PlaneRay: an acoustic underwater propagation model based on ray tracing and plane-wave reflection coefficients

Abstract

PlaneRay is a ray tracing program for underwater acoustic propagation modeling that can treat moderately range-varying scenarios. The model uses a unique sorting and interpolation routine for efficient determination of a large number of eigenrays connecting a source with a large number of receivers positioned on a horizontal line. No rays are traced into the bottom, but the bottom interaction is modeled by local plane wave reflection coefficients. The bottom can be a fluid sedimentary layer over an elastic half space and the layer thickness and the sound speeds and the densities of the sediment and the elastic medium can vary with range. The sound speed of the water may vary with depth, but not with range. For each eigenray the model calculates the trajectories, travel times and amplitudes and constructs the complete frequency response by coherent addition of all the multiple arrivals. By multiplying the frequency spectrum with the spectrum of a source signal and inverse Fourier transforming the product, the complete time response at any position on the receiving line is synthesized. The paper gives a description of the model and presents a number of illustrative cases. Important considerations are the accuracy of the ray model and how accurate the plane wave reflection coefficients can represent the effects of a layered bottom. This problem is discussed by comparing the time and frequency domains solution of the ray model with the results from established models based on the wave number integration and the parabolic equation.

PlaneRay er modell for beregning av akustisk bølgeutbredelse i sjøen som kan anvendes i situasjoner hvor bunnens egenskaper og vanndybden kan varierer med avstanden. Modellen er basert på strålegangsbergninger og benytter en spesiell metode med sortering og interpolasjon for å finne alle egenstrålene mellom en sender posisjon og et antall mottaker posisjoner som alle må være på samme dyp. Ingen ståler går ned i bunnen, men den akustiske interaksjon med bunnen tas vare på ved å benytte planbølge refleksjonskoeffisienter. Bunnen kan bestå av et fluid sedimentlag over et elastisk halvrom. Modellen tillater at tykkelsen på sedimentlaget samt tettheter og lydhastighetene i sedimentlaget og i det elastiske halvrommet kan variere med horisontalavstanden. Lydhastigheten i sjøvannet kan variere med dybden, men ikke med avstanden. Modellen beregner strålegangene, gangtidene og amplitudene til alle egenstrålene mellom en gitt senderposisjon og mottaker posisjonene og finner hele frekvensresponsen ved koherent addisjon av bidragene fra alle egenstrålene. Ved å multiplisere frekvensfunksjonen med frekvensspekteret til det utsendte signalet bergenes tidsforløpte og frekvensinnholdet til de mottatte signalene i alle mottakerposisjonene. Rapporten beskriver modellen og illustrere bruken ved hjelp av en rekke eksempler. Nøyaktighet til stålegangs beregninger og denne modellen i diskuteres og resultatene sammenliknes med resultatene fra andre akustiske forplantningsmodeller basert på bølgetallsintegrasjon og løsningen av den parabolske ligningen.