一种基于射线简正波的深海不完整声道会聚区分类方法与流程

本发明涉及水声物理测绘技术领域，是一种基于射线简正波的深海不完整声道会聚区分类方法。

背景技术：

深海声道广泛地存在于地球各大洋中。根据定义，深海声道是存在于一定水深中的声波波导。由于受温度、压力以及其他因素的影响，深海中的声波速度随深度的变化曲线呈一个具有极小点的二次曲线的形状，其声速极小值所处的深度称为声道轴。在轴的上方声速增大的主要原因是海洋表面温度的升高，而在轴的下方声速增大的主要原因是海水静压力的增大。在对深海大深度的实验研究中，发现在声道轴以下同样存在着会聚效应，目前缺少对不完整声道会聚区分类。

深海会聚区对于深海远程声传播有着重要的意义，许多学者都对其进行过研究。当声源位于海面附近时，在海面附近会形成声强很高的焦散线和会聚区。所谓焦散线指的是临近声线交聚点所形成的包络线，会聚区指的是海面附近形成的高声强焦散区域。

以往对于会聚区的研究，由于国外深海海域多为完整声道，因此会聚区也多为完整声道中的会聚区，随着我国近年来科技的发展，对南海海域典型的不完整声道研究也逐渐受重视起来，李整林等人研究了不完整声道中海底反射会聚区的特点，该会聚区位置位于海面附近，不同于以往研究的上反转点会聚区。同时，哈尔滨工程大学在2014年的南海远程声传播实验中发现声道轴以下也存在着会聚效应，因此对于不完整声道中会聚区类型的分类将有助于对各个类型会聚区进行进一步的研究。

技术实现要素：

本发明针对不完整声道在深海声道中的会聚区类型根据射线简正波理论进行分类，从而能够更好的对各种类型的会聚区分类，本发明提供了以下技术方案：

一种基于射线简正波的深海不完整声道会聚区分类方法，包括以下步骤：

步骤1：基于射线简正波，获得特定声速剖面下声线水平距离与深度的关系，不完整声道为海底声速小于海面声速，在分层介质条件下，位于x＝0，z＝zs处，确定初始角为α0的声线经过的水平距离，通过下式表示所述水平距离：

其中，x为声线经过的水平距离，zs为声源深度，n(z)＝c0/c(z)为折射率；

步骤2：根据确定的声线水平距离与深度的关系，确定深海完整声道中的下反转点会聚区中的声线水平距离，海水中声线包括水中折射型、海面反射型、海面-海底反射型以及海底反射型；

步骤3：根据海完整声道中的下反转点会聚区中的声线水平距离，确定焦散线的位置；

步骤4：根据焦散线的位置，在伪彩图上画出焦散线的几何图像，并与传播损失伪彩图的会聚效应区域进行对比，完成对深海完整声道中会聚区类型进行分类。

优选地，海面声速1544m/s，海底声速1533m/s，声道轴位于1100m。

优选地，步骤2具体为：

步骤2.1：确定无量纲算子f，通过下式表示无量纲算子：

其中，cs为声源处声速；

步骤2.2：得到声线轨迹的水平距离与算子f的关系，确定第一个会聚区内声线的水平距离，通过下式表示第一个会聚区内声线的水平距离：

其中，lu表示声线由上层海洋环境的反转深度到声道轴处所经历的水平距离，lb表示声线由声道轴处到下层海洋环境的反转深度所经历的水平距离，δl表示由于声源深度zs和上层海洋环境的反转深度zru的位置差异所产生的声线水平距离的补偿值，对于负角度出射的声线，即声线从声源向上发出，δl取正值；对于正角度出射的声线，即声线从声源向下发出，δl取负值；ⅰ指的是上反转点到声道轴之间的区域，ⅱ指的是声道轴到下反转点的区域，ⅲ指的是下反转点到声道轴的区域，ⅳ指的是声道轴到上反转点的区域；当声线在海面处发生反射的时候zru＝z0，当声线在海底处发生反射的时候zrb＝zb；

步骤2.3：根据第一个会聚区内声线的水平距离，确定对于在第j个会聚区中的声线，在深度为z处的水平距离，通过下式表示在第j个会聚区中的声线，在深度为z处的水平距离rj(z)：

rj(z)＝2(j-1)(lu+lb)+x(z)。

优选地，所述步骤3具体为：不同初始角发出的声线，在同一深度的水平距离是先减小后增大的，始终存在某一个初始角使得水平距离达到极小值，在上层海洋环境反转点和下层海洋环境反转点之间形成焦散线，对于某一深度，确定声线水平距离的极小值即为焦散线的位置，通过下式表示焦散线位置：

优选地，所述步骤4具体为：利用声场计算软件进行离线仿真，将距离与深度空间划分网格；通过声场计算得到传播损失伪彩图，利用得到的焦散线位置，在伪彩图上画出焦散线的几何图像，并与传播损失伪彩图的会聚效应区域进行对比，从而对深海完整声道中会聚区类型进行分类；

从深度上进行分类，在海面附近的为海底反射会聚区，海面到声源深度之间的会聚区为上反转点会聚区，声源共轭深度到海面共轭深度之间的会聚区为下反转点会聚区。

优选地，仿真时的网格点距离间隔为10米，深度间隔为5米。

本发明具有以下有益效果：

本发明针对目前对于不完整声道中会聚区类型研究较少的特点，结合近年来实验中发现的海底反射会聚区以及声道轴以下存在的会聚区，利用射线简正波理论分析了各种类型会聚区的形成机理。所提的方法根据形成会聚区的焦散线类型不同，将深海不完整声道中的会聚区分为了三类。其结果表明：在深海不完整声道中存在三类会聚区，在声道轴以上存在两种会聚区，除了以往研究中的上反转点会聚区，还有海面附近的海底反射会聚区，在声道轴以下存在一种会聚区，即声源共轭深度到海底之间的下反转点会聚区。

附图说明

图1为深海不完整声道声速剖面示意图；

图2为三类声线示意图；

图3为深海不完整声道会聚区类型示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

根据图1至图3所示，本发明提供一种基于射线简正波的深海不完整声道会聚区分类方法，包括以下步骤：

一种基于射线简正波的深海不完整声道会聚区分类方法，包括以下步骤：

步骤1：基于射线简正波，获得特定声速剖面下声线水平距离与深度的关系，不完整声道为海底声速小于海面声速，海面声速1544m/s，海底声速1533m/s，声道轴位于1100m。

在分层介质条件下，位于x＝0，z＝zs处，确定初始角为α0的声线经过的水平距离，通过下式表示所述水平距离：

其中，x为声线经过的水平距离，zs为声源深度，n(z)＝c0/c(z)为折射率；

步骤2：根据确定的声线水平距离与深度的关系，确定深海完整声道中的下反转点会聚区中的声线水平距离，海水中声线包括水中折射型、海面反射型、海面-海底反射型以及海底反射型；在水中声线主要分为4中类型，即(1)水中折射型(rr)，相应的声速条件为cr＜cu，cr＜cb；(2)海面反射型(rsr)，相应的声速条件为cu＜cr≤cb；(3)海面-海底反射型(rsbr)，相应的声速条件为cr≥cu，cr≥cb；(4)海底反射型(rbr)，相应的声速条件为cb＜cr≤cu。其中第3种类型声线在不完整声道中不存在，因此不予以考虑，其他三类声线的示意图如图2所示。

步骤2具体为：

步骤2.1：确定无量纲算子f，通过下式表示无量纲算子：

其中，cs为声源处声速；

步骤2.2：得到声线轨迹的水平距离与算子f的关系，确定第一个会聚区内声线的水平距离，通过下式表示第一个会聚区内声线的水平距离：

其中，lu表示声线由上层海洋环境的反转深度到声道轴处所经历的水平距离，lb表示声线由声道轴处到下层海洋环境的反转深度所经历的水平距离，δl表示由于声源深度zs和上层海洋环境的反转深度zru的位置差异所产生的声线水平距离的补偿值，对于负角度出射的声线，即声线从声源向上发出，δl取正值；对于正角度出射的声线，即声线从声源向下发出，δl取负值；ⅰ指的是上反转点到声道轴之间的区域，ⅱ指的是声道轴到下反转点的区域，ⅲ指的是下反转点到声道轴的区域，ⅳ指的是声道轴到上反转点的区域；当声线在海面处发生反射的时候zru＝z0，当声线在海底处发生反射的时候zrb＝zb；

步骤2.3：根据第一个会聚区内声线的水平距离，确定对于在第j个会聚区中的声线，在深度为z处的水平距离，通过下式表示在第j个会聚区中的声线，在深度为z处的水平距离rj(z)：

rj(z)＝2(j-1)(lu+lb)+x(z)。

步骤3：根据海完整声道中的下反转点会聚区中的声线水平距离，确定焦散线的位置；

所述步骤3具体为：不同初始角发出的声线，在同一深度的水平距离是先减小后增大的，始终存在某一个初始角使得水平距离达到极小值，在上层海洋环境反转点和下层海洋环境反转点之间形成焦散线，对于某一深度，确定声线水平距离的极小值即为焦散线的位置，通过下式表示焦散线位置：

步骤4：根据焦散线的位置，在伪彩图上画出焦散线的几何图像，并与传播损失伪彩图的会聚效应区域进行对比，完成对深海完整声道中会聚区类型进行分类。

所述步骤4具体为：利用声场计算软件进行离线仿真，将距离与深度空间划分网格；通过声场计算得到传播损失伪彩图，利用得到的焦散线位置，在伪彩图上画出焦散线的几何图像，并与传播损失伪彩图的会聚效应区域进行对比，从而对深海完整声道中会聚区类型进行分类；

从深度上进行分类，在海面附近的为海底反射会聚区，海面到声源深度之间的会聚区为上反转点会聚区，声源共轭深度到海面共轭深度之间的会聚区为下反转点会聚区。

仿真时的网格点距离间隔为10米，深度间隔为5米。

具体实施例二：

声源深度200m，选取海深4300m的环境进行仿真，利用声场计算软件，计算该环境下的传播损失伪彩图，根据基于射线简正波理论推导出的会聚区焦散线位置画出在该环境下的会聚区焦散线几何图像，并与传播损失伪彩图进行对比，确定在深海不完整声道中，存在着3类会聚区，分别为声道轴以上的上反转点会聚区，范围从海面到声源深度，即图3中所示，声道轴以上的海底反射会聚区，范围在海面附近；声道轴以下的海面反射会聚区，范围从海面共轭深度到海底，。根据射线简正波理论将深海不完整声道中的会聚区分为了三类，有助于对这三类会聚区的形成机理以及特性进一步进行相应的研究。

以上所述仅是一种基于射线简正波的深海不完整声道会聚区分类方法的优选实施方式，一种基于射线简正波的深海不完整声道会聚区分类方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。