Page 96 - 《应该声学》2022年第2期

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距离失配对流速估计的影响。在此基础上，归纳总
0 引言
结主要结论：基于声层析原理，利用海洋环境噪声可
海洋声层析方法自提出至今得到了长久的发 以有效反演估计海流流速。
展，主要被用来估计海洋声速结构和海流 [1−2] 。过
1 理论
去数十年，诸多远场声传播实验已经验证论述了海
洋声层析方法的有效性 [2] 。由于深海声道轴的存 两点间经验格林函数的提取主要是通过累积
在，大部分海流测量实验都在深海进行 [3] 。而浅海 端射方向上的噪声源能量，因此两个阵列之间的
环境下，由于声速从海表面到海底变化幅度较小、声 信号可以在端射方向上做波束形成来加快能量累
线分辨性较差、噪声干扰强烈，因此浅海声层析在 积 [14] 。如图 1(a) 的设计方案所示，当满足远场假设
海流估计上的应用较少。浅海海域的海流结构以水 时，阵列 A 和阵列B 在θ 0 方向上波束的频域噪声互
平的潮汐余流为主。在声传播过程中，海流的流速 相关函数可以用式(1)表达：
相对于声速来说是一个极小量，对于声传播时间并 H
C AB (ω) = b A (ω, θ 0 )b (ω, θ 0 )
B
不敏感，而且海流方向多变，因此难以将海流流速与
H
H
= W (ω, θ 0 )P A (ω)P (ω)W B (ω, θ 0 ), (1)
A
B
声速剖面一起反演。从理论计算上，声层析方法可
H
以应用在海流估计中 [4] 。Kaneko 等 [5] 在日本濑户 这 里， W A(B) (ω, θ 0 ) 是 波 束 形 成 的 权 重 向 量，
H
P A(B) (ω) 是阵列的频域接收信号，(·) 是共轭转
内海进行声层析实验并进行了10 km的二维水平流
置，ω 是角频率，θ 0 是阵列 A 的第 m 个阵元指向阵
速场重建，Zhu 等 [6] 完成了对中国舟山群岛海区的
列B的第n个阵元的端射方向。
二维流场重建。Taniguchi 等采用声层析方法成功
测量了 Kuroshio海域的流速垂直分布结构 [7] ，并用 ဗܒ٪ܦູ
同样的方法实现了对吕宋海峡的流速估计 [8] 。但上
述海流测量基于的声层析实验或是需要主动发射 ๒ງ 97 m
ພएᩗ
声源，或者需要长时间接收信号才能对流速进行估
计，难以观测海流在短时间尺度上的变化。
通过长时间累积平均的环境噪声互相关函数 ඵࣱᡰሏ 3529 m
᫼ѵA ᫼ѵB
(Ambient noise cross-correlation function)，其时间
(a) ඵࣱ᫼ѵࠄᰎ࣋ஊᇨਓڏ
微分形式与两个接收器间经验格林函数 (Empirical
Green’s function) 的时间到达结构已经被论证过是 ๒᭧
一致的 [9−10] 。在此基础上，Godin 等从公路环境噪 ኄ3ࡏ
声成功反演了风速 [11] ，适合进行长期声速观测的被
动海洋声层析也得到了迅速发展 [12−13] 。并且，被 ኄ2ࡏ
动声层析方法也更适合人为因素干扰较多的浅海 ኄ1ࡏ
海域。Li等通过波束形成加速能量累积，在2 h时间 A ๒अ B
内提取出两个平行水平阵列间的经验格林函数，准 (b) ๒ภોܦጳѬࡏᇨΓ
确地反演了2 h 平均的声速剖面 [14] 。
图 1 被动声层析设计示意图与海洋分层示例
本文利用环境噪声互相关提取格林函数在 2 h
Fig. 1 Schematic design of passive acoustic to-
时间尺度上估计海流流速。首先介绍波束形成增强
mography and an example of ocean stratification
水平阵列间环境噪声互相关函数，计算得到经验格
那么，θ 0 方向上的格林函数就可以从时域噪声
林函数的理论方法。然后依据南中国海海域声层析
互相关函数的时域微分提取出来：
实验数据，获取经验格林函数的时间到达结构，估计
反演 2 h 平均的海流流速。再给出该海域海流流速 G AB (t) ≈ −dC AB (t)/dt. (2)
仿真计算，验证实验数据处理所获海流流速和理论 由于波束形成会过滤掉其他方向上的能量，为
仿真估计结果的一致性、有效性，并分析海深失配、 了得到反向的格林函数，通过将波束形成指向 θ 0 的