非均勻溫鹽場潛艇聲隱蔽效能仿真研究

秦鋒 趙志允 于振濤

摘要：? 針對現有水下作戰環境中潛艇聲隱蔽效能評估方法的不足，尤其是三維非均勻溫鹽場對潛艇聲隱蔽性的影響，采用重構三維溫鹽場和BELLHOP3D模型，計算聲場傳播損失數值，結合不同艇型、海況等級和敵方聲納類型等輔助信息，利用概率論和被動聲納方程，構建指定海區不同位置處不同工況條件下潛艇的聲隱蔽效能仿真模型，在輸入某一海區三維溫鹽場數值的基礎上，仿真獲取該海區給定工況條件下的潛艇聲隱蔽效能數值分布偽彩圖。仿真結果表明，由于海水介質中溫度和鹽度分布不均勻，影響海區內潛艇的聲隱蔽能力。潛艇在某些位置有非常好的聲隱身效果，而在某些位置存在較大的暴露概率，潛艇聲隱蔽效能是非均勻分布，與溫度和鹽度水平分布呈現弱正相關性，該方法能有效評估潛艇在不同海區和工況條件下的聲隱蔽能力。該研究對于潛艇利用海洋環境達到隱蔽航行的目的以及任務海區的潛艇航路規劃具有重要的理論意義和實際應用價值。

關鍵詞：? 非均勻溫鹽場; 潛艇; 聲隱蔽效能; 被動聲納方程; 建模; 仿真

中圖分類號： TP391.9; TN972+.1? 文獻標識碼： A

未來海上戰爭更加依賴于對海洋環境的把握，戰場環境在時間和空間組成的四維空間上影響海軍在多維空間作戰行動的成敗，尤其是潛艇作戰是在不同介質交叉轉換和連續變換的四維空間展開，更加依賴于水下作戰環境，而水下作戰環境對聲納探測目標的效能有顯著的影響。由于海水介質中溫度和鹽度的分布不均勻，造成了聲速垂直和水平分布的不均勻性，并間接造成海區的聲傳播特性發生改變，引起聲能在某一距離和方向上的分布不均勻性，從而影響到潛艇噪聲經過海水介質被敵方聲納探測到的概率，即潛艇的聲隱蔽能力。保持聲隱蔽性是潛艇發揮其戰斗力的有力保障，而聲隱蔽效能受到自身噪聲大小、潛艇航深、敵方的探測聲納性能以及海洋水文環境等影響。目前，許多研究者就聲納對目標的探測過程進行了深入研究，結合實際和模擬的海洋水文環境，基于不同聲傳播模型[1 2] 、依據聲納方程的功能模擬方法以及基于信號處理的檢測方法，給出聲納對目標的探測距離仿真數值[3 9] ，并建立探測概率模型[10] ，仿真得出典型溫躍層條件下潛艇不同航深的聲隱蔽能力[11] 。但是這些方法都沒有從潛艇戰術需求出發，基于海洋三維環境的時空變化特性給出潛艇的聲隱蔽效能量化參數。因此，針對三維非均勻溫鹽場對潛艇聲隱蔽性的影響，本文在獲取任務海域溫鹽密和聲速分布數據的基礎上，對非均勻溫鹽場潛艇聲隱蔽效能進行研究，仿真獲取潛艇的聲隱蔽效能圖，作為執行有利于保持潛艇隱蔽戰斗能力的航線決策參考依據。該研究具有重要的理論意義和實際應用價值。

1 聲隱蔽效能建模

根據輸入的聲場傳播損失數值，結合不同艇型、海況等級和敵方聲納優質因子等輔助信息，利用概率論和被動聲納方程進行隱蔽效能的評估分析，生成指定海區不同位置處不同航深潛艇的聲隱蔽效能數值。此時某一點處潛艇的聲隱蔽效能應該與艇型s、所在位置（x，y）、航深h、海況k以及敵方聲納分布情況有關。

首先將指定海區三維笛卡爾空間以潛艇所在位置和海深（x，y，H）為坐標原點轉換為柱坐標（r，θ，z），取一個小空間微元Δ i=（ri+Δr，θi+Δθ，zi+Δz），在這個微元上，敵方聲納分布概率為

P m（ i）=p（ i）Δ i （1）

其中， i為在小空間微元上任取的某一個敵方聲納位置矢徑;p（ i）為敵方聲納分布密度函數，可認為均勻分布，有

Pm（ i）=Δ i 1 Hmax -Hmin? 1 2π 1 R drdθdz? ?zi∈ Hmin ，Hmax? ?0? zi Hmin ，Hmax? ?=? Δz Hmax -Hmin? Δθ 2π Δr R? ? ? ?zi∈ Hmin ，Hmax? ?0? ? ? ? ? zi Hmin ，Hmax? ? （2）

其中，[Hmax ，Hmin ]為敵方聲納工作深度范圍，由敵方聲納類型確定;R為計算設置的最遠聲場傳播距離。

評價敵方聲傳感器性能的一個重要客觀標準是探測概率，即在給定的環境中，某一傳感器在某一距離上探測到我方潛艇的概率，這種概率稱為瞬時探測概率[12] 。如果用聲納方程[13] 來預測探測概率，則聲納方程中的參數均為隨機變量，相互獨立，滿足正態分布。對于聲納系統，在給定的中心頻率上，如果SE大于或等于0，那么原則上就能探測到潛艇，當SE=0時，瞬時探測概率達到50%。因此，依據大數定律，在這個微元上定義敵方探測我方潛艇這個事件A的概率為[14]

p（A| i）=∫ SE σ -∞ 1 2π e- t2 2 dt SE=SL s -TL x，y，h -NL k +DI-DT? （3）

其中，SE為聲納信號余量，dB;SL為與潛艇艇型有關的輻射噪聲聲源級，dB;NL為與海況有關的海洋背景噪聲，dB;DI為聲納指向性指數，dB;DT為聲納檢測閾，dB;TL 為指定位置和深度上的傳播損失值，dB。潛艇水下輻射噪聲的聲源級反映了潛艇被被動聲納發現并識別的幾率。潛艇向外輻射的噪聲功率譜呈現非定常隨機變化的譜線，其中包含短時線譜和長時寬譜分量，潛艇執行航渡任務時，其噪聲功率是毫瓦級，線譜噪聲譜級比寬帶高10～25 dB，假定此類潛艇在500 Hz頻段處存在線譜譜級為120 dB。本文使用基于射線理論的BELLHOP3D模型，計算具體的傳播損失值[15] 。

BELLHOP3D模型需要當前區域聲速值，結合海區水體的三維溫鹽密數值，計算水體中三維聲速場[16] 為

c=1 449.30+ΔcP+ΔcT+ΔcS+ΔcTPS? （4）

其中

ΔcP=1.584 8×10-1 P+1.572×10-5 P2-3.46×10-12 P4

ΔcT=14.857T-5.356×10-2 T2+2.604×10-4 T3

ΔcS=1.19（S-35）+9.6×10-2 （S-35）3

ΔcTPS =1.35×10-5 T2P-7.19×10-7 TP2-1.2×10-2 （S-35）T

式中，T為溫度，℃，適用范圍為[0，35];S為鹽度，‰，適用范圍為[0，45];P為靜壓力，kg/cm2。P與深度z（m）的關系為

P=1.033+1.028 126×10-1 z+2.38×10-7 z2-6.8×10-17 z4

在整個選取空間上，潛艇被每個小空間微元上的敵方聲納探測到的事件是完備事件組，因此依據空間劃分全覆蓋性和全概率公式，得到在整個空間上潛艇被敵方探測的概率為

S=∑ N i=1 p（A| i）Pm（ i） （5）

其中，N為柱坐標敵方可能位置離散點數量。

由于潛艇被敵方探測和其隱蔽性為對立事件，依據概率的可列可加性，定義潛艇在某一位置的隱蔽效能為

T=1-∑ N i=1 p（A| i）Pm（ i） （6）

在離散空間內，利用式（6）計算隱蔽效能時，注意到某一微元敵方聲納的分布概率是瞬時探測概率的權重值，因此將分布概率在離散空間內簡化為

Pm（ i）= 1 M? ? zi∈ Hmin ，Hmax? 0? ? zi Hmin ，Hmax? ?（7）

其中，M為敵方聲納工作深度范圍內離散點數量。

2 海洋背景噪聲

海洋背景噪聲的大小與聲納所處的海區位置、聲納接收的頻率段以及頻段內包含的海區噪聲源種類有關。為預報當前海區海洋背景噪聲級，必需獲取不同噪聲源功率譜，采用最平凡的Wenz曲線[17] ，模擬不同航運等級和海況條件下深海區域的噪聲功率譜。因此，定義海洋背景噪聲的求取方法為選擇適當航運和海況噪聲強度曲線，并將兩者在中心頻率上進行聯合疊加。

船運噪聲在30～1 200 Hz占主導地位，預測方法是結合單艘船的平均噪聲級以及船運的分布情況，即

SLship =230-35.94log10 f+9.17log10 1+ f/340 2? （8）

NLship =10log10 Nship +SLship? （9）

其中，SLship 為單艘艦船航速為12 kn時平均輻射噪聲級，dB;f為頻率，Hz;NLship 為船運噪聲級，dB;Nship 為船運密度，m-2 。船運密度等級劃分如表1所示。

風噪聲在100～10 000 Hz占主導地位，預測方法為

NLwind =10log10 πKwind? （10）

其中，NLwind 為風噪聲級，dB;Kwind 為風壓， μ Pa2Hz-1 。風壓為

Kwind = 104.12 v2.24 APL? 1.5+F1.59 100.1δ? （11）

式中，F為頻率，kHz;vAPL 為高頻風速，m/s。;δ為冪系數，與空氣溫度Tair （℃）和水溫Twater （℃）有關。冪系數為

δ= 0? ? ? ? Tair -Twater <1 0.26 Tair -Twater -1.0 2 Tair -Twater ≥1? （12）

高頻風速為

vAPL =max v10 ，1? （13）

式中，v10 為海平面10 m高度風速，和海況有關。風速與海況的關系如表2所示。總的背景噪聲場是所有風成噪聲和航運噪聲之和，采用平均譜級功率求和的形式，得到有效噪聲背景的求取方法為

NL=10log10 10NLship /10 +10NLwind /10? （14）

3 聲隱蔽效能仿真流程及實例

3.1 聲隱蔽效能仿真流程

對位于某一位置的潛艇聲隱蔽能力進行仿真計算，首先獲取以該位置點為圓心一定范圍內的三維溫鹽場，利用式（4）將其轉換為三維聲速場，并利用BELLHOP3D模型[19 20] 求取三維傳播損失TL，再根據式（14）估算當前海洋環境噪聲NL，最后利用式（6）計算潛艇的聲隱蔽效能。潛艇聲隱蔽效能計算流程示意圖如圖1所示。

3.2 聲隱蔽效能仿真實例

獲取西太平洋區域范圍內的三維溫鹽密場HYCOM模式數據，三維溫鹽密場和聲速海表面數值分布如圖2所示。通過式（4）計算得到三維聲速場，網格分辨率為0.25°，然后提取其中16°-30°N至131°-145°E的聲速場（圖2d中黑框所示部分），供BELLHOP3D模型仿真計算三維聲傳播場時使用。

根據聲隱蔽效能計算流程仿真，得到該區域的間隔為0.25°的不同位置潛艇聲隱蔽效能分布，潛艇某區域聲隱蔽效能分布如圖3所示。其中，潛艇噪聲聲頻為500 Hz，航深假定為100 m，海況為3級，海區航運等級為輕度，TL計算距離R=200 km。由圖3可以看出，由于海水介質中溫度和鹽度分布不均勻，影響海區內潛艇的聲隱蔽能力。潛艇在某些位置有非常好的聲隱身效果，而在某些位置存在較大的暴露概率，潛艇聲隱蔽效能也是非均勻分布，將圖3中的聲隱蔽效能分布分別與圖2a和圖2b中黑框所示區域的溫度和鹽度分布趨勢進行對比，可以看出，兩者的等值線分布規律基本一致，因此潛艇聲隱蔽效能與溫度和鹽度水平分布呈現弱正相關性。

4 結束語

潛艇依賴的水下作戰環境是非均勻分布的三維溫鹽場，保持隱蔽戰斗能力亟需評估其在任務海區的聲隱蔽效能，結合海水聲傳播特性和全概率公式，構建聲隱蔽效能評估模型，并利用三維溫鹽數據，恰當地預報聲傳播損失，計算潛艇給定工況條件下的聲隱蔽效能，逐步應用到潛艇戰術決策和航路規劃當中，使其更好的利用海洋環境達到隱蔽航行的目的，具有重要的理論意義和實際應用價值，尤其是根據聲隱蔽效能的大小，可以為潛艇的隱蔽航路規劃提供技術支持。

參考文獻：

[1] 孫芳， 高飛， 潘長明. Marsh-Schulkin與Rogers模型比對分析[J]. 海洋測繪， 2014， 34（4）： 44 47.

[2] 張仁和. 淺海中的平滑平均聲場[J]. 海洋學報， 1981， 3（4）： 535 544.

[3] 何心怡， 蔡志明， 林建域， 等. 主動聲納探測距離預報仿真研究[J]. 系統仿真學報， 2003， 15（9）： 1304 1306， 1310.

[4] 季蓓， 程健慶， 曹志敏. 被動聲吶作用距離預報的仿真研究[J]. 計算機仿真， 2007， 24（3）： 31 34.

[5] 曹立新， 周業明， 陳建華. 艦艇聲納作用距離預報仿真研究[J]. 軍事運籌與系統工程， 2007（9）： 42.

[6] 喻榮兵， 陳建勇， 謝志敏. 負躍層對主動聲吶探測距離影響仿真研究[J]. 海軍航空工程學院學報， 2009， 24（2）： 141 143.

[7] 于松標. 潛艇與魚雷對抗中躍變層的利用[J]. 艦船論證參考， 1989（2）： 38 40.

[8] 高學強， 楊日杰， 韓建輝. 躍變層對潛艇隱蔽性的影響仿真研究[J]. 艦船科學技術， 2008， 30（5）： 148.

[9] 李慶紅， 劉天波， 張永剛. 海洋溫躍層對艦船聲吶探測的影響評估[J]. 船舶電子工程， 2008， 28（2）： 141 144.

[10] 李玉陽， 笪良龍， 盧曉亭， 等. 基于水聲環境的潛艇陣地優化方法研究[J]. 系統仿真學報， 2008， 20（8）： 2204.

[11] 劉雄， 張繩， 蔡勇. 潛艇隱蔽性建模與仿真研究[J]. 艦船科學技術， 2009， 31（8）： 105 106.

[12] AinslieM A. Principles of sonar performance modeling[M]. Houston： Praxis Publishing， 2010.

[13] 高學強， 楊日杰. 潛艇輻射噪聲聲源級經驗公式修正[J]. 聲學與電子工程， 2007， 87（3）： 17.

[14] 薛青， 湯在江， 羅小明， 等. 裝備作戰仿真基礎[M]. 北京： 國防工業出版社， 2010.

[15] Finn B. Jensen computational ocean acoustics[M]. New York： AIP Press， 2000.

[16] 劉伯勝， 雷家煜. 水聲學原理[M]. 哈爾濱： 哈爾濱工程大學出版社， 1993.

[17] 劉孟庵， 連立民. 水聲工程[M]. 杭州： 浙江科學技術出版社， 2002.

[18] EtterP C. 水聲建模與仿真[M]. 蔡志明等， 譯. 北京： 電子工業出版社， 2004.

[19] Brekhovskikh L M. Fundamentals of ocean acoustics[M]. NewYork： AIP Press， 2002.

[20] 楊坤德， 雷波， 盧艷陽， 等. 海洋聲學典型聲場模型的原理及應用[M]. 西安： 西北工業大學出版社， 2018.

Simulation of Submarine′s Acoustic Concealment Effectivenessin Heterogeneous Temperature Salt Field

QIN Feng， ZHAO Zhiyun， YU Zhentao

（Naval Submarine Academy， Qingdao 266042， China）

Abstract：? In view of the shortcomings of the existing evaluation methods of submarine acoustic concealment in underwater combat environment， especially the influence of three-dimensional non-uniform temperature and salt field on submarine acoustic concealment， the acoustic field propagation loss value is calculated by reconstructing the three-dimensional temperature salt field and bellhop3d model， and combining with the auxiliary information of different types of boats， sea state grades and enemy sonar types， the probability theory and passive sonar equation are used to construct the model. The simulation model of submarine′s acoustic concealment efficiency under different working conditions at different positions in the designated sea area is established. Based on the input of the three-dimensional temperature and salt field value of a certain sea area， the pseudo color map of the submarine′s acoustic concealment efficiency value distribution under the given working conditions in the sea area is obtained by simulation. The simulation results show that due to the uneven distribution of temperature and salinity in seawater， the submarine′s acoustic concealment ability is affected. The results show that the submarine has a very good acoustic stealth effect in some locations， but there is a large exposure probability in some locations. The submarine acoustic concealment efficiency is non-uniform distribution and has a weak positive correlation with the horizontal distribution of temperature and salinity. This method can effectively evaluate the acoustic stealth ability of submarine in different sea areas and working conditions. The research has important theoretical significance and practical application value for submarine to achieve the purpose of covert navigation by using marine environment and submarine route planning in mission sea area.

Key words： inhomogeneous temperature andsalt field; submarine; acoustic concealment efficiency; passive sonar equation; modeling; simulation