Page 9 - 应用声学2019年第4期

第 38 卷 第 4 期 尚尔昌： 水声学中地声反演的新进展 469

系数” 原理，阐释当存在模型失配时得到的 “等效
0 引言 地声参数” 的真实物理含义；第 3 节，简述海底反射
相位参数P(f)和衰减参数Q(f)的引进及应用现状
水声探测系统的效能严重受制于海洋环境特
和前景；第 4 节中，介绍可以克服模型失配从而获
性，因此，无论从声呐系统的设计角度或实战使用角
得海底介质固有衰减系数的两种新方法：“Model-
度，都应对环境因素的影响予以重视 [1−2] 。对浅海
free(WKB+P(f))”方法和“N×HHS”方法。第5节
环境而言，海底对声场之影响无疑成为研究之重点。
给出全文总结。
描 述 海 底 声 学 特 性 的 参 数 为 “地 声” 参 数
(Geoacoustics parameters)，简称 GA参数，即：介质
1 分层介质波导中格林函数的积分表示
密度 ρ、纵波声速 c、声衰减 α。如果海底沉积物存
在分层结构，则通过 GA参数的剖面ρ(z)、c(z)、α(z) 基于图1(a)所示波导模型，Pekeris [8] 于1947年
来描述。不同于海洋水体，对海底参数难以通过在 发表了创始性的关于浅海声场的经典文献。
底质中布设测量系统进行直接测量。对沉积层表

层，可以进行岩心采样(Core sampling)并后期进行
实验室分析。美国Scrips 海洋研究所的 Hamilton [3] c w/࣢஝
H
于20世纪70年代到 80年代对岩心采样分析开展了
ρ b/࣢஝ c b/࣢஝ α↼f↽
大量研究，并对海底表面的声学特性进行了较为全
面的总结，他所提出的方法成为获得海底表面的声 z
(a) Pekerisฉ࠮വی
特性的有效方法之一。但是深层参数剖面信息的提
取十分困难。需要指出，这里所谓的 “深层” 的具体 
范围与声呐使用的频率直接相关，对于远场小掠射 c w ↼z↽
角情形，声波与海底的作用深度约为波长的数量级 H
(例如目前声呐常用频段 100 ∼ 3000 Hz，其作用范 λ α↼f↽
围在 20 m 以内)。通过测量水体中的声场信息来反 z ρ b ↼z↽ c b ↼z↽
演(或估计)此深度范围内的地声参数，自20世纪70 (b) ࠄᬅู๒ฉ࠮വی
年代以来成为研究热点 (以 SACLANT 研究中心的
图 1 Pekeris 波导模型和实际浅海波导模型
大量工作为代表)并持续至今 [4−5] 。
Fig. 1 The Pekeris waveguide model and the prac-
由于计算机技术的迅速发展，目前对正问题
tical shallow water waveguide model
(已知环境参数信息计算声场) 已基本解决，但是
逆问题 (通过声场反推环境信息) 的解决仍十分困 Brekhovskih [9] 在其经典著作《分层介质中的
难，特别是海底地声参数反演中关于介质的固有衰 波》对图 1(a) 所示之浅海波导给出格林函数的积分
减 (Intrinsic attenuation) 的反演问题。正如 Pierce 表示：
等 [6] 指出的 “对于通常的典型海底沉积层，在频率 i ∫ +∞ 1 + V 2 (1)
φ= f 1 (ξ, z)H 0 (ξr)ξdξ/α,
5000 Hz 以下，无法直接测量得到海底固有衰减系 2 −∞ 1−V 1 V 2
数，而间接获取往往又会引入另外的物理机制的干 z 6 0, (1)
扰”。例如，反演海底宽频带衰减系数 α(f) 时，将 i ∫ +∞ 1 + V 1 (1)
φ= f 2 (ξ, z)H 0 (ξr)ξdξ/α,
实际的分层海底用假设的半无限空间来处理会导 2 −∞ 1−V 1 V 2
致“模型失配”和固有衰减系数的“畸变” 。由于缺 z > 0,
[7]
乏可靠实测数据的支持，关于衰减系数的频率关系 其中，V 2 为海面反射系数，V 2 = −1；V 1 为瑞利海底
的 “线性” 与 “非线性” 争论持续数十年，至今未得 反射系数：
√
2
2
解决。 (ρ b /ρ w ) sin θ − n − cos θ
V 1 = √ . (1a)
本文内容结构组织如下：第 1 节回顾分层介质 (ρ b /ρ w ) sin θ + n − cos θ
2
2
波导中格林函数的积分表示，重新表明海底反射系 对于如图 1(b) 所示之分层介质波导，则得到
数的应有地位；第 2 节通过讨论 Brekhovskih“反射 式 (2)∼(3)关于点源声场的积分表示如下 [10] ：