摘要：提出了一种结合大气声场模拟与中近程超压幅度衰减模型的爆炸声源能量估计方法，针对传统声源能量估计公式未能充分利用大气参数导致估计误差过大的问题，本方法通过对大气中传播损失的数值模拟，大大提高了大气参数对于声源能量估计的修正效果，提高对声源能量的估计精度。在地表化学爆炸实验中，使用300km到2500km的距离的次声接收信号，对比了传统能量估计公式与基于大气声场模拟的能量估计方法对爆炸声源的能量估计效果。实验结果验证了相对于传统声源能量估计方法，该方法降低声源能量估计误差的有效性。
关键词：声源能量估计;非线性渐进波动方程;中近程超压幅值衰减模型
1.引言
基于地面观测信号对爆炸声源参数进行估计是一种被动式远距离信息感知手段，其中声波探测是对声源能量等信息进行估计的重要手段。地表附近爆炸产生的压力波在大气中衰减为声波传播，传播过程中大气对其各项吸收效应与其频率呈负相关，而次声波频率较低(0~16Hz)，在大气中传播衰减小，是对爆炸等事件远距离监测的有效手段。全面禁止核试验条约组织(CTBTO)为了监测全球核试验状况，建立了预期包含60个次声台阵的国际监测系统(InternationalMonitoringSystem，简记为IMS)，并将次声作为爆炸源定位与能量估计的主要手段。现有的远距离能量估计方法为来自于理论模型搭建与实验测量数据相结合的半经验公式。美国空军技术应用中心(AirForceTechnicalApplicationsCenter，简记为AFTAC)根据理论模型与观测数据提出比较适合低当量实验结果的能量估计半经验公式，使用参数为声压峰值和距离[1]。1995年洛斯·阿拉莫斯国家实验室(LosAlamosNationalLaboratory，简记为LANL)根据声波在大气中衰减特性与多次爆炸实验的数据总结，总结出普适性更佳，包含声压峰值、距离与大气风速参数的能量估计半经验公式[2]。俄罗斯岩石动力学研究所(TheInstitutefortheDynamicsoftheGeospheres，简记为IDG)根据传播方向与风向的垂直关系分别进行修正，对声源能量进行估计[3]。2001年，Kulichkov根据脉冲信号N形波动量保持理论，利用远距离接收的N形波与U形波的冲量对声源能量进行估计[4]。
由于大气参数呈层状分布，温度与水平风速随海拔的变化使得次声在大气中以波导形式传播。大气参数的垂直参数分布决定声波在大气中不同传播方向的波导模式。在LANL提出的声源能量估计公式中，使用平流层顶水平风速作为大气参数修正因子，此公式由于其计算速度快、误差相对较小而被广泛使用，但其修正因子对于大气参数的利用率很低，这导致其修正范围有限且稳健性很差。本文从大气声传播理论出发提出一种使用大气全高度垂直参数修正的声源能量估计方法，通过大气中计算声学方法对接收声压幅值进行修正，并针对声源中近距离范围提出适用的超压幅值衰减模型，大大提高了使用远距离接收次声信号幅值对声源能量估计的准确性。
2.大气全高度垂直参数修正的能量估计方法
2.1问题提出
LANL研究了美国内华达试验场附近观测站点全年接收声压信号随日期的变化，观察到位于声源东侧的次声台阵接收声压值在夏季显著减小，而位于南北方向次声台阵接收声压值全年几乎不变。通过研究水平风速随季节的变化，研究人员认为夏季风向与声波传播方向相反导致接收声压的异常减小，因此使用平流层顶水平风速用于修正接收点的声压。
常用的计算大气声学方法有射线法、抛物方程法、非线性渐进波动方程法(NonlinearProgressiveWaveEquation，简记为NPE)和有限元方法[7-8]。射线法使用的声线模型无法读取出任意位置点的能量值，首先予以排除。由于本方法需要获取观测点位置声波能量损失值，应尽量多考虑大气中的影响因素，而有限元方法在远距离仿真状况下计算量过大，缺乏实际可用性，因此选用相对于抛物方程法额外考虑到折射效应与非线性陡峭等非线性效应的NPE数值模拟方法。
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由于NPE算法中使用的传播损失量由运动窗叠加求得，则传播损失的绝对数值与运动框步长负相关，无法直接用于声源能量估计，因此需要使用传播损失的相对数值通过间接法进行计算。根据本节前文的描述，NPE方程对于非强非线性线性声波传播范围内可进行有效地模拟，对于更近范围内的声波能量传播损失值的模拟，由于未能保留更加高阶的小量[14]，无法对此范围内冲击波的强非线性效应进行准确模拟。因此，如果直接使用接收台阵位置的传播损失量作为对声源能量估计，声源附近的强非线性效应模拟误差与输入声源函数特性的影响为能量估计带来额外的误差，因此本文采用弱非线性效应区域传播损失相对值法进行声源能量估计。
3.实验与讨论
为了验证本计算方法的普适性，本文使用2011年1月24日在以色列Sayarim进行的化学爆炸实验数据[20]进行验证，声源位置坐标为34.81668E，29.99555N，实验测量得到的数据与相关参数见表1，其中的风速数据来自HWM14大气风场模型。实验声源为在地表进行的化学爆炸，其能量为7.4吨TNT。
为了验证参考距离的选取对声源估计精度的影响，选取r0=1,2,3…,30
根据图2中的数值计算结果，在方位角为14度、50度、95.5度和113度四个方向的次声传播过程中均存在平流层波导。与此相一致的是，在表1中这六个点位对应的
表3中的六个观测点位分布在距离声源300km到2500km之间的范围内，通过表内误差的对比可以观察到，对于此次化学爆炸试验，LANL声源声量估计公式对声源能量的估计明显偏大。表1中的
在实际使用中，次声信号可以被相对于声源位置不同方位角的多个次声台阵接收到，而LANL提出的声源能量估计公式在计算比较快速的情况下，对于声源能量的估计误差一般在300%以内，可直接使用多阵平均值对声源能量进行估计。但是对于大气参数对接收信号影响较大的情况下，传统声源能量估计方法的估计误差可能达到将近4000%，在多阵计算中只能作为错误项去除。而通过本文提出的NPE_MR声源能量估计方法，可以将大气参数对接收声波幅度的影响进行大幅度修正，得到可用于多阵平均计算的结果，提高接收阵的信息利用效率，减小对声源能量估计的误差。
4.结论
对于通过大气远距离传播的次声信号，美国与俄罗斯使用大气中的风场信息对其进行修正以减小声源能量估计的误差。其中美国LANL提出的包含风速修正项的声源能量估计公式对声源能量的计算误差最小，但是在传播损失特别大时，由于修正项可提供的修正幅度有限，无法将估计值误差修至300%以下。本文提出了利用大气中传播模拟仿真与MR衰减模型的声源能量估计方法，大大拓宽了大气参数对于声源能量估计值的修正范围。在实验验证中，本文使用2011年以色列Sayarim化学爆炸实验的实测数据，对比了本方法与传统半经验计算公式计算结果之间的误差，证明本方法在需要使用大气数据对初始声源能量估计结果进行大幅度修正的情况下比传统半经验公式有更好的性能。在后续的工作中，需要对NPE方法的稳定性做进一步的提高，减少声源能量估计值异常偏小的情况。——论文作者：程巍1)2)，滕鹏晓1)†，吕君1)，姬培锋1)，戴翊靖1)2)
