“淺海”條件下聲納浮標最佳入水深度

郁紅波，鞠建波，楊少偉

(1.海軍航空大學，山東 煙臺 264001；2.解放軍91388部隊，廣東 湛江 524000)

0 引言

被動聲納浮標在航空搜潛過程中扮演著十分重要的角色。反潛巡邏機在檢查/巡邏反潛過程中，通常布設浮標陣對潛艇目標進行包圍和攔截，而浮標的作用距離直接影響浮標包圍陣的搜潛概率。研究發現浮標的作用距離與入水深度有很大的關系，因此研究浮標作用距離最大時的最佳入水深度對后續反潛至關重要。

文獻[1—3]研究了反潛巡邏機利用雙基地的原理布設浮標陣，并且對雙基地浮標包圍陣進行了效能評估，得出了雙基地的搜潛概率，但文獻在對浮標包圍陣進行效能評估時假設浮標的作用距離是個定值，沒有考慮聲速剖面和浮標入水深度對浮標作用距離的影響；文獻[4]研究了近淺海浮標最佳入水深度，得出了不同聲速剖面下浮標的最佳入水深度，有一定的軍事價值，但文獻中只是固定了潛艇的航行深度，沒有考慮潛艇在深度上的散布規律；文獻[5]研究了浮標最佳入水深度，并且考慮了不同聲速剖面下潛艇在海域深度上的散布規律，以探測概率作為衡量標準選擇浮標的最佳入水深度。綜合以上文獻的研究，本文在考慮聲速剖面和潛艇在深度上散布規律的情況下，用平均作用距離作為衡量標準選擇浮標的最佳入水深度。

1 潛艇的輻射噪聲

潛艇輻射噪聲源來源于許多方面，主要包括機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲。但在艦船輻射噪聲信號仿真中，一般將機械噪聲和螺旋槳噪聲當做主要噪聲源進行仿真，水動力噪聲在強度上往往會被以上的兩個噪聲信號所掩蓋。本文對噪聲的計算仿真模型如下式[6]：

(1)

(2)

式(1)中：Vc為潛艇航行的臨界速度；V為潛艇的航行速度；H為潛艇航行的深度，m；Vc100為潛艇在航行深度為100 m時的臨界速度，kn;p為海平面上標準大氣壓，Pa;ρ為海水密度，kg/m3;pd為潛艇航行處水的飽和蒸汽壓力，由于其值遠小于標準大氣壓，計算時忽略不計，pd100為100 m深度時水的飽和蒸汽壓力，計算時亦可忽略；g為重力加速度,m/s2;b表示潛艇速度超過臨界航速后輻射噪聲隨航速的變化，按潛艇類型取1.5～2；Δ為潛艇速度超過臨界航速后輻射噪聲聲源級的增量，按潛艇類型取25～50 dB。

本文中潛艇為安靜潛艇，取a=2，b=1.5。

表1 臨界速度公式中參數表Tab.1 Parameters of critical velocity

對式(2)中潛艇輻射噪聲信號進行仿真,如圖1所示。

圖1 潛艇的輻射噪聲隨航行速度和深度的關系Fig.1 Relation of radiated noise of submarine withspeed and depth

從圖1可以發現：潛艇在不同航行深度時，潛艇的臨界速度也不相同，當潛艇的航速超過臨界速度時，潛艇的輻射噪聲將急劇增加；因此潛艇為了減少輻射噪聲的大小，需要根據自身的航行深度來確定最大的航行速度。

2 典型聲速剖面下浮標作用距離模型仿真

在海洋環境噪聲下聲納的被動方程表達式為:

SL-TL-(NL-DI)=DT

(3)

根據式(3)可以得出優質因數表達式為：

FOM=SL-(NL-DI)-DT

(4)

在搜潛過程中，當

FOM≥TL

(5)

認為檢測到了目標。本文中設定浮標的檢測閾DT=10 dB；由于浮標工作時是全向的，因此指向性指數DI=0 dB；海洋環境噪聲NL為:

NL=10lg(f1-0.7-f2-0.7)+6S+56.5

(6)

式(6)中：S為海況，本文假設為3級海況；f為頻率，被動浮標的工作頻帶為10 Hz～10 kHz。

浮標被動工作狀態時，聲源級SL為潛艇的輻射噪聲。我國近海海域海水深度均在200 m以內，潛艇航行在20 m以上容易被反潛設備發現，航行在150 m以下容易受到海底地形的威脅，造成事故，因此潛艇在海洋中一般在20～150 m的安全區域中航行。

2.1 帶有躍層的聲速梯度分布

在我國南中國海域常見的聲速剖面為帶有躍變層的聲速梯度分布。該聲速的特點為：在0～60 m為微弱正聲速梯度，在60～200 m為負聲速梯度。該聲速梯度下，聲線在0～60 m向上傳播，在60～200 m向下傳播，如圖2所示。

圖2 帶有躍層的聲速剖面和聲傳播損失Fig.2 Sound velocity profile with thermocline and sound propagation loss

仿真條件：本文利用Actup軟件計算水聲場[7]；假設淺海海域水深為200 m，聲線發射的初始掠射角為±10.3°；假設接收器均勻地布設在深度0～200 m上100個點和水平方向0～20 km的200個點上，聲束柱數為20；海底為泥沙底(海底壓縮波速1535 m/s,密度1.43 g/cm3,海底吸收系數0.5 dB/波長,海底是平整的。利用式(5)仿真當潛艇處在不同深度時被動聲納浮標的作用距離曲線，如圖3所示。

圖3 帶有躍層的聲速剖面下被動聲納浮標作用距離仿真圖Fig.3 Simulation diagram of the action distance of passive sonobuoys under acoustic velocity profile with a looping layer

從圖3可以看出，當被動浮標的入水深度為30 m以上時，對航行在100 m以下的潛艇存在探測盲區，被動浮標入水深度為170 m以下時，對航行在40 m以上的潛艇存在作用盲區。聲速剖面為帶有躍層的聲速分布時，當潛艇航行在躍層以上時，聲線在躍層以上傳播，躍層以上浮標的作用距離較遠，當潛艇航行在躍層以下時，大部分聲線在躍層以下傳播，躍層以下浮標的作用距離較遠。

2.2 正聲速梯度分布

正聲速梯度分布情況下，聲線向上彎曲，如圖4所示。

圖4 正聲速剖面和聲傳播損失Fig.4 Sound propagation loss of positive sonic velocity profile

仿真原理與2.1節相同，得到正聲速剖面下被動聲納浮標隨潛艇深度變化的作用距離曲線，如圖5所示。

圖5 正聲速剖面下被動聲納作用距離與潛艇航行深度的關系Fig.5 Relation of passive sonar operating distance with submarine’s voyage depth under positive sound velocity profile

根據圖5被動聲納作用距離曲線可以看出：聲速剖面為正聲速梯度時，聲線向上傳播，所以被動聲納浮標對航行在深度較小的潛艇具有更長的作用距離，并且無論浮標的入水深度是多少，對航行在任何深度的潛艇都有探測距離，沒有盲區。

2.3 負聲速梯度分布

負聲速梯度分布情況下，聲線向下彎曲，如圖6所示。

圖6 負聲速剖面和聲傳播損失Fig.6 Negative sound velocity profile and sound propagation loss

仿真原理與2.1節相同，得到負聲速剖面下被動聲納浮標隨潛艇深度變化的作用距離曲線，如圖7所示。

圖7 負聲速剖面下被動聲納作用距離與潛艇航行深度的關系Fig.7 Relation of passive sonar range with submarine’s voyage depth under negative sound velocity profile

根據圖7可知：聲速剖面為負聲速梯度分布時，浮標工作深度為20 m以上時，對航行在深度為110 m以下的潛艇存在盲區，作用距離幾乎為零；當浮標工作深度為160 m以下時，對航行在30 m以上的潛艇存在盲區，作用距離幾乎為零。聲線向下傳播，所以在該聲速剖面下，被動浮標對航行深度較深的潛艇具有較大的作用距離。

3 被動浮標最佳入水深度

3.1 潛艇航行深度概率建模與分析

(7)

式(7)中：TLmax表示聲納浮標探測到目標的最大單程傳播損失；N表示矩陣A所有元素A(i)>TLmax的個數。

根據式(7)可以得出不同的聲速剖面下潛艇在hi深度航行的概率，如圖8所示。

圖8 潛艇不同深度下航行的概率Fig.8 Probability of submarine sailing at different depths

3.2 確定被動浮標的最佳入水深度

以往研究被動浮標最佳入水深度時，均采用固定潛艇的下潛深度，不斷改變浮標的入水深度，然后選擇出作用距離最長的深度作為浮標的最佳入水深度，這種做法存在不合理性，因為反潛過程中潛艇的航行深度是未知的，通過假設潛艇的航行深度得出的數據不具有普遍性。本節通過將浮標的作用距離和潛艇在深度上的散布規律結合起來，計算浮標的平均作用距離，根據平均作用距離確定浮標的最佳入水深度。

(8)

通過式(8)，分別計算出三種聲速剖面下浮標深度為0～200 m時的平均作用距離。

仿真條件：潛艇安全航行區域為[20,150],每隔h=10 m作為潛艇的航行深度，得出圖9三種聲速剖面下浮標平均作用距離隨入水深度變化的仿真圖。

圖9 聲納浮標入水深度對平均作用距離的影響Fig.9 Influence of water entry depth of sonobuoy on average operating distance

經過對三種聲速剖面下聲納浮標平均作用距離的仿真，得出如下結論：

1) 帶有躍層的聲速剖面下，躍層以上聲線向上彎曲，浮標入水深度越靠近海面作用距離越遠；躍層以下，聲線向下彎曲，浮標入水深度越靠近海底作用距離越遠，但由于躍層以下范圍較大，因此聲納浮標最佳入水深度在躍層以下。根據圖9(a)可知，隨著聲納浮標的入水深度的增加，其平均作用距離也不斷增加，當聲納浮標的入水深度超過180 m時，其平均探測距離不斷減少，因此聲納浮標最佳入水深度為180 m,最遠可以達到1.22 km。

2) 正聲速梯度剖面下，聲線向上彎曲，浮標入水深度越靠近海面，其作用距離越大，潛艇散布的規律越小，但潛艇散布規律隨深度變化不大，因此聲納浮標最佳入水深度在海深中點以上。根據圖9(b)可知，當浮標的入水深度為40 m時，具有最大的作用距離，最遠可以達到1.69 km。

3) 負聲速剖面下，聲線向下彎曲，浮標的入水深度越靠近海底，其作用距離越大，同時潛艇的散布規律變小，因此在海中心附近位置浮標的平均作用距離最長。根據圖9(c)可知，當浮標的入水深度為140 m時，其具有最大的平均作用距離，最遠可以達到0.98 km。

4 結論

本文提出了確定淺海條件下聲納浮標最佳入水深度的方法。該方法通過BELLHOP 模型仿真了帶有躍層聲速剖面、正聲速剖面和負聲速剖面三種剖面下聲傳播特性和聲傳播損失，得出了不同聲速剖面下不同浮標入水深度對浮標作用距離的影響。利用聲傳播損失得出了不同聲速剖面下潛艇在深度上的散布規律，將潛艇的散布規律與浮標作用距離隨深度變化曲線相結合，通過仿真得出浮標的平均作用距離曲線，根據平均作用距離曲線得出浮標的最佳入水深度，為后續反潛作戰提供數據和理論支撐。本文研究過程中，假設海底為平坦地形，復雜海底地形下浮標的最佳入水深度是下一步研究的重點。