原齊澤，秦志亮，馬本俊，朱兆林，劉雪芹，蔡觀強(qiáng)

（1.哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001；2.海洋信息獲取與安全工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（哈爾濱工程大學(xué)），工業(yè)和信息化部，哈爾濱 150001；3.哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院，哈爾濱 150001；4.山東海洋信息技術(shù)研究院，山東威海 264200；5.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東廣州 510000）

0 引 言

南海珊瑚環(huán)礁主要以生物建造為主，珊瑚礁盤環(huán)繞水下高地生長(zhǎng)，在地貌上構(gòu)成環(huán)礁。環(huán)礁及其所圍限的瀉湖為淺水環(huán)境，通常水深在50 m以內(nèi)；環(huán)礁周緣為深水區(qū)，水深可從幾十米迅速演變?yōu)樯锨?，因此環(huán)礁周緣通常表現(xiàn)為高陡斜坡，并不斷接收從環(huán)礁剝落而來(lái)的珊瑚碎屑，形成斜坡沉積產(chǎn)物[1]。這種獨(dú)特的生物建造演化出獨(dú)特的地形地貌、物質(zhì)特性、水文環(huán)境以及聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)等海洋環(huán)境特征。

島礁區(qū)水下聲場(chǎng)是一個(gè)十分復(fù)雜的時(shí)間-空間-環(huán)境因素參雜隨機(jī)多途傳輸?shù)沫h(huán)境[2]，聲波經(jīng)過(guò)海面和海底多次反射造成嚴(yán)重的多徑效應(yīng)，使得聲線經(jīng)過(guò)多次反射后沿著不同路徑到達(dá)接收點(diǎn)，在傳輸過(guò)程中，聲波會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的能量衰減和信號(hào)畸變[3-5]。因而對(duì)島礁海區(qū)水下目標(biāo)信息的獲取與探測(cè)，必須對(duì)聲場(chǎng)有著充分的研究。地形作為影響水下聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)的重要環(huán)境要素，一直是海洋學(xué)家的研究重點(diǎn)[6-7]。1968年，Northrop等[8]通過(guò)在美國(guó)加利福尼亞海域斜坡上布置聲源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，與平坦海底相比，由于斜坡的存在深海聲道軸接收的聲能量會(huì)增多，因此這種現(xiàn)象被稱作“斜坡增強(qiáng)效應(yīng)”，這種斜坡可以是大陸坡，也可以是島礁斜坡。在夏威夷瓦胡島海域，Tappert等[9]使用拋物方程模型[10]對(duì)島礁水下真實(shí)的海洋環(huán)境進(jìn)行了仿真研究。國(guó)內(nèi)秦繼興等對(duì)大陸坡二維聲傳播規(guī)律進(jìn)行研究[11]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明大陸坡會(huì)對(duì)水體中能量分布、聲信號(hào)脈沖展寬存在影響。胡治國(guó)等[12-14]眾多學(xué)者針對(duì)我國(guó)南海的陸架滑坡、海底山、海溝等地形開展大量試驗(yàn)研究與理論驗(yàn)證，為我國(guó)南海復(fù)雜的海底地形聲場(chǎng)特性總結(jié)出寶貴的分布規(guī)律。2019年，張乾初等[15]在南海北部的海洋環(huán)境噪聲測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，觀測(cè)到航船噪聲在島礁區(qū)域斜坡地形引起的遠(yuǎn)距離傳播進(jìn)入深海聲道的現(xiàn)象，著重分析了噪聲譜級(jí)隨深度變化的機(jī)理及受島礁區(qū)域斜坡地形影響的深海海洋環(huán)境噪聲空間的分布特性。

前人研究結(jié)果顯示[16-18]，明確不同地形下的水下聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)及其分布規(guī)律，對(duì)改進(jìn)聲學(xué)探測(cè)技術(shù)，優(yōu)化目標(biāo)探測(cè)方法具有重要意義。但目前對(duì)島礁斜坡地形下的水下聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)及其分布規(guī)律研究相對(duì)較少。

本文以南海某珊瑚環(huán)礁為例，基于高分辨率的地形數(shù)據(jù)以及水文條件，利用快速、簡(jiǎn)便的射線追蹤法構(gòu)建島礁斜坡水下聲線傳播路徑模型，結(jié)合拋物方程模型對(duì)聲傳播損失的精確計(jì)算，總結(jié)我國(guó)南海島礁斜坡水下聲場(chǎng)的分布規(guī)律，重點(diǎn)分析斜坡地形對(duì)聲線軌跡、傳播損失、沖擊響應(yīng)等影響，以期為島礁區(qū)海底環(huán)境的目標(biāo)探測(cè)以及水下聲學(xué)對(duì)抗等實(shí)踐應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考。

1 研究區(qū)域概括和地形特征

我國(guó)四大海域中渤海、黃海、東海都屬于淺海，只有南海屬于深海海域。本文研究區(qū)位于南海某海域，最大水深約1 900 m。

基于海底多波束測(cè)深數(shù)據(jù)，本文對(duì)某區(qū)域海底形貌進(jìn)行了精細(xì)刻畫，圖1中顯示了該區(qū)域海底復(fù)雜的微地貌結(jié)構(gòu)特征。研究區(qū)主體屬于典型獨(dú)立生長(zhǎng)的臺(tái)礁，深度基準(zhǔn)面以上的頂部礁體露出海面或退潮后露出海面，構(gòu)成廣大弧形礁盤；深度基準(zhǔn)面以下的礁體水深范圍10～50 m，屬于淺海環(huán)境。淺海區(qū)地形背景坡度介于0°～2°之間，相對(duì)較平坦。圖1（b）給出了主要斜坡地形剖面，西側(cè)斜坡陡峭坡度最高超過(guò)30°；東側(cè)斜坡坡度平均在3°以上，極少區(qū)域坡度最高達(dá)45°；南側(cè)斜坡坡度集中在10°～15°之中；北側(cè)斜坡坡度分布在10°附近，存在部分坡度超過(guò) 40°的斜坡。臺(tái)地以外海域整體水深范圍為650～1 600 m處于半深海環(huán)境，背景坡度在0°～5°之間，海底凹坑洼槽邊緣以及海底凸?fàn)盥∑疬吘壠露仍龃?，最高坡度超過(guò)15°。

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

2 聲傳播仿真模型

本文使用射線模型Bellhop計(jì)算在二維平面內(nèi)聲線傳播軌跡，同時(shí)利用拋物近似模型RAM對(duì)水下聲傳播損失進(jìn)行定量仿真。圖2給出了通過(guò)計(jì)算研究海區(qū)水下1 100 m的實(shí)測(cè)溫度剖面數(shù)據(jù)得到的水文剖面，在后續(xù)仿真過(guò)程中將使用夏季聲速剖面。

圖2 研究海域6月、12月聲速剖面Fig.2 Sound speed profiles in June and December in the studied sea area

文獻(xiàn)[19]對(duì)南海島礁區(qū)海底珊瑚沉積物的采樣調(diào)查結(jié)果顯示，與常見砂泥沉積物相比，島礁區(qū)獨(dú)特的珊瑚砂沉積物具有較高的孔隙度和孔隙比、較大的含水量，以及較小的濕密度。島礁淺海區(qū)域由于海浪、海流等水動(dòng)力因素的存在，使得細(xì)粒沉積物難以停留，而以塊狀、片狀和粗短枝狀的珊瑚為主。表1給出了某海底珊瑚類沉積物的參數(shù)。

表1 海洋底質(zhì)沉積物參數(shù)Table 1 Marine sediment parameters

依據(jù)沉積物聲速c與中值粒徑d之間的關(guān)系[19]，計(jì)算沉積物聲速，計(jì)算公式為

仿真中聲源頻率為1.5 kHz，沉積物密度約為1.80 g·cm-3，吸收系數(shù)為0.35 dB·λ-1，海底沉積物厚度為20 m，水深小于50 m的淺海區(qū)域沉積物聲速1 461.9 m·s-1，水深大于50 m的深水區(qū)域沉積物聲速1 378.1 m·s-1。圖3為島礁區(qū)水下聲學(xué)環(huán)境模型，從上至下分別是水層、沉積層以及島礁基底。

這天晚上，米多翻來(lái)覆去無(wú)法入眠，腦海里一直在回憶鮑澤說(shuō)的話。翌日，他收拾書包準(zhǔn)備上學(xué)的時(shí)候，瞥見了桌上的筆筒里躺著一支錄音筆。

圖3 島礁斜坡聲學(xué)環(huán)境模型Fig.3 Acoustic field model of reef slope

3 仿真結(jié)果分析

世界范圍內(nèi)普遍存在臺(tái)地周緣的島礁斜坡地形，聲波在該區(qū)域傳播存在兩種形式：一種是從斜坡底部向島礁臺(tái)地傳播，與之對(duì)應(yīng)的是從島礁臺(tái)地向斜坡底部的傳播。這兩種傳播在島礁聲學(xué)中十分重要，對(duì)島礁地形內(nèi)的目標(biāo)探測(cè)、聲隱身與反潛均存在著重要意義。目前，受人們關(guān)注的斜坡增強(qiáng)效應(yīng)與泥流效應(yīng)[21]指出，當(dāng)聲源從淺海斜坡頂端向下發(fā)出聲波時(shí)，與平坦海底相比，在深海聲道軸深度附近的傳播損失會(huì)減小，同時(shí)傳播損失的減小還受到聲速剖面、海底聲吸收系數(shù)、斜坡角度以及聲源位置的影響。而與之相反的從斜坡外側(cè)發(fā)出聲線沿斜坡向上傳播的過(guò)程目前研究尚有欠缺，本節(jié)從島礁斜坡地形對(duì)上坡聲波傳播過(guò)程的阻礙影響分析，分別探討聲源深度以及坡度對(duì)聲傳播結(jié)果的影響。

3.1 斜坡地形對(duì)聲線阻礙作用的分析

圖4給出了島礁主要斜坡地形下的800 m深度聲源目標(biāo)發(fā)出的聲線仿真結(jié)果與30 m水深水平方向聲傳播損失變化曲線。計(jì)算結(jié)果顯示，聲線沿斜坡向上傳播，在島礁臺(tái)地前側(cè)附近經(jīng)過(guò)與海底海面的多次反射后匯聚，島礁臺(tái)地高度接近海面甚至超出海面，會(huì)阻擋大量的聲線傳播。圖4（a）中地形高度超過(guò)海面，完全阻礙聲線傳播，聲線被阻擋后全部集中在上坡段的半封閉空間內(nèi)消散。圖4（b）中聲線遇到地形阻礙，由于地形坡面角度較大，當(dāng)入射聲線與地形接觸角度接近90°時(shí)，發(fā)生近180°的翻轉(zhuǎn)回傳，聲線反向遠(yuǎn)距離傳播。大部分聲線在上坡階段遇到阻礙無(wú)法順利向前傳播，其余聲線只能會(huì)聚在狹小通道內(nèi)，在通道中的聲線經(jīng)過(guò)多次與海底海面的反射造成較大的聲傳播損失，多數(shù)聲線攜帶的能量在通道內(nèi)消散，少量聲線能夠到達(dá)臺(tái)地另一側(cè)。在30 m水深的水平方向聲傳播損失結(jié)果也表明，聲傳播損失受斜坡地形影響嚴(yán)重，在聲能傳輸?shù)叫逼律隙颂帟r(shí)，傳播損失迅速增大，嚴(yán)重不利于聲能的傳輸。因此當(dāng)被動(dòng)聲吶置于島礁臺(tái)地時(shí)，從斜坡下端發(fā)出的聲信號(hào)將處于屏蔽或半屏蔽狀態(tài)。

圖4 島礁主要斜坡區(qū)的聲傳播Fig.4 Sound propagation in the main slope area of island and reef

3.2 聲源深度對(duì)斜坡地形下的聲傳播影響分析

本文所研究的區(qū)域深度未達(dá)到傳統(tǒng)深海聲道軸，且聲速剖面與島礁海底地形均未發(fā)生明顯變化，因此聲源深度的不同，是斜坡對(duì)聲場(chǎng)的影響的主要因素。圖5給出的是島礁斜坡模擬地形，水平距離36 km，斜坡上端為50 m水深淺海海域，斜坡底部為1 100 m水深深海海域，坡面最大坡度20°。

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

聲傳播計(jì)算中，選擇15、500、1 000 m水深聲源分別代表淺水、深水、海底目標(biāo)發(fā)出的聲波。結(jié)果中，不同深度的聲傳播損失結(jié)果差異較小，說(shuō)明聲能在淺海區(qū)域分布均勻，島礁淺海區(qū)域的聲傳播損失垂向分布差異不大。在圖6（a）中會(huì)聚區(qū)集中在從聲源至與海底發(fā)生第一次接觸位置的三角區(qū)域內(nèi)，經(jīng)過(guò)一次反射，聲傳播損失增加30 dB。而后在10 km距離位置附近經(jīng)過(guò)一次海面反射，聲傳播損失又增加20 dB左右，聲傳播損失大于100 dB。圖6（c）、6（d）中聲源位于500 m水深，此時(shí)聲場(chǎng)中會(huì)聚區(qū)在 400 m深度以下普遍存在，會(huì)聚區(qū)面積明顯增加。經(jīng)過(guò)海底反射后的多數(shù)聲波在繼續(xù)傳播過(guò)程中并未與海面發(fā)生接觸，聲傳播損失增加幅度減小，在5 km距離位置附近發(fā)生第一次海面反射，傳播損失增加約25 dB，在距離12 km位置附近發(fā)生與海底發(fā)生反射后傳播損失增加15 dB，隨后在距離23 km位置處聲傳播損失大于120 dB。圖6（e）、6（f）中，聲源水深1 000 m接近海底，三角會(huì)聚區(qū)張角增大，會(huì)聚區(qū)面積進(jìn)一步增加，在靠近海底位置沿斜坡形成多處會(huì)聚區(qū)。從海底目標(biāo)發(fā)出的聲波傳播到淺海區(qū)域過(guò)程中聲傳播損失約為60 dB，在距離5 km位置附近發(fā)生海面反射后傳播損失大于90 dB。在23 km坡頂?shù)奈恢寐暡óa(chǎn)生會(huì)聚，傳播損失相對(duì)較小，減小約10 dB，隨后在33 km位置處聲傳播損失超過(guò)140 dB。為了探索上述現(xiàn)象的物理機(jī)制，對(duì)上坡過(guò)程中的本征聲線路徑進(jìn)行計(jì)算，Bellhop在所有聲線傳播路徑的基礎(chǔ)上，刪減傳輸過(guò)程中消散的聲線以及未到達(dá)接收點(diǎn)的聲線，只給出到達(dá)接收位置處聲線的路徑，因此顯示的本征聲線數(shù)目也反映了聲波在收發(fā)過(guò)程中傳輸完整性的情況。聲源在±13°范圍內(nèi)發(fā)出50條均勻分布的聲線，從靠近海底的1000m深度分別上升至800 m與600 m，接收點(diǎn)在斜坡上水深30 m位置處。

圖7中聲源深度1 000 m靠近海底，存在7條聲線能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播并最終到達(dá)淺海區(qū)域的接收位置，其中有2條聲線（藍(lán)色聲線）在傳播過(guò)程中并未經(jīng)過(guò)海面碰撞；隨著聲源深度的減小，聲線傳播過(guò)程的損失增大，大多數(shù)聲線傳輸距離縮短，能夠到達(dá)坡頂?shù)谋菊髀暰€數(shù)目減少，接收位置處的聲線僅存4條（2條藍(lán)色聲線）；進(jìn)一步減小聲源深度到600 m時(shí)，聲線的傳輸距離進(jìn)一步縮短，僅存3條聲線（0條藍(lán)色聲線）能夠到達(dá)接收位置。原因在于負(fù)聲速剖面環(huán)境中，水深較淺的聲源發(fā)出的聲線角度向下偏轉(zhuǎn)朝向海底傳播，第一次與海底發(fā)生碰撞的位置距離聲源更近，同時(shí)發(fā)生反射的聲線與海底碰撞時(shí)的入射掠射角更大，反射后的聲線反彈的高度增加，因此在水體中進(jìn)行了大范圍的偏轉(zhuǎn)移動(dòng)，消耗更大。而深水聲源發(fā)出的聲線與海底碰撞后反彈的高度減小，能夠以更少的海面反射次數(shù)向上傳播，聲波的傳播過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單直接，從而減少了傳播損失，傳播得更遠(yuǎn)。

圖6 不同深度聲源在斜坡區(qū)的聲傳播仿真Fig.6 Simulation of sound propagation in slope area for the sound source at different depths

圖7 不同深度聲源的本征聲線Fig.7 Sound eigenrays of the sound source at different depths

3.3 坡度對(duì)聲信號(hào)傳播的影響

聲信號(hào)在水下的傳播是時(shí)變多途信道，接收點(diǎn)接收到的聲壓由不同路徑的聲壓疊加而成。受島礁區(qū)域海底復(fù)雜地形等因素影響，各途徑聲信號(hào)選擇性衰落，信號(hào)的持續(xù)時(shí)間和頻帶得到展寬，聲信號(hào)發(fā)生多途畸變。在經(jīng)典射線聲學(xué)中通過(guò)聲線軌跡計(jì)算傳播損失，而多途信道沖擊響應(yīng)函數(shù)則由接收到的聲場(chǎng)中所有到達(dá)射線（本征聲線）的疊加而得到：

在利用被動(dòng)聲吶探測(cè)目標(biāo)時(shí)，探測(cè)范圍往往不局限于單一地形。使用被動(dòng)聲吶從島礁一側(cè)對(duì)另一側(cè)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，聲波必然經(jīng)過(guò)上坡和下坡兩個(gè)過(guò)程，其中坡度對(duì)聲信號(hào)傳輸過(guò)程的影響尤為重要。針對(duì)這一問(wèn)題，進(jìn)行聲信號(hào)接收情況仿真。仿真中，從實(shí)測(cè)地形中截取兩段相同高度，坡度陡、緩的島礁坡面路線，水平長(zhǎng)度均20 km，斜坡高度均在水深50～750 m。為防止坡面長(zhǎng)度對(duì)信號(hào)接收時(shí)間產(chǎn)生影響，將兩個(gè)斜坡頂端連接，構(gòu)成類似島礁地形剖面路線。設(shè)定先通過(guò)緩面上坡、陡面下坡路線為途徑1，與之對(duì)應(yīng)相反方向?yàn)橥緩?。在掠射角?13°～13°范圍內(nèi)均勻發(fā)出50根聲線，改變聲源深度及接收位置深度進(jìn)行接收本征聲線計(jì)算。

在表2途徑1的計(jì)算結(jié)果中，聲源在200～300米水深時(shí)，接收深度在200～600 m范圍內(nèi)并未接收到本征聲線。聲源水深增加，接收到的本征聲線數(shù)目逐步增多，同時(shí)數(shù)目增加的幅度明顯變大。途徑2的計(jì)算結(jié)果中，聲源水深從200 m至400 m過(guò)程中，接收到的本征聲線數(shù)目逐漸增加。水深從400 m至700 m過(guò)程中，接收到本征聲線數(shù)目起伏減小。從對(duì)比結(jié)果中可以看出，當(dāng)聲源深度較淺時(shí)，途徑2接收到的本征聲線數(shù)大于途徑1，聲源深度達(dá)到500 m時(shí)，途徑1接收到本征聲線數(shù)目與途徑2相近。聲源深度進(jìn)一步增加至700 m時(shí)，途徑1接收到的本征聲線數(shù)目大約是途徑2的5倍。說(shuō)明在坡度小的一側(cè)深水聲源發(fā)出的聲線更容易爬坡并且穿過(guò)島礁地區(qū)，而坡度大的斜坡地形對(duì)深水聲源發(fā)出的聲線存在更大的阻礙，而有利于淺水聲源發(fā)出的聲線傳播。

表2 方向相反兩個(gè)聲傳播路徑的計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison between the calculation results of sound propagation along the two paths in the opposite directions

圖8 方向相反兩個(gè)路徑的接收信號(hào)時(shí)延對(duì)比Fig.8 Comparison between time delays of the received signals along the two paths in the opposite directions

為進(jìn)一步分析斜坡地形坡度對(duì)接收信號(hào)的影響，對(duì)接收水深400 m處本征聲線到達(dá)時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。圖8中，在途徑1地形下，聲源在50～350 m水深范圍內(nèi)，沒有本征聲線能夠傳播。在水深400～700 m時(shí)，信號(hào)接收時(shí)間呈減小趨勢(shì)，減小幅度0.11 s。途徑2地形下，在水深50～700 m范圍內(nèi)均有本征聲線到達(dá)，接收信號(hào)時(shí)間在26.51～26.64 s范圍內(nèi)起伏變化，變化最大幅度為0.13 s。

4 結(jié) 論

本文以南海某珊瑚型環(huán)礁區(qū)為例，基于射線仿真程序Bellhop與拋物近似模型RAM對(duì)島礁斜坡地形條件下的聲傳播進(jìn)行計(jì)算仿真，模擬水下目標(biāo)聲學(xué)信號(hào)的傳播軌跡，得到島礁區(qū)水下聲場(chǎng)的聲線軌跡、本征聲線、傳播損失、信號(hào)時(shí)延等聲學(xué)特性分布規(guī)律，總結(jié)具體結(jié)論如下：

（1）聲波在島礁區(qū)域傳播過(guò)程中受斜坡地形阻礙影響嚴(yán)重。島礁斜坡區(qū)，由于負(fù)梯度聲速與島礁高陡斜坡地形的共同作用，聲能量在隨著海深變淺的距離上經(jīng)過(guò)坡面反射后會(huì)聚。同時(shí)研究海域聲速分布的臨界深度位于海面附近，聲源位置越靠近海底，會(huì)聚區(qū)發(fā)生概率越高，聲能量會(huì)聚區(qū)覆蓋面積越大，使得斜坡外緣淺海區(qū)域不易被島礁斜坡頂端的被動(dòng)聲吶所探測(cè)。

（2）環(huán)礁區(qū)內(nèi)坡度較小的斜坡地形屏蔽淺海目標(biāo)的聲傳播，對(duì)深海目標(biāo)的聲傳播更為有利，而淺海目標(biāo)更適合在坡度較大的斜坡地形下傳播。

本文以某珊瑚型環(huán)礁區(qū)為研究對(duì)象，旨在為認(rèn)知島礁斜坡水下聲場(chǎng)特征以及島礁海區(qū)目標(biāo)探測(cè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定參考。

致謝感謝哈爾濱工程大學(xué)水聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供研究平臺(tái)，全球移動(dòng)衛(wèi)星服務(wù)（GMSS）提供數(shù)據(jù)。