海洋環境對吊放聲納工作深度優化選擇分析?

吳 芳 吳 銘 高青偉

（海軍航空大學 煙臺 264001）

1 引言

吊放聲納是反潛直升機的主要搜潛設備，使用頻率高，具有主/被動工作模式、可變深搜索、重復使用等特點。由于海洋環境的影響，當吊放聲納水下分機所處深度不同時，對某一深度的目標最大作用距離存在差別。這是因為在實際的海洋環境中，主動探測信號或目標輻射信號的傳播受到噪聲、混響、傳播損失、聲速剖面、海底地形等的影響。其中，噪聲、混響及傳播損失是不可避免的。但是，聲速剖面、海底地形及工作深度等對信號傳播的影響是不確定的。如果利用這些不確定因素，創造信號傳播的有利條件，規避不合理情況，將極大地提高探測性能。吊放聲納在不同的海洋環境下作用距離是不同的，同樣地，即使在相同的海洋環境下，采用不同的工作深度也會導致不同的作用距離。本文主要仿真分析了在不同海洋環境條件下吊聲使用不同工作深度對應的聲納作用距離，并依據仿真結果給出吊放聲納在不同海洋環境下工作深度的選擇方法。

由于海水介質的不均勻性，以及海面和海底分界面的作用，聲波在海水中傳播時會出現折射、反射現象，使得聲波沿曲線路徑傳播。根據這一特點，可以將聲線所經過的地方理解為聲納的作用區域，但其信號能量強度不一定能夠發現目標，所以本文從聲傳播軌跡和能量傳播兩個方面分析吊放聲納在不同聲速剖面類型下其工作深度對作用距離的影響，對不同水文條件下的吊放聲納工作深度給出合理化建議，對吊放聲納裝備性能使用進行優化，提高搜潛效能。

2 吊放聲納作用距離數學模型

吊放聲納作用距離的解算主要依據主動聲納方程，即：

當吊放聲納設備一定（即檢測閾一定）時，對于在吊放聲納的最大作用距離處返回的信號，檢測閾DT應等于吊放聲納的最小可檢測信噪比，即：

當方程取等號時，TL是達到最大傳播距離時的傳播損失值，即FOM（Figure of Merit）值：

優質因素FOM既與吊放聲納的性能有關，又與海洋環境噪聲、自噪聲和目標強度等參數有關。

從式（3）可知：吊放聲納作用距離計算的實質是盡可能精確地估計優質因素值，即須精確預報或測定TL、SL、NL、DT、DI和TS的值，即：利用射線聲學可計算出平面內任一點的傳播損失TL；吊放聲納的聲源級SL為已知參數；只要給定吊放聲納的工作頻率，便可以計算出對應海況下的環境噪聲級NL；DT和DI為吊放聲納的具體參數；目標強度TS可以根據目標與吊放聲納相對位置計算得出，最后可通過計算得出的TL值和FOM值，獲知吊放聲納各個深度上的最大探測距離。

結合主動聲納方程，下文將分別探討聲源級SL、背景噪聲級NL、目標強度TS和傳播損失TL的計算模型。

2.1 聲源級

對于主動工作方式下的吊放聲納而言，發射聲源級

式中P為發射功率，單位為瓦（W）。

2.2 背景噪聲級

接收機背景噪聲級與聲信號頻率、海況有關，通常使用以下的經驗公式表示：

式中f為聲信號頻率，單位為kHz；S為海況等級。

2.3 目標強度

潛艇目標強度是隨聲信號入射方位變化的。圖1為潛艇目標反射強度蝶形圖，圖2為聲納與潛艇的相對位置。潛艇目標強度是潛艇航向角和入射角的夾角（視線角）的函數，即：

目標反射強度TS值根據蝶形曲線方程確定：

式中：TSmax為正橫方向目標反射強度；θsi(t)為t時刻的視線角。

s代表吊放聲納，i代表潛艇。如果考慮左右對稱性，則視線角從0到±180°，0°時在艇首，180°時在艇尾。一般而言，正橫時最大，艇首和艇尾時最小。

圖1 潛艇目標反射強度蝶形圖

圖2 吊放聲納與潛艇的相對位置

設t時刻吊放聲納s坐標為 s：(xs(t)，ys(t))，t時刻潛艇i的坐標為 i：(xi(t)，yi(t))，γi(t)為t時刻潛艇i的航向角。令rsi(t)為潛艇與吊放聲納之間的距離，vi(t)為t時刻目標i的速度，則cos(θsi(t))=si(t)i(t) ，si(t) 、i(t) 分 別 為 rsi(t)、vi(t)的單位向量。有：

2.4 傳播損失

由于聲信道在淺海是多途、頻散信道，脈沖波在傳播過程中其波形將會發生復雜的畸變，對不同頻率的信號、在不同的傳播距離，其聲強的變化有著不同的規律。淺海平均平滑聲場中的傳播損失可表示為

其中：

（當本征射線在水層中反轉而不觸及海面或海底時，則應當去掉Vs和Vb項）；

為第l號本征聲線的跨度，ηl、ξl分別為本征射線的上、下反轉（或反射）界面深度，z1、z2、r分別為聲源深度、接收深度和距離，α1、α2、αs、αb分別為本征聲線在聲源深度、接收深度、海面和海底處的掠角，f為聲信號的頻率，c(z)為z深度上的聲速，Vs、Vb分別為平面波在海面與海底的反射系數。

考慮到聲場的深度結構時，為了較好地反映聲場的深度結構，可以對簡正波振幅函數采用包絡平滑。

當聲源深度小于接收器深度（即0＜z1≤z2＜h時），平滑平均聲強：

當接收器深度小于聲源深度（即0＜z2≤z1＜h時），平滑平均聲強：

此時，傳播損失可按其定義計算：

3 吊放聲納作用距離仿真分析

將通過上述計算方法得到的各參數代入式（1）所示的主動聲納方程，就可以得到FOM值，再將此值在上節中計算得到的傳播損失數組中進行查詢，即可解算出在目標深度上的吊放聲納作用距離。本節仿真分析了不同吊放聲納工作深度對其作用距離的影響。

3.1 不同工作深度對聲線覆蓋范圍的影響

在海深H=250m、發射換能器指向性開角為±10°的情況下，工作深度分別取20m、50m、80m和130m時的聲線覆蓋情況如圖3～圖6所示。

由圖3～圖6可以看出，工作深度位于20m時，聲影區較大，且無反轉聲線存在，第一個聲會聚區聲線（能量）比較集中，總體來看探測盲區（沒有聲線的區域）較大；工作深度位于50m時，反轉聲線將聲影區填充掉一部分，由于聲源深度位于聲速最小值處，初始掠射角較小的那部分聲線形成了直達聲線，所以在50m深度上始終有較密集的聲線，兩個明顯的聲會聚區也以這一深度為中心形成，但是此時150m以下聲線能夠覆蓋的區域已經十分有限，且幾乎無法穿透到海深200m以下，對潛航較深的目標無法進行探測；工作深度位于80m時，聲影區面積進一步減少，在水平方向3km～5km和離聲源較遠的7.5km～9km處形成了兩個非常明顯的聲會聚區；工作深度位于130m時，聲線幾乎每處都可以到達，已不存在探測盲區，正因為如此，聲換能器發出的能量也比較分散，即聲線比較稀疏，但在聲源深度上還是可以較明顯地看到分別位于4km和8km的兩個聲會聚區。

圖3 工作深度為20m時的聲線圖

圖4 工作深度為50m時的聲線圖

圖5 工作深度為80m時的聲線圖

圖6 工作深度為130m時的聲線圖

從以上仿真分析可以看出，在相同的水文條件下，不同的吊聲工作深度會對聲線覆蓋區域產生很大的影響。針對該例中這種類型的聲速剖面，當工作深度選在剖面下半段時，工作深度越深，影區面積越小；不論工作深度如何變化，聲匯聚區出現的深度都在工作深度附近，水平位置也相差不多，第一匯聚區以4km為中心，第二匯聚區以8km為中心（水平位置的具體值由聲速剖面下半段的正梯度絕對值確定）。

3.2 不同工作深度對能量傳播的影響

假設海深H=250m、發射換能器指向性開角為±10°、聲信號頻率為50Hz、接收機深度為0到250m、海面和海底為平面反射（有衰減），工作深度位于20m、50m、80m和130m時的傳播損失如圖7～圖10所示，其中聲源處的傳播損失為0dB。

圖7 工作深度為20m時的傳播損失圖

圖8 工作深度為50m時的傳播損失圖

圖9 工作深度為80m時的傳播損失圖

圖10 工作深度為130m時的傳播損失圖

由圖7～圖10可以看出，工作深度為20m時，海面和海底的反射比較嚴重，大部分的能量都在界面反射中被消耗掉，而未經反射的聲線傳播損失較小，仍攜有較大的能量，在一定深度范圍內能夠傳播較遠；工作深度為50m時，初始掠射角絕對值在0°附近的聲線由于向上向下都是聲速減小而被限制在聲源深度的水平線上，傳播損失很小，甚至可以在水平距離已經傳播了10公里之后依然將傳播損失限制在60dB之內，這種情況非常適用于探測潛航深度在100m以內的目標，因為在這一深度范圍內直到水平10km處傳播損失一直控制在65dB內，但是由于向海底方向的正聲速梯度較大，使得這種情況只能在非常有限的區域探測到位于200m以下的目標；工作深度位于80m時的情況與位于50m時的類似，只是聲線反轉的厚度加大了，但傳播損失依然很小，幾個高強度的聲會聚區清晰可見，同時由于工作深度更深，可以比上一種情況更好地探測較深的目標，在9.5km以內、150m深度以上的目標幾乎都可以70dB以內的傳播損失探測到；工作深度位于130m時，聲線已經可以覆蓋距聲源水平距離700m以外各深度的目標，但是此時經海底和海面的反射更加嚴重，除主要的聲會聚區以外，傳播損失基本都在67dB以上，但是由于其聲線覆蓋范圍廣，可在對可疑海域第一次進行吊放檢查時采用這種工作深度。

4 結語

吊放聲納是反潛直升機的主要搜潛設備，使用頻率高，具有主/被動工作模式、可變深搜索、重復使用等特點。由于海洋環境的影響，當吊放聲納水下分機所處深度不同時，對某一深度的目標最大作用距離存在差別。本文從聲傳播軌跡和能量傳播兩個方面分析吊放聲納在不同聲速剖面類型下其工作深度對作用距離的影響，對不同水文條件下的吊放聲納工作深度給出合理化建議，對吊放聲納裝備性能使用進行優化，提高搜潛效能。