shí)間差隨著接收深度的增加而增大,相位差在 [0,2π] 內(nèi)周期性起伏,這種深度上周期性干涉導(dǎo)致聲能量和垂直相關(guān)系數(shù)在垂直方向上的周期性振蕩.在同相干涉的深度上,對(duì)聲場(chǎng)起主要貢獻(xiàn)的是兩組反轉(zhuǎn)聲線(xiàn),主脈沖到達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,該深度與同一距離其他深度接收的聲信號(hào)之間相關(guān)性較高.在反相干涉深度,海底反射聲線(xiàn)對(duì)聲場(chǎng)的貢獻(xiàn)相對(duì)增大,它們的到達(dá)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,導(dǎo)致垂直相關(guān)性下降.因此,在第一會(huì)聚區(qū)附近,垂直相關(guān)性隨著接收深度的增加出現(xiàn)周期性干涉現(xiàn)象,并且垂直相關(guān)性和聲能量在深度上具有相似的振蕩結(jié)構(gòu).

作者對(duì)參加2014年南中國(guó)海海上實(shí)驗(yàn)的全體工作人員表達(dá)由衷的謝意,是他們的辛勤工作為本文提供了寶貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).