CN108008445B - 一种改进的浅海传播损失预报模型的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的浅海传播损失预报模型的计算方法，是基于Marsh‑Schulkin浅海传播损失预报模型上针对不同斜坡海底的近场异常系数提出了新的计算方法。降低其对于海底吸收参数的敏感性，提高了估算精度。针对近场异常系数计算中海底参数对其的影响，根据近场异常从几何传播的上下限累积上的不同，给出其新的扩展计算方式。修正计算近场异常系数的影响，从而使M‑S计算模型对任意负梯度，进一步使其对上下楔地形计算有了更高的计算精度。方法简单易行，具有非常广泛的适用性。

Description

一种改进的浅海传播损失预报模型的计算方法

技术领域

本发明涉及浅海快速传播损失模型计算，主要是一种改进的浅海传播损失预报模型的计算方法。

背景技术

M-S水文传播模型，因其对浅海环境下良好而稳定的预报能力在工程估算方面得到了广泛地应用。然而，M-S模型针对任意负声速梯度环境下的预报精度较差，同时M-S模型对传播环境的描述中缺少海表和海底的描述，在海面和海底反射的参数描述中均采用平滑瑞利模型，使其对具有一定海底地形结构的环境预报性能较差，在预报的精度上也受到局限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种改进的浅海传播损失预报模型的计算方法，具体涉及浅海中两种特殊地形的修正计算方式，上楔地形和下楔地形，该方法可以应用于常规浅海传播损失的快度估算。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种改进的浅海传播损失预报模型的计算方法，该方法具体包括如下步骤：

(1)、对于上楔的海底状态：上楔累积反射损失集中在海面位置，相对海底的反射异常损失减小，将上楔的下限作为上楔的参数计算方式，得到上楔的近场异常系数：

(2)、对于下楔的海底状态：下楔海底反射成为主要是近场异常损失，计算公式为:

K_u＝1+(2r_sr_b+r_s+r_b)×(1+r_sr_b)/(1-r_sr_b) (13)。

本发明的有益效果为：本发明在M.Schulkin提出的双线性梯度传播上，针对浅海中可能存在的上下楔地形，提出衰减系数的上下限问题，使得其针对距离无关的海洋环境平均估计浅海的计算中的地形上升下降问题有了一定精度的估算能力。适用于浅海快速传播损失模型计算，方法计算量较低，具有非常广泛的工程适用性。

附图说明

图1是上、下楔型海底条件下一阶声波反射示意图；

图2是某次试验中浅海负声速梯度示意图；

图3是上楔状态声源声道轴示意图；

图4是下楔状态声源声道轴；

图5是上、下楔型传播损失计算示意图；

图6是不同底质参数相对比kraken计算的误差示意图；

图7是试验过程的声速梯度示意图；

图8是MS与MS修正模型传播损失计算误差对比示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

传统的M-S近场浅海传播损失预报，以双线性梯度作为三级分区的计算依据，具体的预报方式为：

路径区(R<H)

TL＝20log^R+αR+60-k_U (1)

脱模区(H≤R≤8H)

TL＝15log^R+α_L[(R_c/H)-1]+αR+5log^H+60-k_U (2)

单模式区(R>8H)

TL＝10log^R+α_L[(R_c/H)-1]+αR+10log^H+64.5-k_U (3)

其中

H＝(L+D/3)^1/2 (4)

H为折射的跨度，L为混合层深度，D为水深，R为距离，α为传播衰减系数，α_L为近场的有效衰减系数，K_u为近场异常数值。

一般将近场接收的能量分为三种，分别为直达声，海面反射和海底反射，平坦的海底状态可以看做反射能量均匀状态。从图1中可以看出来最强的能量源是没有边界能量损失的直达声能量，直达声能量比海面反射和海底反射能量都强，所以将直达声能量作为反射边界条件的下限值，Marsh-Schulkin通过对上限数值评估，可以通过累加反射能量和的方式来逼近直达声能量：

K_U的计算取累积使用K_LU平台海底的瑞利下限来预估。针对平坦的瑞利海底，累积的近似是无误的，但是如果对于如图1(a)和图1(b)所示的上下楔能量累积状态，平稳K_LU的预估不再准确。

K_U＝(1+(2r_sr_b+r_s+r_b)) (6)

M-S模型针对任意负声速梯度环境下的预报精度较差，同时M-S模型对传播环境的描述中缺少海表和海底的描述，在海面和海底反射的参数描述中均采用平滑瑞利模型，在近场预报条件下，传播损失受异常系数(声波能量反射)影响较大，所以针对近场上楔模型和下楔模型的传播损失预报精度欠缺问题，本方法提出了新的上下楔近场异常系数计算方式。

图1所示是典型浅海上楔、下楔模型在一阶海面、海底反射状态示意。(a)图是上楔状态，(b)是下楔状态，反射、折射的三大组成部分分别是海面反射、直达波、海底反射。相比平滑瑞利海底，上下楔模型状态反射量有变化。

图2为某次试验中所采集的浅海负声速梯度数据。为分析上下楔状态在MS修正参数后关于任意负声速梯度传播损失的计算，以此次的浅海负梯度作为仿真实验条件。

图3为仿真海底上楔型状态，声线传播损失模拟。仿真状态横轴是1-10km的水平跨度，海深为100m的浅海环境，海底地形为缓慢的上楔地形，声源位于声道轴附近。由于上坡时刻，横跨度值上升，同时海深在减小，反射损失集中在海面位置，相对海底的反射异常损失减小，所以上楔状态的近场异常系数趋近于异常的上限临界。

图4为仿真海底下楔型状态，声线传播损失模拟。仿真状态横轴是1-10km的水平跨度，海深为100m的浅海环境，海底地形为缓慢的下楔地形，声源位于声道轴附近。下楔形问题中，和上楔形情况相反。在下楔问题中，反射损失集中在海底位置，相对海面的反射异常损失减小，所以下楔状态的近场异常系数趋近于异常的下临界。

图5是近场异常系数修正后的M-S快速估算的双程传播损失。其中(a)图是上楔型地形对应的双程传播损失，(b)是下楔型对应的双程传播损失。上楔和下楔在进行参数的上下限修正后的误差变化趋势相同，不同地形条件下，低频条件下的修正差异(1.5-3dB),在高频条件下的修正差异约为(3-6dB)。高频状态下主导修正差异的是衰减系数的增长，低频状态下主导修正差异的是异常系数在几何条件上的计算差异。

图6是仿真条件下的MS模型和修正后的MS模型对应相同的简正波模型计算的误差。其中上部的图是上楔型海底状态的误差计算分布，下部的图是下楔型海底状态的海底状态的误差计算分布。图6的横坐标是地声参数中影响较大的海底声速，不同底质的海底声速对MS和MS修正的计算误差作比较。由于下楔的多次海底反射，使得下楔的修正后精度提升比上楔的精度稍高，平均提高(2.7％-3％)，这是由于在M-S计算过程中主要以海底的异常计算为主要。通过M-S的异常参数和衰减参数的修正让整体的M-S计算精度提升5％-7％。

图7是某次南海试验中的声速剖面参数数据。试验中的地形发射点对于接受点来说属于上楔状态，剖面选取试验4中较为典型的(a)近似等声速，(b)弱正梯度，(c)弱负梯度，(d)跃变负梯度，拖曳声源发射，发射深度为10-15m,发射频率有1.3khz,1.5Khz,1.7Khz,1.8Khz的低频发射，实验过程中通过投弃式设备测量声速剖面。试验的海区靠近大陆沿岸，以细沙和沙土为主要底质，航线路径区域海底主要为上楔状态。试验中所测试传播损失均为双程传播损失。试验以走航的方式进行。

图8是针对此次试验数据进行的数据分析结果。图8横坐标是水平距离(km)，纵坐标是传播损失(dB),图中垂直于传播损失的是误差分布。对比图8中(a)(b)(c)(d)MS传播损失的计算精度和MS-amend的计算精度易看出MS-amend在计算精度上的提升，在计算异常系数上对于上楔问题中多路传播损失估算,所以提高了KL的计算上限，带来的副作用是在路径区的计算中，有一定预报精度的损失，这种损失在正梯度的水文条件中较为明显，在负梯度和近似等声速或跃变负梯度中影响较小，但是在单模式区和脱模区精度的显著提升以及在单模区的逼近从整体的预报精度上对M-S的精度有较大的提升，跨度进入单模区的整体提升5％-7％，脱模区的提升约10％，这是由于在上楔问题中8单模式区和脱模区的大量反射，异常系数和吸收系数对多反射的修正也在图8中得到验证。

I是直达声能量,r_s和r_b是海面与海底的反射系数,n是通过海深与跨度的关系计算出的声波与海面和海底的最小接触次数，(6)式累加和：

对于上楔的海底状态，由于底部底质的海底上升状态，双线性传播的描述界面由于Rc的减小

其中H为浅海海区的跨度(skip distance)，Rc是海底-海面声线临界几何跨度，Lc是声线与海面的跨度接触上限：

R_c＝2Dcotθ_c (9)

D为海水深度(不包含沉积层)，θ_c是临界跨度角：

θ_c＝arcosN₀ (10)

根据图4的仿真本方法对不同的海底能量状态提出了不同的近场累积方式：

其中上楔累积反射损失集中在海面位置，相对海底的反射异常损失减小，所以依据上限的反射次数将(7)进行化简，将上楔的下限作为上楔的参数计算方式，可以得到上楔的近场异常系数：

K_LU的计算比平滑下限要小，同时因为海底反射次数的减小，k_LU的估计更可靠。

下楔形问题中，和上楔形情况相反。在下楔问题中，下楔海底反射成为主要是近场异常损失，这里将下楔中的上限，对(2)进行分解，做参数的计算方式可以得到：

通过化简可以得到:

K_u＝1+(2r_sr_b+r_s+r_b)×(1+r_sr_b)/(1-r_sr_b) (13)

仿真条件下的MS模型和修正后的MS模型对应相同的简正波模型计算的误差。其中上部的图是上楔型海底状态的误差计算分布，下部的图是下楔型海底状态的海底状态的误差计算分布。图6的横坐标是地声参数中影响较大的海底声速，区不同底质的海底声速对MS和MS修正的计算误差作比较。由于下楔多次海底反射，使得下楔的修正后精度提升比上楔的精度稍高，平均提高(2.7％-3％)，这是由于在M-S计算过程中主要以海底的异常系数累积为主要计算系数。通过M-S的异常参数和衰减参数的修正让整体的M-S计算精度提升5％-7％。

通过对实际试验结果的分析在负梯度和近似等声速或跃变负梯度中影响较小，但是在单模式区和脱模区精度的显著提升以及在单模区的逼近从整体的预报精度上对M-S的精度有较大的提升，跨度进入单模区的整体提升5％-7％，脱模区的提升约10％，这是由于在上楔问题中8单模式区和脱模区的大量反射，异常系数和吸收系数对多反射的修正也在图8中得到验证。

本发明提出了基于Marsh-Schulkin浅海传播损失预报模型上针对不同斜坡海底的近场异常系数提出了新的计算方法。降低其对于海底吸收参数的敏感性，提高了估算精度。针对近场异常系数计算中海底参数对其的影响，根据近场异常从几何传播的上下限累积上的不同，给出其新的扩展计算方式。修正计算近场异常系数的影响，从而使M-S计算模型对任意负梯度，进一步使其对上下楔地形计算有了更高的计算精度。方法简单易行，具有非常广泛的适用性。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种改进的浅海传播损失预报模型的计算方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：

(1)、对于上楔的海底状态：上楔累积反射损失集中在海面位置，相对海底的反射异常损失减小，将上楔的下限作为上楔的参数计算方式，得到上楔的近场异常系数：

(2)、对于下楔的海底状态：下楔海底反射成为主要是近场异常损失，计算公式为:

K_u＝1+(2r_sr_b+r_s+r_b)×(1+r_sr_b)/(1-r_sr_b) (13)

其中，r_s和r_b是海面与海底的反射系数，Lc是声线与海面的跨度接触上限。