3. 声波传播基础与水下声信道
声呐成像的本质，是把声波在海水中的往返传播过程转化为可解释的图像。声波从换能器出发，经海水传播、目标反射、再返回接收阵，这一路上会经历声速变化、能量衰减、波阵面扩展、多途叠加和环境噪声干扰。理解这些信道效应，才能判断图像中的亮暗、模糊、偏移和伪影究竟来自目标本身，还是来自传播环境。本节围绕五个关键因素展开：声速、吸收衰减、扩展损失、多途效应与海洋环境噪声，并说明它们分别如何在成像结果上留下"指纹"。
声速：折射与测距偏差的根源
海水声速不是常数，典型值在 1450～1550 m/s 之间，主要随温度、盐度和深度（压力）变化。工程上常用经验公式估算，例如简化形式可写为 c ≈ 1449.2 + 4.6T − 0.055T² + 0.016D，其中 T 为温度（℃），D 为深度（m），盐度影响在近岸河口区不可忽略。声速随深度变化形成声速剖面，声线按 Snell 定律向声速小的方向弯曲：负梯度（声速随深度减小）使声线向下弯，正梯度使其向上弯，从而形成表面声道、深海声道（SOFAR）和影区等典型传播结构。
对成像的直接影响是测距偏差。若系统按固定 1500 m/s 换算斜距，而实际路径平均声速为 1480 m/s，则 100 m 距离上的误差约为 100×(1500−1480)/1500 ≈ 1.3 m。此外，弯曲声线使目标回波的实际入射角与几何直线方向不一致，导致多波束或合成孔径成像中的方位估计和聚焦位置偏移。实际作业中应尽量获取现场声速剖面（CTD 或声速仪），至少用温盐深数据代入经验公式修正，并在图像几何校正中采用分层声速模型，而不是全程单一声速。
吸收衰减与扩展损失：能量预算的两条主线
声波在海水中传播的能量损失分为两类。第一类是扩展损失：球面扩展时声强按 1/r² 衰减，传播损失 TL = 20lg r（r 以米计）；当声波被限制在声道或表面波导中，近似柱面扩展，TL = 10lg r。第二类是吸收衰减：由海水中的硼酸弛豫、硫酸镁弛豫和黏滞摩擦引起，吸收系数 α 随频率快速上升，低频约 0.01～0.1 dB/km，100 kHz 时可达约 30 dB/km 量级。总传播损失可近似写为 TL = 20lg r + αr×10⁻³（α 单位 dB/km，r 单位 m）。
这决定了成像系统的工作频率选择：高频换能器尺寸小、分辨率高，但作用距离被吸收迅速压缩；低频传播远，却牺牲分辨率。以 300 kHz 侧扫声呐为例，α 约 60～70 dB/km，在 50 m 斜距上单程吸收约 3～3.5 dB，往返约 6～7 dB，加上球面扩展 20lg50 ≈ 34 dB，总损失约 40 dB；若换成 100 kHz，吸收项降到约 1.5 dB 单程，同样距离总损失明显减小。工程上应把频率、目标强度、噪声级和检测门限一起纳入声呐方程核算，而不是只看分辨率指标。
多途效应：重影、模糊与干涉条纹
多途是指同一目标回波经不同路径到达接收阵，例如直达路径、海面反射路径、海底反射路径，以及声道内多次折射路径。各路径的时延差 Δt 与路径差 ΔL 满足 Δt = ΔL/c。若信号带宽为 B，当 Δt 小于 1/B 时多途不可分辨，表现为幅度起伏和干涉；当 Δt 大于脉冲宽度时，会在图像上形成分离的重影。以浅海 20 m 水深、目标位于中间深度为例，海面反射与直达路径的路径差可达数米，对应时延差约几毫秒，对宽带高分辨成像足以形成明显重影。
多途还带来角度扩展和相干干涉。窄带连续波照射下，多途叠加产生驻波式干涉条纹，使目标回波强度随位置周期性起伏；对合成孔径成像，多途破坏了回波相位的线性关系，导致聚焦退化。工程上可通过增大信号带宽提高时延分辨、采用脉冲压缩抑制多途、利用自适应波束形成抑制非直达方向来缓解，也可在图像后处理中识别对称重影并做几何剔除。
海洋环境噪声：检测门限的背景
海洋环境噪声主要包括航运噪声（低频 10～500 Hz 为主）、风浪与降雨噪声（中高频，随风速增强）、生物噪声（虾群、鲸类，常呈宽带脉冲）以及热噪声（高频极限）。噪声级随频率和风速变化，通常用谱级（dB re 1 μPa²/Hz）描述。噪声决定了声呐方程中的检测门限：当目标回波级低于"噪声级+检测阈"时，目标就淹没在背景中。对成像而言，噪声表现为图像上的随机斑点、虚警和低对比度，尤其在远距离和高频段更明显。
实际处理中，应先用无目标区域估计噪声谱级，再据此设定增益和检测门限；对脉冲型生物噪声可用中值滤波或时域门控抑制，对稳态航运噪声可用自适应背景均衡。需要注意的是，提高发射功率或增益并不能改善信噪比，只有提高信号能量与噪声谱级的比值才有效，因此频率选择和脉冲长度设计必须与噪声环境匹配。
把信道因素纳入成像质量判断
面对一幅实际声呐图像，可按以下顺序排查信道影响：先看几何是否整体偏移或弯曲，判断声速剖面是否被正确使用；再看远距离目标是否系统性变暗，判断吸收与扩展损失是否补偿合理；然后检查目标周围是否有对称重影或周期性条纹，判断多途是否显著；最后观察背景斑点与虚警密度，判断噪声级和检测门限是否匹配。下面给出一份可直接用于外业记录的简表，字段按本节信道因素组织，便于现场填写与复核。
| 检查项 | 现场记录内容 | 判断依据（示例） |
|---|---|---|
| 声速剖面 | 表层/底层温度、盐度、深度，或 CTD 文件编号 | 测距偏差是否超过 1 m；声线弯曲是否与图像弯曲方向一致 |
| 工作频率与吸收 | 频率、斜距范围、估算 α 值 | 远距回波是否按预期衰减；是否需降低频率或缩短量程 |
| 扩展模型 | 球面/柱面假设、水深与声道条件 | TVG 曲线与实测回波包络是否吻合 |
| 多途 | 水深、目标深度、脉冲宽度、带宽 | 是否出现对称重影；重影间距是否与路径差一致 |
| 环境噪声 | 风速、航运密度、生物活动、噪声谱级估计 | 背景斑点密度与虚警率是否超出可接受范围 |
总结来看，声速决定几何与聚焦，吸收和扩展决定能量预算，多途决定波形与重影结构，噪声决定检测背景。四者并非独立：提高频率会同时加剧吸收和噪声影响，增大带宽可抑制多途却受换能器限制。只有把信道因素与系统参数放在同一张声呐方程和同一套几何模型中权衡，才能从图像中稳定区分目标特征与环境伪影，为后续的成像处理和测量质量评估打下基础。