Page 99 - 《应该声学》2022年第2期

第 41 卷 第 2 期 汪恺等： 利用海洋环境噪声估计海流流速 267

从图 4(a) 中可以看到在正反两个方向上所提 图 6 展示了仿真环境下的本征声线轨迹。可以
取出的经验格林函数信噪比并不一致，这是由于在 从图 6 中发现，虽然本征声线可以直观分为直达波、
实际海洋环境中噪声源分布是不均匀的。同时从 海底一次反射以及海面反射 3 组声线，通过 3 组声
图 4(b) 中可以看到尽管信噪比存在差异，但正反两 线穿过水体的深度不同来对水体进行分层来估计
个方向上得到的经验格林函数时间到达结构都清 流速，但在与仿真对应的实际实验环境中，直达波、
晰明确，已经足够提取得到到达时延来进行后续的 海底一次反射波以及海面二次反射都对应着图 3 和
流速计算。 图 4(b) 中第一个到达的信号包络，难以区分，因此
图5 展示了从第二个信号包络时延差计算估计 在实际的浅海环境中很难通过将射线分为 3 组来对
的海流流速，其数值范围在50 cm/s以内。附近海域 海流流速进行分层估计。
历史测量平均流速为 52 cm/s，最大流速 109 cm/s， 表 2 列出了 3 组声线的到达时间和利用 3 次海
最小流速为 18 cm/s [15] ，考虑到海流的方向与实验 面反射波的到达时间估计出的海流流速。从表 2 中
波束形成指向的不同，反演结果落在历史测量的合 可以看出反演的海流流速与仿真的实际环境十分
理范围内。从图 5 中可以看到海流流速在 2 h 时间
接近。
尺度上随时间的变化趋势，同时随着季节改变，海流
方向也发生了改变。已有的研究结果表明，海南岛 表 2 仿真反演的结果
东南海域受南中国海大尺度表层环流的影响，海流 Table 2 Results of simulation inversions
在夏季和冬季分别以东北向和西南向流为主 [15] ，海
仿真流速/ 正向传播 反向传播 反演流速/
流方向发生改变符合历史实际观测结果。
(m·s −1 ) 时间/ms 时间/ms (m·s −1 )
3 射线理论仿真 1 2309.6 2312.6 0.996
0.5 2310.3 2311.8 0.498
3.1 仿真与结果 0.2 2310.8 2311.1 0.199

通过射线追踪方法可以对两点之间的声传播
过程进行仿真 [16−17] 。仿真使用的是由温度链实际 3.2 误差分析
测量的一组声速剖面，海流流速则采用恒定流速剖 格林函数的到达时间主要受声线在水体中传
面，分别设置为 1 m/s、0.5 m/s 和 0.2 m/s。两点之 播的距离影响，对应的主要不确定性在于海水深度。
间的距离设置为3500 m，海底声速由头波反演得到 在声线传播过程中，如果海底深度发生变化，声线轨
3
设置为 1603 m/s，海底密度为 1.9 g/cm ，吸收系数 迹将会发生变化，极大地影响声线传播时间。而实
为0.5 dB/λ，其余参数与实验参数一致。 际实验时，海底深度失配也是通常无法回避的问题。

ᄰ᣺ฉˁ๒अ1൓Ԧ࠱ܦጳ ๒᭧2൓Ԧ࠱ܦጳ ๒᭧3൓Ԧ࠱ܦጳ ๒᭧4൓Ԧ࠱ܦጳ ๒᭧5൓Ԧ࠱ܦጳ
0
10
20
30
40
๒ງ/m 50

60
70
80
90
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
ᡰሏ/m
图 6 基于射线理论仿真得到的本征声线轨迹
Fig. 6 The simulated eigen rays trajectory based on the ray theory