淺海海底地形對吊放聲吶探測距離的影響

郁紅波，鞠建波，魏 帥，楊少偉

(1. 海軍航空大學(xué)，山東煙臺264001；2. 中國人民解放軍95910部隊(duì)，甘肅酒泉935000)

0 引 言

作為現(xiàn)代反潛中一項(xiàng)重要的數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確地掌握作戰(zhàn)海域吊放聲吶的作用距離，將大大提高吊放聲吶的搜潛效率。吊放聲吶的作用距離不僅與聲吶設(shè)備的性能有關(guān)，還受海洋環(huán)境和海底地形等有關(guān)因素的影響。海底地形作為水聲傳播的下邊界，不同的海底地形對水下聲傳播有著重要的影響[1]，海底地形的復(fù)雜多變，相應(yīng)聲吶作用距離也千差萬別。因此有必要研究海底地形對作用距離的影響，為聲吶設(shè)備的設(shè)計和作戰(zhàn)使用提供可靠的參考和依據(jù)。

曲曉慧等在文獻(xiàn)[2]和[3]中研究了淺海平坦海底地形下不同聲速剖面中的聲傳播特性，通過仿真聲線軌跡分析了正聲速梯度和存在一個聲道軸時的聲速分布兩種典型聲速剖面對聲傳播的影響，得出了淺海中不同聲速剖面下主動聲吶的作用距離。但沒有考慮復(fù)雜地形對聲傳播特性的影響。支紹龍[4]研究了海底地形為山體情況下吊放聲吶不同入水深度時的作用距離，為如何使用聲吶裝備提供了數(shù)據(jù)支撐，極大發(fā)揮了聲吶設(shè)備的探測性能，但此文獻(xiàn)把海底地形設(shè)置為山體這一特殊地形，不具有很強(qiáng)的說服性。韓引海等[5]中研究了海底山體和海底盆地(簡稱：海盆)對聲傳播規(guī)律的影響，并仿真得到了兩種典型地形下的聲吶設(shè)備作用距離，對水聲裝備的研制和使用有重大的影響，但本文獻(xiàn)沒有研究不同高度或深度的兩種地形對聲傳播的影響。針對上述文獻(xiàn)的不足，本文研究了不同高度和深度的海底山體和海盆對聲線傳播特性的影響，并通過仿真得出了主動聲吶的作用距離，為吊放聲吶設(shè)備的設(shè)計，操作和作戰(zhàn)使用提供了參考。

1 射線聲學(xué)模型

2 淺海不同地形下吊放聲吶探測距離仿真分析

在本文的研究中，海底山體和海盆的形狀服從均值為10 km，方差為0.3的高斯分布，海盆的直徑為9 km。

2.1 正聲速梯度

正聲速梯度指的是聲速隨深度的增加而增加，這類聲速剖面一般發(fā)生在冬季，原因是海水表面溫度比海底溫度低。圖1為海底地形示意圖，圖2為正聲速梯度剖面圖。

圖1 兩種典型的海底地形示意圖Fig.1 Two typical seabed topographies

圖2 淺海正聲速梯度剖面圖Fig.2Sound velocity profile of positive gradient in shallow sea

本文基于射線聲學(xué)，利用BELLHOP模型計算聲場。假設(shè)淺海海域水深200 m，聲吶發(fā)射的初始掠射角為± 1 0.3°。聲源工作深度為80 m，工作頻率為3 000 Hz，聲束柱數(shù)為50，本征聲線的個數(shù)N=2。海底參數(shù)的設(shè)定：聲速c=1 535 m·s-1，海底吸收系數(shù)α=0.5，密度ρ=1.43 g·cm-3。

2.1.1 海底地形為高斯分布的“海底山體”

圖3為海底山地高度分別為0、50、100、150 m情況下的聲線傳播圖和聲波傳播損失圖。

圖4為正聲速梯度下海底山體的高度對吊放聲吶作用距離的影響。

圖 4縱軸為潛艇的航行深度(m)；橫軸為吊放聲吶的探測距離(m)。假設(shè)吊放聲吶的入水深度為80 m，每隔2 m取一點(diǎn)作為潛艇的航行深度，研究吊放聲吶深度確定后，對航行在不同深度的潛艇的探測距離進(jìn)行分析。

(1) 正聲速梯度下，聲線向海面彎曲。從圖3(a)、3(c)、3(e)、3(g)和圖4中可得出下列兩點(diǎn)結(jié)論：

(a) 山體以上區(qū)域。在聲線傳播過程中，聲線到達(dá)海底山體表面并發(fā)生反射，通過圖3(a)、3(c)、3(e)、3(g)可以看出，隨著山體高度的增加，聲線傳播的跨度不斷變小，造成聲線向聲源附近海域聚集。從圖4可見，隨著山體高度的增加，聲吶設(shè)備的作用距離不斷減小。

圖3 正梯度聲速剖面和不同海底山高度情況下的聲線圖和聲傳播損失圖Fig.3 Ray trace maps and sound propagation loss maps under the sound velocity profile of positive gradient and differrent heights of undersea mountain

圖4 正梯度聲速剖面下海底山體高度對主動探測的影響Fig.4 Influence of the height of undersea mountain on active detection under the sound velocity profile of positive gradient

(b) 山體以下區(qū)域。由于山體的阻擋，隨著山體高度的增加，山體另一側(cè)的聲線不斷減少，形成大面積的聲影區(qū)，并且聲吶設(shè)備的作用距離也不斷減小。

(2) 由于山體的存在，潛艇可以借助影區(qū)來逃避主動聲吶的搜索。為了減少聲影區(qū)的面積，直升機(jī)在搜潛時聲吶裝備應(yīng)盡量在山體的上方，同時減少吊放聲吶的入水深度，從而提高搜潛效率。

2.1.2 海底地形為高斯分布的海盆

圖5是海盆深度分別為50、100、150 m情況下的聲線傳播圖和傳播損失圖。以海底200 m為基準(zhǔn)，海盆深度為0時與海底山體規(guī)律相同，將不在圖5中列舉。

圖5 正梯度聲速剖面和不同海底盆地深度情況下的聲線圖和聲傳播損失圖Fig.5 Ray trace maps and sound propagation loss maps under the sound velocity profile of positive gradient and different undersea basin depths

圖6為正梯度聲速剖面下不同海盆深度對吊放聲吶作用距離的影響。

圖6 正梯度聲速剖面下海盆深度對作用距離的影響Fig.6 Influence of undersea basin depth on detection range under the sound velocity profile of positive gradient

(1) 由圖5(a)、5(c)、5(e)可以看出，大部分聲線在到達(dá)海底前發(fā)生反射，經(jīng)過海盆的聲線很少，因此在海盆中形成大量影區(qū)。隨著海底盆地深度的增加，對整體聲線的傳播影響不大。從圖6中可以看出隨著海盆的深度變化，聲吶裝備的作用距離發(fā)生較小的變化。

(2) 潛艇駛?cè)牒Ｅ枋翘颖艿醴怕晠人阉鞯姆椒ㄖ弧Ｓ捎诘醴怕晠热胨疃仍缴罹嚯x海盆越近，海盆中的聲線越多，海盆中的聲影區(qū)隨之減少，因此，為了提高聲吶設(shè)備的搜潛概率，通過增加吊放聲吶的入水深度來增加海盆中的聲線數(shù)量，從而減少影區(qū)的面積是最有效的方法。

2.2 帶有躍變層的聲速梯度

由于負(fù)聲速梯度不常見，因此本節(jié)分析某海域中常見的帶有躍變層的聲速梯度分布。該聲速的特點(diǎn)為大約在 60 m處聲速梯度從微弱正聲速梯度轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)聲速梯度。圖7為帶有躍變層的聲速梯度剖面圖。

圖7 帶有躍變層的聲速梯度剖面圖Fig.7 Sound velocity profile with a leaping layer

2.2.1 海底地形為高斯分布的海底山

仿真數(shù)據(jù)同2.1節(jié)。圖8是海底山體高度分別為0、50、100、150 m情況下的聲線傳播圖和傳播損失圖。

圖8 帶有躍變層的聲速剖面和不同海底山地高度情況下的聲線圖和聲傳播損失圖Fig.8 Ray trace maps and sound propagation loss maps under the sound velocity profile with a leaping layer and differrent heights of undersea mountain

圖9為不同海地山體高度對吊放聲吶作用距離的影響。

圖9 帶有躍變層的聲速剖面下海底山體高度對主動探測距離的影響Fig.9 Influence of the height of undersea mountain on active detection distance under the sound velocity profile with a leaping layer

(1) 由于帶有躍變層的聲速梯度的分布的特點(diǎn)為聲線在0～60 m時向上彎曲，在60 m以下時向下彎曲。

當(dāng)?shù)醴怕晠鹊纳疃葹?0 m時，根據(jù)圖8和圖9可以得到兩點(diǎn)結(jié)論：

(a) 山體以上區(qū)域。山體表面的存在，導(dǎo)致向下傳播的聲線發(fā)生反射，向海面聚集，山體越高，海面聚集的聲線越多，根據(jù)圖9可以看出，潛艇航行在0～60 m深度時，隨著山體高度的增加，聲吶裝備在海面附近的作用距離也不斷增加。

(b) 山體以下區(qū)域。由于山體的阻隔，導(dǎo)致聲線無法穿過山體到達(dá)海山的另一側(cè)，所以根據(jù)圖8(b)、8(d)、8(f)、8(h)可以看出，在山體另一側(cè)出現(xiàn)大面積的影區(qū)。

(2) 海底山體的出現(xiàn)會導(dǎo)致山體另一側(cè)出現(xiàn)大面積的影區(qū)，利于潛艇的規(guī)避。因此為了減少影區(qū)面積，需要通過減少吊放聲吶的入水深度來增加山體另一側(cè)的聲線數(shù)量，進(jìn)而提高吊放聲吶的探潛效率。

2.2.2 海底地形為高斯分布的海盆

圖10為海底海盆深度分別為50、100、150 m時聲線傳播和聲傳播損失圖。由于深度為0時與海底山體相同，將不在圖10中列舉。

圖 11為不同海盆深度對吊放聲吶作用距離的影響。

(1) 由于聲線向下傳播，由圖 10(a)、10(c)、10(e)可以看出，隨著海盆深度的不斷增加，海盆中的聲線不斷聚集，在海盆上方海面形成了大面積的影區(qū)，并且由于海盆對聲線的吸收，造成聲線的數(shù)量在海盆的另一側(cè)減少，相對于平坦海底，聲吶設(shè)備的作用距離會隨著海盆深度的增加不斷降低。

圖10 帶有躍變層的聲速剖面不同海盆深度和情況下的聲線圖和聲傳播損失圖Fig.10 Ray trace maps and sound propagation loss maps under the sound velocity profile with a leaping layer and different undersea basin depths

(2) 從圖11可以看出，當(dāng)海底平坦時，吊放聲吶對處在同一平面的潛艇具有最大探測距離，當(dāng)海底地形為海盆時，吊放聲吶對航行在深度較淺的潛艇具有較大的探測距離，當(dāng)潛艇航行深度較淺時，會容易被反潛設(shè)備發(fā)現(xiàn)，因此為了躲避反潛設(shè)備的搜索，充分利用地形，潛艇應(yīng)盡量航行在躍層以下，并且盡量避免與搜潛設(shè)備處在同一平面。

圖11 帶有躍變層的聲速剖面下海盆深度對主動探測的影響Fig.11 Influence of undersea basin depth on active detection under the sound velocity profile with a leaping layer

3 結(jié) 論

本文通過分析淺海海底地形下聲傳播特性，利用射線聲學(xué)模型仿真了不同高度和不同深度海底山體、海盆兩種典型地形下聲傳播特性和對吊放聲吶主動探測距離的影響。同時根據(jù)聲傳播特性分析了不同地形下潛艇規(guī)避聲吶設(shè)備搜索最有可能航行的區(qū)域，為后續(xù)反潛作戰(zhàn)中如何最大概率地探測到潛艇提供了可行性方案。海底地形僅是影響聲吶作用距離一個因素，在本文的基礎(chǔ)上，考慮海面形狀對聲吶設(shè)備作用距離的影響將是下一步研究的重點(diǎn)。