海洋声学测量与模型预测的度量方法及其在声学屏障搜索问题中的应用

《IEEE Journal of Oceanic Engineering》：Metrics for Ocean-Acoustic Measurements and Model Predictions With Application to an Acoustic Barrier Search Problem

　　本文针对海洋声学环境不确定性对声学搜索任务规划的影响，提出了一种端到端的耦合度量方法。研究人员通过2021年新英格兰陆架断裂声学实验数据，系统分析了环境参数（水温盐度剖面、环境噪声、海底特性）对声学性能指标（传输损失、检测概率）和搜索规划参数（搜索资产数量与间距）的敏感性。研究结果表明，要实现±1个搜索资产的精度要求，环境噪声需控制在±2 dB以内，海底平均粒径需在±0.5 MZ范围内。该研究为量化海洋状态表征精度与声学搜索性能的关系提供了创新方法框架。

　　

在海洋声学搜索任务中，一个长期存在的挑战是如何准确量化海洋环境不确定性对声学系统性能的影响。海洋温度盐度剖面、环境噪声水平和海底特性等参数的微小变化，都可能导致声学传播特性的显著改变，进而影响搜索任务的规划与执行效果。传统上，海洋学、声学和操作指标往往被孤立地报告，缺乏将三者耦合分析的框架，这使得难以确定需要以何种精度表征真实海洋状态才能确保声学搜索任务的成功。

针对这一科学问题，Stevens和Siderius在《IEEE Journal of Oceanic Engineering》上发表的研究提出了一种创新的端到端耦合度量方法。他们以被动声学屏障巡逻搜索为典型案例，系统分析了环境参数不确定性对搜索资产分配和检测概率的影响。研究团队利用2021年春季新英格兰陆架断裂声学实验（NESBA）收集的丰富海洋观测数据，包括208个温盐深（CTD）剖面测量，建立了从海洋环境参数到声学性能再到搜索操作指标的全链条分析框架。

研究方法的核心是建立从海洋环境参数到声学性能指标（如传输损失TL、累积检测概率CPD）再到搜索规划参数（如搜索资产数量N）的完整计算链条。研究人员首先将NESBA实验区域的CTD测量数据分类为陆架（水深≤200米）和陆架外区域，计算每处的声速剖面（SSP）和声层深度（SLD）。通过Bellhop声学传播模型计算不同频率（50、500、5000 Hz）下的传输损失，结合环境噪声和海底参数，采用λ-σ波动模型计算累积检测概率。基于最优搜索理论，研究人员建立了屏障搜索问题的数学模型，量化了环境参数不确定性对搜索资产分配和检测概率的影响。

NESBA实验数据采集与处理

研究团队利用多艘研究船和固定系泊设备在NESBA实验期间收集了208个CTD剖面，平均每2.5天在每个20 km×20 km网格内获得一次测量。这些数据被用作"地面真实"海洋状态，与三种海洋模型预测（GDEM气候学、NCOM基线预报、NCOM再分析）进行对比。每个CTD剖面被转换为声速剖面，并确定局部声层深度，为后续声学计算提供输入参数。

单因素敏感性分析

环境噪声（AN）敏感性分析显示，要实现±1个搜索资产的分配精度，环境噪声估计误差需控制在±2 dB以内。这种敏感性在陆架外区域尤为显著，因为AN估计误差会直接导致检测范围计算中的信噪比偏移。

海底特性敏感性分析表明，陆架区域对海底类型变化特别敏感，平均粒径（M_Z）估计误差需在±0.5 M_Z以内。当海底类型向更反射性（低M_Z）方向偏移时，可能产生额外的（错误的）底交互传播路径，导致检测范围估计偏差。

海洋模型敏感性分析结果出人意料：三种海洋模型（GDEM、NCOM-BL、NCOM-RA）对搜索指标的影响差异不大。这主要是由于NESBA实验期间CTD测量的时空分辨率有限（每2.5天每个20 km×20 km网格一次测量），不足以有效约束海洋模型。

多因素联合敏感性分析

当同时考虑环境噪声、海底特性和海洋学参数的不确定性时，Level 1合规区域（99%案例的搜索资产分配误差在±1以内）缩小到中心单元，对应最大AN误差1 dB和最大粒径误差0.5 M_Z。然而，Level 2合规区域（50%案例的误差在±1以内）有所扩大，特别是在高AN水平与高反射性海底类型组合，以及低AN水平与低反射性海底类型组合的区域出现了新的合规区域。这种抵消效应降低了搜索指标估计误差。

研究结论与意义

本研究建立的耦合度量方法首次实现了从海洋环境参数到声学搜索性能的端到端量化分析。研究结果表明，要实现有意义的搜索规划精度，需要极为精确的环境测量：环境噪声控制在±2 dB以内，海底平均粒径在±0.5 M_Z范围内。这一发现对未来的海洋观测系统设计具有重要意义，提示需要开发低成本、高密度的测量技术来满足声学搜索任务的环境信息需求。

该方法的创新性在于其可扩展性，可应用于更广泛的商业、科学或军事搜索行动，并可与大规模海洋数据集（如ARGO浮标观测数据与HYCOM模型预报）结合使用，量化现有和新兴海洋模型在支持特定声学搜索行动中的效用。随着低成本无人机（UAV）部署CTD设备的发展，该方法还可用于指导未来海洋实验设计，确定所需的水柱传感水平。

这项研究为海洋声学操作研究开辟了新途径，通过将环境不确定性直接映射到操作指标，为决策者提供了评估海洋信息价值的新工具，对提升海上搜索救援、海洋资源勘探和国家安全行动的成功率具有重要实践意义。