第4章-海洋声速及声线跟踪.ppt

现代海洋测绘,赵 建 虎,第四章 海洋声速及声线跟踪 Oceanic Sound Velocity & Sound Ray Tracing,赵建虎,本章内容,海洋声学声纳及其工作方式海洋声速及声速剖面类型划分声线跟踪等效声速剖面法声线跟踪过程声速测量误差对水深计算的影响思考题,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4．1 海洋声学,4．1．1 海洋声速,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 m／s；深度每增加100米，声速约增加1.75 m／s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+1相邻介质层界面处波束的入射角和折射角，p为Snell常数4．1．2声波在海水中的传播特性,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。

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4．1．3 声道,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等的深度之间传播4．1．4 海洋噪声,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： ①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； ②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、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：,,4．2 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 =0.67×10-18W/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： 脉冲时间法、 干涉法、 相位法 脉冲循环法等4．3．1 海洋声速的确定,4．3 海洋声速及声速剖面类型划分,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。

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：,测区的水文要素； 声速在海水中的传播特性 ； 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 ； 表层和底部的声速测量非常重要 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T2、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-4C

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4．4 声线跟踪,,,则：,,,,若声速在层i内以常梯度gi变化，则层内（z[zi，zi+1]）声速函数为：,。