《Journal of Marine Science and Engineering》：Coupling Effect of the Bottom Type-Depth Configuration on the Sonar Detection Range in Seamount Environments
摘要
海底地形对水声传播具有深远影响，而海底声学特性与声源-接收器几何配置之间的耦合效应尚未得到充分量化，特别是在海山屏蔽场景下。为填补这一空白，本研究将BELLHOP射线模型与台湾以东海山的ETOPO1地形数据和HYCOM水文数据相结合，模拟了300 Hz声波在四种典型海底类型（岩石、粗砂、粉砂、黏土）下，随声源深度（50–1000 m）和接收器深度（50–500 m）变化的传输损失（TL）。以80 dB TL阈值作为有效探测标准，划定了最大声纳探测范围。关键发现表明，海底特性是降低探测范围的主要因素：岩质海底的最大探测范围超过黏土海底8倍以上。值得注意的是，浅源-浅接收器配置可缓解海山引起的声阴影效应，而深接收器部署（≥500 m）则削弱了海底类型对传播行为的判别影响。此外，建立了一个分段经验预测公式，该公式协调了物理机制（如海底反射-吸收和海山屏蔽）和工程适用性，为复杂海底地形环境下的声纳性能评估提供了稳健的理论基础，从而有助于在以海山为主的海洋环境中优化水下探测策略。
1. 引言
海底地形对水声传播的影响是海洋声学研究的一个重要课题。特别是在海山环境中的声传播特性，由于此类环境中的特殊物理机制而受到广泛关注。随着海洋资源开发和水下安全需求的增长，准确预测海山地形下的声传输损失和声纳探测范围已成为亟待解决的关键问题。当声波在深海中传播时，会频繁与海山碰撞，引起声屏蔽、聚焦和声影区形成等物理现象，这些现象显著影响声纳系统的探测性能。以往的研究多集中于声速剖面和几何屏蔽效应，并常将海底简化为理想的刚性或均匀半无限介质，未能系统量化真实海底类型与声源-接收器深度配置之间的耦合效应。
近年来，国内外学者通过实验和模拟对复杂海底地形中的声传播进行了研究。早在20世纪60年代，Northrop等人就发现了斜坡增强效应。在西太平洋的实验中，秦继兴等人观察到声源发出的信号在经过斜坡传播后，可以在声信道轴深度附近稳定地长距离传播。通过在南海的深水实验，李生浩等人发现海山引起的三维水平折射效应导致传输损失比二维模型计算结果高出10 dB以上。然而，现有研究在海底声学特性的定量表征方面存在明显不足，特别是缺乏对不同海底类型与深度配置耦合效应的系统分析。
本研究基于BELLHOP射线模型，结合HYCOM水文数据和ETOPO1地形数据，系统研究了台湾以东海山剖面中四种海底类型（岩石、粗砂、粉砂、黏土）对300 Hz声波传播的影响。创新性地引入了无量纲参数R/A来综合表征海底的反射-吸收特性，量化了海底类型和声源-接收器深度配置对声传输损失和最大声纳探测范围的耦合效应。建立了一个适用于航行规划的经验预测公式，为海山地形下的声纳性能优化提供了理论支持。
研究选择300 Hz作为模拟分析的中心频率，主要基于以下考虑：首先，300 Hz处于典型的低频段，具有低衰减和强远程传播能力，是深海遥感应用的关键频率。其次，该频率下的波长（约5 m）远小于所研究海山的特征尺度（水平范围约20 km，垂直起伏约3000 m），从而满足几何声学近似，使得基于射线的模型能够有效捕捉地形遮挡引起的几何阴影效应。此外，300 Hz声波与海底的声相互作用对海底特性（包括密度、声速和衰减系数）高度敏感，使得该频率成为研究“海底类型-深度”耦合效应的理想选择。
“海底类型-深度”耦合关系及其相关经验预测模型的物理机制在低频段（例如100 Hz–1 kHz）具有广泛的适用性。因此，本研究的结果可以定性地指导在复杂地形环境中运行的类似低频声纳系统的性能预测。但对于定量应用，必须根据目标频率的吸收系数以及声波波长与地形特征尺度的比率来调整模型中的衰减项和衍射增益。
2. 数据与方法
2.1. 地形与水文数据描述
台湾以东的海山地貌剖面起点坐标为22.33° N, 123.30° E，终点为22.33° N, 122.63° E。海山剖面中心位于约35公里处。该点峰值水深约2000米，基底水深约5000米，相对高度3000米，水平跨度约20公里，是一个典型的大型海山，足以对300 Hz声波产生显著的屏蔽效应。
水文数据来自HYCOM再分析数据，分辨率为1/12°；海底地形数据来自ETOPO1，分辨率为1′。计算声速的经验公式为C = 1450 + 4.21?T ? 0.037?T2+ 1.14?(S ? 35) + 0.0175?D，其中C为声速，T为温度，S为盐度，D为深度。
关于海底声学参数，R为反射系数。海底反射系数由声阻抗决定，R = [(z2? z1)/(z2+ z1)]2，其中阻抗Z = ρC，ρ为密度。海水阻抗Zw= 1025 kg/m3× 1500 m/s = 1.5375 × 106kg/(m2·s)。海底的声能量吸收能力用纵波衰减系数A（dB/λ）表征，该值越高，表明穿透到底层时能量损失越快。
为综合表征海底的反射-吸收特性，引入了无量纲参数R/A，其中R为反射系数，A为归一化吸收强度。本研究中，以纵波衰减系数（dB/λ）作为A的代理变量，因此R/A值越大表明海底反射性越强。对于岩石，R/A = 5.41，形成强反射海底，声波能量主要被反射，适于长距离传播，海底损失小。对于粗砂边界，反射和吸收平衡，部分反射部分吸收，适于中等传播距离。对于黏土，R/A = 0.25，为强吸收海底，声波能量主要被海底吸收，传播距离有限，海底损失大。
2.2. BELLHOP模型模拟
分别采用RAM模型和BELLHOP模型模拟了海山环境中不同底质对传输损失（TL）的影响。结果显示，两种模型的计算结果（趋势）基本一致，平均绝对差异为6.52 dB，均方根差异（RMSD）为8.19 dB。这些差异主要是由射线法“忽略波动效应”引起的系统偏差所致。考虑到本研究考察的海山水平范围相对较大，且BELLHOP模型的计算效率远高于RAM模型，经综合评估后决定采用BELLHOP模型进行后续声场模拟。
基于射线声学理论，BELLHOP计算声线轨迹及其强度，以模拟非均匀海洋环境中的传播，特别适用于涉及海山边界的中低频问题。模型输入包括：（1）源自HYCOM数据的二维声速剖面；（2）ETOPO1水深数据；（3）表1所列四种代表性海底类型的弹性参数（即密度、纵波和横波速度、衰减系数和粗糙度）。海面被建模为压力释放边界（即声学软边界，压力为零条件），而海底则使用弹性半空间模型表示，以更真实地捕捉波-沉积物相互作用。
模拟中，声源配置为全向、单频点源，频率300 Hz，源级（SL）为120 dB，与典型的深水远程声纳系统规格一致。采用全向辐射模式以消除方向性偏差并隔离“海底类型-深度”耦合效应。声源深度设置为50 m、150 m、500 m和1000 m，覆盖浅表层声道、中层过渡带和深水声信道轴附近区域。接收器为全向水听器，置于50 m、100 m、200 m和500 m深度，对应对不同声传播路径敏感的深度范围。传输损失（TL）通过沿所有声线路径积分强度贡献来计算。采用80 dB的有效检测阈值来后续估算声纳系统的最大作用距离。针对四种海底类型（岩石、粗砂、粉砂、黏土）进行了模拟，以评估不同声源-接收器深度配置下的传输损失。
从300 Hz传输损失分布图可以看出，海底类型对海山后方声影区的范围、影区内外的能量差异以及接收信号强度具有系统性影响。这种影响随声源深度的变化保持一致的趨勢。坚硬、高阻抗、低吸收的岩质海底为声波提供了有效的反射体，减小了影区并保留了更多的到达能量。相反，柔软、高吸收、低反射的黏土海底如同能量陷阱，导致最大的影区和最弱的信号。
不同海底沉积物环境下，相同声源深度和接收器深度下的声传播损失模拟结果表明，黏土导致的声传输损失最大。这主要是因为黏土的阻抗最低，导致大量声波透射入海底，能量被底层反复吸收和散射，产生额外损失。相反，岩石的阻抗最高，能量被快速镜面反射，在射线模型中，保留在水柱中的能量比例最高，表现出最低的损失。因此，不同海底类型引起的传输损失从大到小依次为：黏土 > 粉砂 > 粗砂 > 岩石。
3. 结果分析
被动声纳探测范围的确定可表示为：SL ? TL ? NL + DI ? DT ? 0。取源级（SL）120 dB，噪声谱级（NL）50 dB，阵列增益（DI）20 dB，检测阈值（DT）10 dB，则使用传输损失（TL）的有效被动声纳检测经验阈值为80 dB。
在极浅同深度配置（声源深度50 m，接收器深度50 m）下，即使是吸收性海底（粉砂和黏土）也可因表面声道实现远距离探测。在相同声源-接收器深度配置（声源深度500 m，接收器深度500 m）下，直达声线和反射声线几乎同时到达，相长干涉可增强信号。在靠近声信道轴的深接收器配置（声源深度1000 m，接收器深度500 m）下，各种海底类型的探测范围几乎相同，这主要由深水声传播的多径平均效应和海山屏蔽的主导机制共同决定。
基于最大探测范围数据，为平衡预测结果的准确性、稳健性以及物理现实的合理性，针对海山后方的最大声纳探测范围Rmax（km），提出了一个“按海底类型+有无屏蔽”的双段模型。设置阈值以捕捉深度对海底效应的调制，并反映海底的主导效应。
3.1. 自由场（未显著受海山屏蔽和海底吸收影响）
若海底=岩石，且声源深度zsrc≤ 150 m，接收器深度zrec≤ 100 m，则Rmax= 68.6 km。
若声源深度zsrc= 接收器深度zrec= 50 m，则无论海底类型如何，Rmax= 68.6 km。
3.2. 屏蔽场（按海底分段）
屏蔽场中的最大声纳探测范围Rmax被经验性地参数化为声源深度（zsrc）和接收器深度（zrec）的函数，针对四种典型海底类型具有不同的公式：
（1）强反射型（岩石）：Rmax= max(68.9 ? 0.0012 zsrc? 0.011 zrec, 65.0)。
（2）过渡型（粗砂）：Rmax= max(69.2 ? 0.028 zsrc? 0.045 zrec, 40.4)。
（3）吸收型（粉砂）：Rmax= max(12.8 ? 0.0041 zsrc? 0.021 zrec, 5.42)。
（4）强吸收型（黏土）：Rmax= max(9.9 ? 0.0020 zsrc? 0.0085 zrec, 5.42)。
在屏蔽场的经验公式中，zsrc和zrec的系数均为负，表明探测范围随深度增加而减小，这与海山屏蔽增强的规律一致。截距反映了海底反射能力，岩石（68.9）> 粗砂（69.2）> 粉砂（12.8）> 黏土（9.90），这与R/A的排序一致。该模型整合了表面声道自由场效应（极浅、同深度），通过截距和斜率反映了海底反射-吸收特性，通过负系数反映了屏蔽趋势，并通过5%分位数阶段提供了物理下限保护。
模型达到了R2 = 0.981，表明模型成功捕捉了海山屏蔽、海底类型和深度配置对Rmax的主要影响因素。模型还实现了平均绝对误差（MAE）为1.38 km，表明每个案例的平均预测距离偏差为1.38公里，满足盲区判断的精度要求（通常±5公里可接受）。对于低至300 Hz的频率，高反射低吸收的坚硬海底将能量捕获在水层中，而强吸收的柔软海底则消耗大量能量。海底类型对探测范围具有显著的调控作用。
4. 结论
本研究旨在量化海山环境中海底声学特性与声源-接收器深度配置如何共同影响声纳探测范围，解决了先前研究通常将海底建模为理想化介质的关键空白。通过将BELLHOP射线模型与ETOPO1水深数据和HYCOM水文数据相结合，系统论证了海底类型和深度配置的主导影响，并建立了一个双区域经验预测模型（自由场 vs. 海山屏蔽），具有高决定系数（R2 = 0.981）和低平均绝对误差（MAE = 1.38 km）。该模型有效衔接了基本物理机制——如海底反射-吸收特性和海山诱导的阴影效应——与实际工程需求，为复杂海山环境中的声纳性能评估和优化部署提供了稳健的基础。详细结论如下：
（1）海底是海山环境浅层（尤其是<200 m）最大声纳探测范围的主要控制因素。岩质海底的最大探测范围几乎是黏土海底的八倍，表明高反射性海底能有效缓冲海山声影区中的能量衰减。
（2）经历海山屏蔽后，吸收性海底无法提供有效的反射能量补充，影区内的声强主要依赖衍射。相比之下，深源（1000 m）声线掠射角大，难以有效衍射海山顶部，导致衍射增益低。因此，吸收性海底+深源组合显著放大了声阴影效应。相反，岩石+浅源组合通过强海底反射和表面声道波导的协同效应，有效增强了影区内的接收信号。
（3）浅源-浅接收器配置能显著削弱海山阴影效应：300 Hz声波被限制在表面声道中，通过衍射、前向散射和多次海面反射有效绕过海山障碍。
（4）海底提供的优势随接收器深度增加而减小。当接收器深度≥500 m时，多径传播导致不同海底层的传输损失曲线近似平行。单一界面反射的边际影响被平均化，路径损失主要由几何扩展和多次界面相互作用主导。
5. 关于BELLHOP模型局限性的讨论
尽管BELLHOP射线模型成功揭示了海底类型和深度配置对海山环境声传播的耦合影响，但在解释结果或将其外推到实际场景时，应认识到以下几个局限性：
（1）高频限制和衍射效应：当声波波长与障碍物尺度相当时，基于射线的模型在准确表示衍射和散射方面能力有限。虽然本研究中300 Hz的频率和大尺度海山处于射线理论的有效范围内，但对于更高频率或精细尺度的海底粗糙度，则需要采用简正模或抛物方程法等补充方法。
（2）三维效应的简化：模拟使用二维垂直切片进行，因此忽略了海山形态的水平变化可能引起的三维折射、聚焦或散焦。在真实的三维环境中，这种横向效应可能导致更复杂的传输损失空间模式。
（3）环境输入的不确定性：模型的准确性关键取决于输入参数的保真度——尤其是声速剖面和海底声学特性。本文使用的气候态HYCOM数据和代表性海底参数无法完全捕捉真实海洋条件的时空变异性，可能引入预测误差。
（4）信号相干性的处理：标准BELLHOP实现计算非相干传输损失（即能量求和），而实际声纳信号处理常利用多径到达之间的相干干涉。在浅水或特定深度配置下，若发生强多径干涉，非相干方法可能会平滑掉精细尺度的干涉结构，导致TL估计的局部偏差。
尽管存在这些局限性，BELLHOP模型在计算效率、物理可解释性以及捕捉主要传播机制（如海山诱导的阴影效应）方面具有显著优势。因此，本研究关于“海底类型-深度”耦合机制的结论是稳健的，为评估复杂水下地形中的声纳性能提供了一个有价值的半经验框架。
