海洋環(huán)境對獵雷聲吶探測識別的影響及對策建議

張 臣，李佳橦

（中國人民解放軍91439部隊(duì)，遼寧 大連 116041）

0 引言

當(dāng)前，反水雷作戰(zhàn)中獵雷已成為各海軍強(qiáng)國的重點(diǎn)發(fā)展方向，而獵雷最重要的就是探測識別，獵雷難也難在探測識別。一方面是聲吶技術(shù)的有限性，對水雷等水下小目標(biāo)的高效精確探測識別較為困難；另一方面則是海洋作戰(zhàn)環(huán)境的復(fù)雜性，對聲吶探測識別帶來較大影響。為此，在現(xiàn)有聲吶技術(shù)條件下，分析海洋環(huán)境對獵雷聲吶探測識別的影響，提出有關(guān)對策建議，指導(dǎo)部隊(duì)作戰(zhàn)應(yīng)用，具有重要意義。

1 獵雷聲吶工作原理

獵雷聲吶工作時(shí)，聲吶基陣通過發(fā)射分機(jī)以一定的指向角向水中發(fā)射高頻聲脈沖，接收機(jī)接收目標(biāo)反射聲波，信號處理機(jī)對接收的海底散射信號進(jìn)行濾波、增益控制、波束形成等處理后形成聲圖像，根據(jù)聲圖像來辨識水下目標(biāo)。獵雷聲吶典型三維多波束模型如圖l所示[1]。

圖l 獵雷聲吶三維多波束模型Fig.1 Model of minehunting sonar for three-dimensional STMB

以基陣中心Oa為坐標(biāo)原點(diǎn)建立三維直角坐標(biāo)系，OaM為基陣的中心軸線，OaC、OaD、OaE、OaF為多波束探測“錐體”的4條邊界線。中心軸線OaM與水平面OaXaYa的夾角即基陣俯仰角，OaM在水平面上的投影與Xa軸的夾角即基陣水平角。基陣信號發(fā)射后多波束構(gòu)成的“錐體”結(jié)構(gòu)與海底平面相切形成的截面即獵雷聲吶在某次脈沖發(fā)射下的海底照射范圍，即ABCD這塊扇形區(qū)域，對錨雷來說“錐體”結(jié)構(gòu)就是其覆蓋范圍。

2 海洋環(huán)境對獵雷聲吶探測識別的影響分析

獵雷聲吶的探測與識別，在工作頻率、工作帶寬、發(fā)射脈沖寬度、發(fā)射與接收波速寬度等參數(shù)上是不同的。探測更加關(guān)注探測距離，識別更加關(guān)注分辨能力，但從工作原理上，海洋環(huán)境影響對其影響是基本一致的。

獵雷聲吶探測識別性能主要與發(fā)射聲源級、傳播損失、目標(biāo)強(qiáng)度、海洋混響和檢測閥有關(guān)[2]；其中傳播損失、海洋混響、目標(biāo)強(qiáng)度是海洋環(huán)境影響聲吶探測識別性能的主要因素。

2.1 傳播損失

傳播損失與探測距離、海水透明度、海底底質(zhì)和聲速剖面相關(guān)。

2.1.1 海水透明度

在泥沙含量大、海水透明度小的海區(qū)，傳播損失非常大，相對會降低獵雷聲吶探測識別距離。

2.1.2 海底反射損失

海底反射損失是聲吶信號損失的重要方面。頻率越高，聲信號的吸收損失越大，且主要是由底質(zhì)中粘滯性引起的吸收損失，軟而平滑的軟泥底和泥貝底回波弱，而沉底雷的回波強(qiáng)，聲吶捕獲的目標(biāo)輪廓更清晰。

大量實(shí)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，海底沉積層的反射損失隨掠射角變化。當(dāng)小于分界掠射角，反射損失相對較小且角度越小損失越小，大于分界掠射角，反射損失較大且平均而言近似常數(shù)，也就是說聲吶俯角越小反射損失越小，加大到一定程度后，反射損失基本恒定。

2.1.3 聲速剖面

平均而言，聲速剖面呈現(xiàn)明顯的季節(jié)特征[3]，尤其在夏季溫帶海域，由于聲線彎曲和聲線經(jīng)過躍變層時(shí)會導(dǎo)致聲線嚴(yán)重負(fù)梯度彎曲、聲強(qiáng)顯著衰減、聲吶作用距離明顯減小[4]，對目標(biāo)的定位會造成較大誤差。

但相對來說，由于獵雷聲吶探測距離近、頻率高，對目標(biāo)的探測識別影響不大。

2.2 混響

混響就是由于海洋中大量無規(guī)則散射體對入射聲信號產(chǎn)生散射而在接收點(diǎn)上接收到的所有散射波的總和，與入射聲信號強(qiáng)度、聲吶的探測距離、海底底質(zhì)、海水透明度和聲信號入射角度相關(guān)。對獵雷聲吶探測識別的影響體現(xiàn)在三類混響中。

2.2.1 海面混響

海浪引起的海面粗糙會改變海面的反射和散射特性，引起信號幅度和相位的劇烈起伏，產(chǎn)生海面混響；高海況下海洋表層一般會出現(xiàn)氣泡，氣泡的共振散射會引起海水聲速、密度的改變，產(chǎn)生海面混響，同時(shí)對獵雷聲吶高頻聲傳播產(chǎn)生更大的衰減，尤其對探測錨雷更具影響。因此高海況下，確定俯仰角時(shí)應(yīng)盡可能減小探測“錐體”與海面的接觸面積。

2.2.2 體積混響

體積混響是由存在于海水本身或體積中的散射體，如海水中的泥沙、海洋生物、海水本身的不均勻性和魚群等所引起的混響。體積混響強(qiáng)度與發(fā)射聲源級、脈沖寬度和換能器波速寬度成正比，因此為了減小混響，應(yīng)在不影響作用距離的前提下適當(dāng)減小發(fā)聲信號的聲功率，盡量采用窄脈沖和窄波速寬度的發(fā)射信號。

2.2.3 海底混響

海底混響是由海底及附近的散射體形成的混響。包括由海底底質(zhì)密度的不均勻性和海底起伏變化等造成海底混響，底質(zhì)越復(fù)雜混響越大、入射角越小混響越大，海底混響隨探測距離增大而減弱。海底散射強(qiáng)度遠(yuǎn)大于海水體積散射強(qiáng)度，也大于海面散射強(qiáng)度。礁石底質(zhì)或砂礫底的強(qiáng)反射回波，極易掩蓋沉底水雷目標(biāo)回波，造成聲吶分辨力下降，影響聲吶探測識別，可以說海底混響是獵雷聲吶主要背景干擾。

2.3 目標(biāo)強(qiáng)度

目標(biāo)強(qiáng)度與目標(biāo)形狀、尺寸和材料有關(guān)，目標(biāo)強(qiáng)度越大，相對被探測識別的概率越高。現(xiàn)代水雷一般通過減小反射面積、殼體使用吸聲材料、雷體結(jié)構(gòu)和裝藥采用透聲材料等來降低目標(biāo)強(qiáng)度，起到隱身效果。海洋環(huán)境中泥沙底、淤泥底等在海流作用下，能夠掩埋水雷，從而降低目標(biāo)強(qiáng)度，影響探測識別。

2.4 其他海洋環(huán)境對獵雷聲吶探測識別的影響

1）海洋環(huán)境噪聲與聲吶的接收頻率和發(fā)射、接收器位置有關(guān)，獵雷聲吶為高頻聲信號，衰減快、背景噪聲很小。但自噪聲對探測識別影響較大，包括本艦航行噪聲、海流作用于艦艇平臺表面所引起的水動力噪聲和聲吶自噪聲。

2）海流、海浪引起艦載平臺顛簸、搖擺導(dǎo)致聲吶基陣姿態(tài)、平臺各部位應(yīng)力的變化，可導(dǎo)致聲吶探測性能的不穩(wěn)定[5]。

3）潮汐的影響[6]主要體現(xiàn)在體積混響和深度差上。大潮日附近流速相對更大，海水透明度更差，體積混響更大。深度變化大需要調(diào)整聲吶俯仰角來適應(yīng)。

4）海洋峰是2種或幾種水體之間狹長過渡帶，也是海洋環(huán)境參數(shù)水平躍變帶，對聲線傳播具有強(qiáng)烈的反射、折射作用，產(chǎn)生一系列聲傳播奇異區(qū)，對聲吶探測具有屏蔽阻隔作用[7]。

5）風(fēng)場和降水是間接因素，風(fēng)場是通過海浪來影響聲吶的性能，降水主要影響海水的鹽度，同時(shí)產(chǎn)生風(fēng)雨噪聲。風(fēng)雨噪聲是聲吶系統(tǒng)海洋環(huán)境噪聲干擾的組成部分，對小俯仰角下獵雷探測稍有影響。

6）海洋生物污損聲吶的導(dǎo)流罩和聲吶換能器，增大平臺的湍流噪聲，間接影響聲吶的性能。

3 獵雷聲吶作戰(zhàn)使用相關(guān)對策建議

重點(diǎn)針對如何適應(yīng)海洋環(huán)境影響因素，提高獵雷聲吶對水雷等目標(biāo)的探測識別能力，提出以下對策建議。

3.1 掌握分析作業(yè)海區(qū)海洋環(huán)境數(shù)據(jù)

要掌握分析作業(yè)海區(qū)范圍、深度、底質(zhì)、海水透明度、聲速、海浪（海況）、海流、潮汐、風(fēng)力、風(fēng)向等數(shù)據(jù)，據(jù)此結(jié)合獵雷聲吶探測識別基本性能，設(shè)計(jì)獵雷計(jì)劃，設(shè)定相關(guān)工作參數(shù)。

3.2 掌握分析作業(yè)海區(qū)獵雷目標(biāo)

要掌握分析目標(biāo)類型、工作深度、目標(biāo)強(qiáng)度和回波特性等。特別是對未知水雷目標(biāo)，可以通過分析敵主戰(zhàn)水雷和對應(yīng)海區(qū)作戰(zhàn)使用特點(diǎn)，采用與已知水雷類比的方法估計(jì)目標(biāo)回波特性，從而確定探測識別工作參數(shù)。

3.3 估算聲吶最大探測距離

在實(shí)際作戰(zhàn)中考慮以下因素，在惡劣水文和底質(zhì)條件下，其作用距離會有所下降；隨著聲吶裝備的使用時(shí)間增加，聲吶裝備性能也存在下降趨勢。因此，對于聲吶最大探測距離，一般以聲吶指標(biāo)為依據(jù)，根據(jù)作業(yè)海區(qū)的底質(zhì)、透明度以及裝備狀態(tài)等，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正[8]。

3.4 信號調(diào)節(jié)（參數(shù)設(shè)置）

信號形式：在一定的發(fā)射功率下，脈沖寬度大則信號能量大，故選擇長脈沖信號對增大作用距離有利。單頻短脈沖的距離分辨力高，對強(qiáng)混響條件探測更有力。調(diào)頻脈沖信號，相對混響要大，但有利于識別目標(biāo)特征。

工作點(diǎn)與動態(tài)范圍：工作點(diǎn)為動態(tài)范圍中間強(qiáng)度點(diǎn)，動態(tài)范圍是顯示圖像中最弱和最強(qiáng)回波的差值， 例如工作點(diǎn)為20 dB，動態(tài)范圍為±5 dB，則15～25 dB強(qiáng)度的回波信號在屏幕上顯示為最弱和最亮的點(diǎn)，其他強(qiáng)度回波將無法分辨。選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ鼽c(diǎn)和動態(tài)范圍，可有效提高目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率。

增益控制：壓縮水聽器信號動態(tài)范圍，保持輸出幅度盡可能均勻（但信號與背景比不變）。總體來說，增益控制是對信號的一種歸一化處理，要使背景噪聲和混響穩(wěn)定在一個(gè)范圍內(nèi)，使界面顯示的圖像形成對識別目標(biāo)最有利的分辨率，以快速發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

發(fā)射功率：發(fā)射功率越大作用距離越遠(yuǎn)，但意味著混響也越大；對于礁石底或礫石等硬底和復(fù)雜底，為避免過大混響，需要降低發(fā)射功率；對于渾濁水域或深水泥沙底質(zhì)，為抵消海水散射和海底反射損失，可增大發(fā)射功率。發(fā)射功率的選擇要依據(jù)屏幕回波信號和混響信號強(qiáng)度適當(dāng)調(diào)整，尤其是對可疑目標(biāo)抵近識別時(shí)或重新進(jìn)入航路搜索時(shí)要及時(shí)調(diào)整。

量程：量程是聲吶脈沖所抵達(dá)的距離，有別于有效探測距離。量程過大往往會造成不必要的延時(shí)，同時(shí)目標(biāo)回波信號弱，容易被忽略，但設(shè)定量程過小，混響越明顯，目標(biāo)不容易辨識；因此，量程設(shè)定大于有效探測距離一些即可。當(dāng)發(fā)現(xiàn)疑似目標(biāo)，艦艇抵近時(shí)，要適當(dāng)調(diào)整量程，尤其是識別聲吶；當(dāng)水深較淺，混響較大時(shí)，除了調(diào)小功率，也可調(diào)大量程，讓混響減小，在一定功率條件下，量程越大目標(biāo)回波信號越弱。

3.5 聲吶回波方式辨別目標(biāo)

當(dāng)目標(biāo)回波強(qiáng)度高于背景噪聲時(shí)，在聲吶圖像上可見到較強(qiáng)的回波亮點(diǎn)，利用目標(biāo)回波特性可辨別目標(biāo)類型。一是真實(shí)目標(biāo)一般能夠連續(xù)出現(xiàn)（不少于3次），但在艦艇機(jī)動狀態(tài)下，目標(biāo)雷的方位距離是變化的，同時(shí)由于搜索扇面具有探測重復(fù)周期，存在延時(shí)，量程越大、波速越多延時(shí)越長，目標(biāo)連續(xù)出現(xiàn)的位置是不同的，因此要注重辨識目標(biāo)特征上，可同步當(dāng)前距離變化、聲吶扇面和波速范圍，以此克服延時(shí)帶來的連續(xù)點(diǎn)位變化和同一目標(biāo)辨別。二是對聲吶回波方式探測水雷，離目標(biāo)距離越近，海底混響強(qiáng)度越大，水雷回波越容易被掩蓋，尤其是在礁石底、礫石底情況下，因此要把主要關(guān)注點(diǎn)放在較遠(yuǎn)距離上，一般在聲吶最大探測距離三分之二處，目標(biāo)最為明顯。三是多波束多扇面搜索時(shí)，要保證各扇面的探測周期間隔時(shí)間小于目標(biāo)穿越時(shí)間，防止發(fā)生漏探。

3.6 聲影識別方式辨別目標(biāo)

突出于海底的物體被聲波照射時(shí)，不僅會產(chǎn)生反射，同時(shí)也阻止了聲波的前進(jìn)，在物體背后的海底上產(chǎn)生聲學(xué)陰影。由于混響越強(qiáng)聲影越明顯，因此特別適用于近距離強(qiáng)混響情況下的目標(biāo)探測識別。目標(biāo)聲影為一片白色的噪聲背景中的一塊黑影，其形狀與目標(biāo)形狀有關(guān)，是其水平投影，球體為橢圓形陰影，圓柱體為平行四邊形陰影。同時(shí)注意：1）只有識別聲吶有聲影識別方式，探測聲吶只有回波方式；2）聲影方式與目標(biāo)回波強(qiáng)度無關(guān)，不受雷體材質(zhì)或防聲吶涂成的影響，較適合未知目標(biāo)識別，但難以探測錨雷；3）只有入射聲波角度適當(dāng)才能產(chǎn)生較大的聲影，角度過大或過遠(yuǎn)都難辨識。

3.7 滅雷具聲吶探測識別

由于有艦載聲吶和指控系統(tǒng)引導(dǎo)，相對來說，滅雷具聲吶搜索和發(fā)現(xiàn)目標(biāo)相對簡單。需要注意的是，一要關(guān)注流速流向的變化，底層流要比表層流小，因此要在接近目標(biāo)時(shí)保持好高度頂流抵近。如果不好判斷流向可讓其漂泊一段時(shí)間，這時(shí)可通過滅雷具聲吶或獵雷識別聲吶圖像判斷其漂泊方向即流向。二要避免滅雷具控制電纜與錨雷雷索纏繞，滅雷具聲吶要使用大量程，保持較大的垂直開角，下潛深度應(yīng)使滅雷具處于雷體深度下方，前進(jìn)中通過微調(diào)俯仰角觀察聲吶圖像，雷體（圓柱狀或亮點(diǎn)）、雷錨（圓臺或長方體）、雷鏈（一個(gè)或多個(gè)亮點(diǎn)或短線），發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)應(yīng)距其15～20 m懸停，上下搜索其他部分，其中要考慮流對錨雷整體的影響，雷體在下流方向。三要注意及時(shí)切換量程，海水渾濁度大無法觀察到目標(biāo)要以聲吶識別圖像抵近，尤其是對識別錨雷，不可繞雷機(jī)動，一旦沖過目標(biāo)要及時(shí)停車漂流一段。四要注意海底起伏，在搜索識別目標(biāo)的同時(shí)，通過聲吶圖像辨別海底大致形態(tài)，尤其是目標(biāo)附近情況，避免因高度過低導(dǎo)致碰撞。最后，要注意海帶、漁網(wǎng)等，避免滅雷具被纏繞。

4 結(jié)束語

本文基于獵雷聲吶工作原理和探測識別性能影響因素，從傳播損失、混響、目標(biāo)強(qiáng)度以及海流、潮汐等多個(gè)方面分析了海洋環(huán)境對獵雷聲吶探測識別的影響，提出了部分對策建議，可為部隊(duì)探測識別水雷等目標(biāo)提供有效參考。由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性，對獵雷聲吶探測識別的影響是多因素綜合性的，還需繼續(xù)深入研究分析，有關(guān)對策建議在獵雷作戰(zhàn)中也需靈活應(yīng)用。