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第四章 海洋声速及声线跟踪 Oceanic Sound Velocity Sound Ray Tracing 赵建虎 本章内容 海洋声学 声纳及其工作方式 海洋声速及声速剖面类型划分 声线跟踪 等效声速剖面法 声线跟踪过程 声速测量误差对水深计算的影响 思考题 4．1 海洋声学 波束在海水中的折射特性，可通过Snell法则很好的反映。Snell法则为： 4．2 声纳及其工作方式 4．3 海洋声速及声速剖面类型划分 4．4 声线跟踪 假设波束经历由N个不同介质层组成的水柱，声速在各层中以常梯度gi变化,声速函数Ci(z)计算模型: 4．5 等效声速剖面法 4．6 声线跟踪过程 综上所述： 常梯度—声线跟踪法的计算精度最高，但计算过程烦； 等效声速断面法的计算精度仅次于常梯度—声线跟踪法，但参考深度的要求相对苛刻； 误差修正法的计算精度相对前两者稍差，但也能满足IHO的测深精度要求，且计算过程简单； 精度最差的当属常声速—声线跟踪法，其计算过程也比较复杂。 三角法： 未考虑声速在水中的传播特性，声速断面变化复杂时，深度相对误差急剧增大。这也体现了声线取决于声速和声速对波束脚印位置计算的重要性。 常声速—声线跟踪法： 虽顾及了声速断面，但层内情况同三角法相似，但计算精度优于三角法。 等效声速断面法：得益于采用了等效声速断面(或参考声速断面)和参考深度。计算精度满足了IHO的规定。 常梯度—声线跟踪法： 声速断面被严格的应用于每层的计算中，层内声速变化假设与实际吻合，计算过程虽复杂但严密，因而其计算精度最高(优于z‰)。 4．7 声速测量误差及对水深计算的影响 思考题 简述声波在海水中传播的特点。 简述海水中声速确定的两种方法。 简述建立局部海洋声场的基本思想。 简述层内——常声速声线跟踪和层内——常梯度声线跟踪的基本思想。 各种声线跟踪方法的比较。 设波束经历整个水柱[z0，z]的时间为TV，则Harmonic平均声速CH为： 即： 基于层内常声速（g=0）下的声线跟踪 假设波束经历由N层组成的水柱，声速在层内常速传播，设层厚度为?zi（?zi= zi+1-zi），则波束在层i内的水平位移yi和传播时间ti分别为： 则波束经历整个水柱的传播时间和水平距离为： 基于层内常梯度（g≠0）下的声线跟踪 设层i上、下界面处的深度分别为zi和zi+1，层厚度为?zi；波束在层内的实际传播轨迹应为一连续的、带有一定曲率半径Ri的弧段。根据上图，则Ri为： 层i内声线的水平位移xi为： 则： 波束在该层经历的弧段长度Si=Ri(?i -?i+1)，则经历该段的时间ti为： 上述声线跟踪模型表明，波束脚印位置的计算过程是复杂的，且只有在声速断面已知的情况下才能实施。 若 gi?0，则 若gi=0，波束经历层i的水平位移y’i和深度z’i为： 假设波束经历由N个不同介质层组成的水柱，声速在各层中以常梯度gi变化,声速函数Ci(z)计算模型: 为保证计算精度且简化计算过程，现引入位置和面积相对误差两个概念。 定义层i内的位置相对误差，该相对误差包括深度和水平位移相对误差fzi、fyi。 设常声速剖面C i-1—Ci-1（作为参考声速剖面）与常梯度声速剖面C i-1—Ci之间的面积差为?Si，则相对面积差?si的定义为： 根据Snell法则，则有： 综合以上各式可得： 从上式可以得出这样一个结论： 深度和水平位移相对误差fzi和fyi仅与层面入射角和相对面积差有关，而与其它参数无关。 误差修正法 由于这种方法不是直接依赖于实际声速剖面进行声线跟踪计算，而是通过选择一个简单的声速剖面（如零梯度声速剖面）作为参考声速剖面，根据相对面积差，建立参考声速剖面与实际声速剖面间的联系，进而修正参考声速剖面的计算结果，获得最终的波束脚印位置，因此，该方法被称为误差修正法。 实际声速剖面同参考声速剖面间的关系可简化为下图中的三种形式。 若将层i内的计算思想推广到整个水柱，设波束的初始入射角、声速、入射水层深度和水平位移分别为?0、C0、z0和y0，波束在海底的投射点为（zB、yB），则有 只要已知?0、C0、z0、y0和波束的传播时间T即可确定深度和平面位移。 根据上述结论，可得出相对于一级近似的补偿模型： 等效声速剖面法 由于常梯度声速剖面与实际声速剖面具有相同的积分面积，利用常梯度声速剖面计算的结果同实际声速剖面相同，因此，常梯度声速剖面被称为等效声速剖面，利用等效声速剖面确定波束脚印位置的方法简称为等效声速剖面法。 如图，设常梯度声速剖面C0—CB与实际声速剖面的面积差为0，以零梯度声速剖面C0