第4章-海洋声速及声线跟踪

1、现代海洋测绘现代海洋测绘 赵赵 建建 虎虎 |海洋声学海洋声学 |声纳及其工作方式声纳及其工作方式 |海洋声速及声速剖面类型划分海洋声速及声速剖面类型划分 |声线跟踪声线跟踪 |等效声速剖面法等效声速剖面法 |声线跟踪过程声线跟踪过程 |声速测量误差对水深计算的影响声速测量误差对水深计算的影响 |思考题思考题 在各种水下辐射形式中，以声波在海水中的传 播为最佳。海洋传递声音的性能比大气好得多，且 在海洋中声波的衰减远小于无线电波的衰减。水声 的这些特性使它成为海洋工程的重要工具，作为通 讯、导航、探测和监测手段，水声技术被广泛地用 于海洋开发和军事方面。 海洋声学是研究声波在海洋中传播特性、规

2、律和 利用声波探测海洋的学科，是海洋学和声学的边缘 学科，也是物理海洋学的分支。 海洋声学的基本内容包括三个方面： 声在海水中传播的规律和海洋环境条件对声传播的影响。 主要包括不同水文和底质条件下声波的传播规律，海水对 声的吸收，声波的起伏、散射和海洋噪声等。 利用声波探测海洋。 海洋声学技术和仪器。 41 海洋声学海洋声学 海水中的声速随着温度、盐度和压力的增加而增加，是压力P（bar）或 深度Z（米）的线性函数，是温度T（）、盐度S的非线性函数。海水中的声 速可以用声速剖面来描述。声速剖面亦称“声速垂直分布”，反映的是声速 沿深度的变化规律。 声速随深度的相对变化率，即单位深度内声速的相对

3、变化量，称之为声速 梯度，单位为1/秒。声速梯度可表达为： 海水温度变化1，海水声速变化约为原来的0.35(约5m/s)； 盐度每增加l，声速约增加1.14 ms； 深度每增加100米，声速约增加1.75 ms。 其中以水温变化对声速的影响为最大。 海水中声速在垂直方向的变化可分为三个水层：表层（0 150 m）、中间层（ 1500 m）、深水层（1500 m）。表层和深水层温度 分布较均匀，由于压力影响，声速随深度而增加；中间层中的声速由于 温度迅速降低而减小。 深海声速垂直分布图： 波束在海水中的折射特性，可通过Snell法则很好的反映。Snell法则为： 式中i和i+1是声速为Ci和Ci

4、+1相 邻介质层界面处波束的入射角 和折射角，p为Snell常数。 入射角0时，波束在界面处发生折射，若经历的水柱中有 N+1个不同介质层，则产生N次折射，波束的实际传播路径为一个 连续折线，即声线。 Snell 法则不但解释了波束在水中的传播特性，还给出了求解 声线路径的算法。 l声波在海水中传播时，会在介质常数不同的两个水层界面处产生 反射、折射和某种程度的反向散射。其中折射现象起因于海水是 非均匀介质，这也是导致波束声线弯曲和传播速度发生改变的根 本原因。折射后的声线是向声速减小的方向弯曲折射后的声线是向声速减小的方向弯曲。 l声线的弯曲程度和方向与声速在垂直方向的变化相互联系，声速声线

5、的弯曲程度和方向与声速在垂直方向的变化相互联系，声速 变化越大，弯曲越显著。变化越大，弯曲越显著。此外，声波的传播速度在温水区要比冷 水区快，且向冷水区（即声速较低的水区）弯曲。因此，若温度 随深度增加，声线向海面弯曲，反之则向海底弯曲。正常情况下， 声线弯曲成圆弧状。 海面反射：声波由海水射向海面时，在海水与空气界面上所产生 的反射，称为海面反射。 海底反射：声波由海水射向海底时，在海水与海底的界面上所产生 的反射，称为海底反射。 海水中声波强度减弱的主要因素可归纳为如下三个方面： 几何衰减：由于海水温度、盐度、压力等分布不均匀，因此有 声速梯度存在，再加上海面、海底的影响，引起声线弯曲。

6、散射衰减：声波在海水中传播时，由于海面、海底的不平整性、 海水介质温度不均匀而产生散射，使部分声能离开原来的前进 方向，向其它方向发射出去，使声波传播方向上能量减少，声 强度减弱。 海水对声波的吸收：由于声波在海水介质中传播时要引起海水 内部发生一些变化，如海水温度的变化，在传播过程中，相邻 的海水介质要发生相对运动，有一部分声能要用来克服因海水 介质相对运动而产生的摩擦力，消耗于海水中，使声强度减弱。 当声波在海洋中传播时，若有一部分声能在海中某一水层内而不逸出 该水层，则称此为声道，亦称声波道。 沿深度方向声速极小处，声源发出的声线将向上和向下弯曲返回极值区， 而保留在该水层上下两个声速相

7、等的深度之间传播。 海洋是不平静的，存在着各种各样的噪声。就水声学研究范畴而言， 水中噪声分为环境噪声和舰艇噪声两大类。 海洋环境噪声包括： 海洋动力噪声，如风吹在海面上引起的噪声，流过海底的海流、碎 浪及降雨引起的声响； 生物噪声。 在海洋测量中，海洋环境噪声是指由海洋中大量的各种各样的噪声源 发出的声波构成的，它是声纳设备的一种背景干扰。环境噪声级NL是度 量环境噪声强弱的量。 声纳是利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统。 按照工作方式分为主动声纳和被动声纳两种。 主动声纳信息的流程为：发射系统发射携带一定信息的声信号（发 射信号），在海水中传播时如遇到障碍物（潜艇、水雷、

8、鱼雷、冰山、 暗礁，统称声纳目标），产生回声信号；在某一方向上的回声信号传到 接收基阵，并将其转换为电信号，经处理器处理后送到判决器，根据预 先确定的原则进行判决，最后显示判决结果。如下图所示： 42 声纳及其工作方式声纳及其工作方式 被动声纳（噪音声纳站）信息的流程为：被动声纳通过接收被探测 目标（声源部分）如鱼雷、潜艇等的辐射噪声，来实现水下目标探测。 主、被动声纳工作信息流程的基本组成包括声信号传播介质（海 水）、被探测目标和声纳设备。 影响声纳设备工作的因素，即声纳参数，主要包括： 声源级SL、发射指向性指数DIT 、声功率Pa、传播损失TL、目标强 度TS、海洋环境噪声级NL、等效平

9、面波混响级RL、接收指向性指数DI 以及检测阈DT。 声纳参数的定义声纳参数的定义 声源级SL：是用来描述主动声纳所发射的声信号的强弱（反应发射器 辐射声功率大小）的参数。 若I为发射器声轴方向上离声源声中心1米处的声强，I0 为参考强， I0 =0.6710-18W/m2 ，则SL的定义为： DIT的含义：是在相同距离上，指向性发射器声轴上声级高出无指 向性发射器辐射声场声级的分贝数。 DIT可定义为： 式中，ID为指向性发射器在声轴上测得的声强度；IND为无指向性发 射器辐射的声强度。 无指向性声源辐射声功率Pa与声源级SL的关系： 有指向性声源辐射声功率与声源级的关系： 传播损失TL定量

10、描述声波传播一定距离后声强度的衰减变化，它定义为： 式中，I1是离声源声中心1米处的声强度；Ir离声源声中心r米处的声强度。 目标强度TS定量描述目标反射本领的大小，它定义为： 式中，Ii是目标处入射声波的强度；Ir离目标声中心1米处的回波 强度。 环境噪声级NL是度量环境噪声强弱的量，其定义为： 接收换能器的接收指向性指数DI定义为： 即： 式中：b（，）是归一化的声束图函数，是空间方位角。 代表无指向性水听器产生的均方电压 ， 代表指向性水听器产 生的均方电压 。 根据以上参数，我们可以给出声纳方程。声纳方程是在综合考 虑水声所特有的各种现象和效应对声纳设备的设计和应用所产生 影响的关系式

11、。它将海水介质、声纳目标和声纳设备的作用联系 在一起。 主动声纳方程： 被动声纳方程为： 海洋中的声速可以通过直接法和间接法获得。 1、声速的直接测定 凡通过测量声速在某一固定距离上传播的时间或相位 (一般采用声速 测量仪测量声速），从而直接计算海水声速的方法均属直接声速测量。 声速测量仪依据的原理有： l 脉冲时间法、 l 干涉法、 l 相位法 l 脉冲循环法等。 43 海洋声速及声速剖面类型划分海洋声速及声速剖面类型划分 u 脉冲时间法：在海水介质中放设一组发射和接收换能器 （机械能与 电能相互转换的设备），在它们之间的距离S已知的情况下，测出声 脉冲的传播时间t，即可求得声速C=L/t。

12、 u 干涉法声速测量：基于被测海水介质中连续干涉声波效应引起的驻 波声场。其中两个相邻波峰或波谷之间的距离即为一个声波波长。 在发射换能器固定的情况下，移动接收换能器记下最大输出（波峰） 时的距离即为波长或波长的整数倍，为减少实际测量的误差，常常 进行若干次测量后取平均。 u 相位法测量：根据固定距离范围内测量声波的相位变化来确定声速。 一般在海水中测声速，还要考虑如下因素： l 测区的水文要素； l 声速在海水中的传播特性 ； l 特殊水域，由于某种原因，声速剖面变化复杂，需 做小间距测量 ； l 表层和底部的声速测量非常重要 。 u 脉冲循环法：首先多谐振荡器产生一个触发脉冲，触发发射电路

13、工作， 并形成前沿陡峭的电脉冲击和激励发射换能器，受激励换能器便在其 自身固有谐振频率上产生声脉冲振荡。高频声脉冲由换能器向被测海 水辐射出去，被相距S处的接收换能器收到，接收到的信号经放大整形 后随即触发多谐振荡器，使其产生新的触发脉冲触发发射电路工作， 与此同步地辐射出下一个声脉冲，这一声脉冲传播S距离后又被接收换 能器接收，这一过程不断循环进行。循环脉冲的重复周期（其倒数即 是循环频率）就是声脉冲传播距离S所历经的时间T。 2、间接声速测量 根据测得的温、盐度和压力数据，用特定的计算公式确 定水声速的方法称为间接声速测量。 目前，已有较多描述温度、盐度和深度（或静压力）与 海水中声速间关

14、系的经验公式。 下面给出7种比较常用的声速经验公式. 1.Dell Grosso公式。利用该公式进行声速计算，具有 简洁方便等特点，但应用范围太小。 2. W. D. Wilson精确公式。实践表明，温度、压力和盐 度分别在-4CT30C, 1kg/cm2P1000kg/cm2 和 0 ppt S 37 ppt范围时，可获得精度优于0.3m/s的 声速，比较适合我国海区。 3. W. D. Wilson简化公式。 4.Leroy（1969）给出的经验公式 5.Mackenzie根据前人研究，于1981提出了特定条件下的声 速公式（E式） 6.Chen-Millero-Li经验公式。适用范围：温

15、度T（C）： 0CT40C、压力P（bars）：0P1000、盐度S（ppt）： 0S 40。 7. EM分层简化公式 长期以来，声速剖面分类通过人工方法来实现，该方 法效率低下，且人为因素影响突出。基于自组织神经网 络（SOFM）的声速剖面分类方法在近几年取得了很大 的发展，下面主要介绍这种分类方法。 SOFM构造网络和划分声速剖面类型的过程可归纳如下： 假设存在R个需要分类的声速剖面，对应着S个输出类别，则首先需 要赋予R个声速剖面到S个输出类型之间映射的初始权值。 将前面获得的描述声速剖面结构的梯度序列输入到神经网络中。 根据神经元在格网上的物理位置及初始权值，计算神经元之间的距 离。

16、根据选定的获胜神经元、神经元间的距离和初始邻域距离构造邻域。 通过反复训练和调整神经元的权值，确保邻域内的神经元与输入向 量达到最大的匹配并实现它们之间最大的相似，从而达到分类的目 的。 声速剖面编号（SVP）分类情况解释 2, 3, 4, 8, 9, 10, 12, 20 小幅度的正梯度变化 1,11,15, 17, 18,1910m以上为明显的负梯度变化；10m以下为小幅度的正梯度变化 7, 13, 164m以上为明显的负梯度变化；4m以下为小幅度的正梯度变化 5, 62m以上为明显的负梯度变化；2m以下为小幅度的正梯度变化 14, 22 6m以上为明显的负梯度变化；616m为小幅度的正梯

17、度变化；16m以下 为小幅度的负梯度变化 声线跟踪（Sound Ray Tracing）：是建立在声速剖面基础上的 一种波束脚印（投射点）相对船体坐标系坐标的计算方法。 声线跟踪通常采用层追加方法，即将声速剖面内相临两个 声速采样点划分为一个层，层内声速变化可假设为常值（零 梯度）或常梯度。在常梯度的声线跟踪计算过程中，声速变 化函数采用Harmonic平均声速。 Harmonic平均声速 Harmonic平均声速定义为： 假设波束经历的水柱z0，z有N层，则可利用层厚度 （zi+1- zi）和声速函数Ci（Z）获得整个水柱中的 Harmonic平均声速。 44 声线跟踪声线跟踪 则： 若声速

18、在层i内以常梯度gi变化，则 层内（zzi，zi+1）声速函数为： 声速在第i层zi，zi+1, i=1,2,3N的 传播时间为： 设波束经历整个水柱z0，z的时间为TV，则Harmonic平均 声速CH为： 即： 基于层内常声速（g=0）下的声线跟踪 假设波束经历由N层组成的水柱，声 速在层内常速传播，设层厚度为zi （zi= zi+1-zi），则波束在层i内的水 平位移yi和传播时间ti分别为： 则波束经历整个水柱的传播时间和水平距离为： 假设波束经历由N个不同介质层组成的水柱，声速在 各层中以常梯度gi变化,声速函数Ci(z)计算模型: 基于层内常梯度（g0）下的声线跟踪 设层i上、下界

19、面处的深度分别为zi和zi+1，层厚度为zi； 波束在层内的实际传播轨迹应为一连续的、带有一定曲率半 径Ri的弧段。根据上图，则Ri为： 层i内声线的水平位移xi为： 则： 波束在该层经历的弧段长度Si=Ri(i -i+1)，则经历该段 的时间ti为： 上述声线跟踪模型表明，波束脚印位置的计算过程是 复杂的，且只有在声速断面已知的情况下才能实施。 若 gi0，则 若gi=0，波束经历层i的水平位移yi和深度zi为： 假设波束经历由N个不同介质层组成的水柱，声速在各层 中以常梯度gi变化,声速函数Ci(z)计算模型: 45 等效声速剖面法等效声速剖面法 为保证计算精度且简化计算过程，现引 入位置

20、和面积相对误差两个概念。 定义层i内的位置相对误差，该相对误差 包括深度和水平位移相对误差fzi、fyi。 设常声速剖面C i-1Ci-1（作为参考声速剖面）与常梯度声速剖面 C i-1Ci之间的面积差为Si，则相对面积差si的定义为： 根据Snell法则，则有： 综合以上各式可得： 从上式可以得出这样一个结论： 深度和水平位移相对误差fzi和fyi仅与层面入射角和相对面积差有关，而 与其它参数无关。 误差修正法 由于这种方法不是直接依赖于实际声速剖面进行声线跟踪计 算，而是通过选择一个简单的声速剖面（如零梯度声速剖面）作 为参考声速剖面，根据相对面积差，建立参考声速剖面与实际声 速剖面间的联

21、系，进而修正参考声速剖面的计算结果，获得最终 的波束脚印位置，因此，该方法被称为误差修正法。 实际声速剖面同参考声速剖面间的关系可简化为下图中的三 种形式。 若将层i内的计算思想推广到整个水柱，设波束的初始入射角、声速、 入射水层深度和水平位移分别为0、C0、z0和y0，波束在海底的投射 点为（zB、yB），则有 只要已知0、C0、z0、y0和波束的传播时间T即可确定深度和平面位移。 根据上述结论，可得出相对于一级近似的补偿模型： 等效声速剖面法 由于常梯度声速剖面与实际声速剖面具有相同的积分面积， 利用常梯度声速剖面计算的结果同实际声速剖面相同，因此，常 梯度声速剖面被称为等效声速剖面，利用

22、等效声速剖面确定波束 脚印位置的方法简称为等效声速剖面法。 如图，设常梯度声速剖面C0CB与实际 声速剖面的面积差为0，以零梯度声速 剖面C0CA作为参考声速剖面，根据上 述结论，采用误差修正思想，只要得到 常梯度声速剖面C0CB 的梯度，便可将 波束在整个水柱的传播情况视为常梯度 变化，采用类似于常梯度声线跟踪的方 法，获得深度。 根据梯度的定义，可以得到常声速断面 的梯度geq以及对应的声线弧段曲率半径Req： 若波束往返程时间为t，根据常梯度声线跟踪原理，深度zB为： 设、S为实际声速断面与零梯度声速断面间 的面积差，波束(入射角为0)的参考深度zB0已 知，零梯度声速断面确定的深度为z

23、B0，则深 度的相对误差z可定义为 ： 各种声线改正方法的比较各种声线改正方法的比较 46 声线跟踪过程声线跟踪过程 对声速断面的依赖性。声线跟踪法与声速断面的联系表 现在每个波束的每层计算中，误差修正法和等效声速断 面法则表现在声速断面有效作用范围内的波束计算中。 计算精度。常梯度声线跟踪法的假设与实际比较吻合， 计算精度相对较高，实验表明其深度相对误差优于z； 常声速声线跟踪法在60时，深度相对误差优于z； 误差修正法和等效声速断面法一般优于4z。 计算过程的复杂性。声线跟踪法需要根据实际声速断 面计算波束在每层的水平和垂直位移，并叠加各层位 移量得到波束脚印位置，计算烦琐；误差修正法和等

24、 效声速断面法，只要确定参考声速断面与实际声速断 面的相对面积差即可非常简便的获得声速断面作用范 围内的波束脚印深度。 条件的苛刻性。上述方法均需声速断面，声速断面越 具有代表性，计算精度越高，这为声速断面的布设和 施测提出了一定的要求；另外，等效声速断面法中参 考深度的精度也影响着计算结果的精度。 综上所述：综上所述： 常梯度声线跟踪法的计算精度最高，但计算过程烦； 等效声速断面法的计算精度仅次于常梯度声线跟踪 法，但参考深度的要求相对苛刻； 误差修正法的计算精度相对前两者稍差，但也能满足 IHO的测深精度要求，且计算过程简单； 精度最差的当属常声速声线跟踪法，其计算过程也 比较复杂。 三角

25、法：三角法： 未考虑声速在水中的传播特性，声速断面变化复杂时， 深度相对误差急剧增大。这也体现了声线取决于声 速和声速对波束脚印位置计算的重要性。 实践及分析实践及分析 常声速常声速声线跟踪法：声线跟踪法： 虽顾及了声速断面，但层内情况同三角法相似， 但计算精度优于三角法。 0 10 20 30 40 50 60 70 80 -15-10-50510 相对深度误差(%) 入射角(度) ssp1 ssp2 ssp3 ssp4 ssp5 ssp6 等效声速断面法：等效声速断面法：得得 益于采用了等效声速益于采用了等效声速 断面断面(或参考声速断或参考声速断 面面)和参考深度。计和参考深度。计 算精度满足了算精度满足了IHO的的 规定。规定。 0 10 20 30 40 50 60 70 80 -0.4-0.200.20.4 相对深度误差（%） 入射角(度) ssp1 ssp2 ssp3 ssp4 ssp5 ssp6 常梯度常梯度声线跟踪法：声线跟踪法： 声速断面被严格的应用于每层的计算中，层内声速变 化假设与实际吻合，计算过程虽复杂但严密，因而其 计算精度最高(优于z)。 0 10 20 30 40 50 60 70 80 -0.3-0.10.10.3 相对深度误差(%) 入射