南海聲速剖面及其對吊放聲納作用距離的影響*

劉 敏 曾源春 董彩萍 陳宇豪 司軍偉

（1.海軍航空大學(xué) 煙臺 264001）（2.91856部隊 上海 201900）（2.92635部隊 青島 266100）

1 引言

目前，我國海域，特別是南海海域正面臨著復(fù)雜的水下威脅，同時由于各種潛艇降噪、消聲等技術(shù)，使得聲納對潛艇的探測難度越來越大。為了應(yīng)對復(fù)雜的海上形勢，我們需要不斷地提高裝備的作戰(zhàn)使用效能。同時，由于海洋環(huán)境的復(fù)雜多變，實際的聲傳播特性會隨著時間、空間以及目標(biāo)的不同而千差萬別，從而使得裝備的使用也必須要因時因地靈活改變。因此有必要對我國周邊海域的實際海洋環(huán)境特性進(jìn)行長期的測試，分析研究并其統(tǒng)計特性，從而有效地指導(dǎo)裝備的使用［1］。

本文以Argo浮標(biāo)在南海東北部，北緯21.058°、東經(jīng)118.971°附近海域10 個月的實測溫深數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)展開研究，首先計算其聲速剖面數(shù)據(jù)，分析其統(tǒng)計特性；然后基于BELLHOP 模型計算其聲傳播損失，分析研究航空吊放聲納在該海域的作用距離特征，為吊放聲納在該海域附近的作戰(zhàn)使用提供參考，也為其它海域Argo 數(shù)據(jù)的分析和研究提供方法參考。

2 數(shù)據(jù)來源

Argo 計劃自2000 年底實施，是全球海洋觀測系統(tǒng)中的一個實驗計劃，該計劃將在全球海洋中布放3000 個Argo 浮標(biāo)，提供全球海洋2000m 深度以上的次表層溫、鹽度資料，目的就是為了加深對海洋氣候的系統(tǒng)認(rèn)識。中國Argo計劃從2002年初組織實施，早期主要使用進(jìn)口Argo 浮標(biāo)，使用Argos和Iridium 衛(wèi)星接收數(shù)據(jù)。2014 年起，研制國產(chǎn)Argo 浮標(biāo)，數(shù)據(jù)直接通過“北斗剖面浮標(biāo)數(shù)據(jù)服務(wù)中心”接收［2］。本文就以國產(chǎn)Argo浮標(biāo)的測試數(shù)據(jù)展開分析。

2.1 數(shù)據(jù)點的選擇

南海位于北太平洋西部邊緣，南起赤道附近，平均水深1200m，水深超過1000m 的中央東北-西南走向的菱形海盆約占總海域其余海區(qū)面積的1/2［3］。

本文選擇南海菱形盆地東北部，北緯21.058°、東經(jīng)118.971°，距東沙群島方位81°，224.75km 附近，深度2100m 左右，如圖1 所示。該海域東北面通過臺灣海峽與東海相連，東面通過巴林塘海峽與太平洋相連，距美駐日沖繩基地僅986.7km，是各國艦船航線必經(jīng)之地，具有一定研究價值。

圖1 浮標(biāo)投放區(qū)域

2.2 實測數(shù)據(jù)

2020年8 月至2021年5月，使用Argo浮標(biāo)持續(xù)對目標(biāo)海域進(jìn)行垂直方向的溫深數(shù)據(jù)觀測，共計采集到長達(dá)10 個月的實測數(shù)據(jù)，測試間隔設(shè)置為五天，在扣除個別時間的特異值后，測試期間每個月樣本容量如下：8 月份6 個，9 月份6 個，10 月份6個，11 月份6 個，12 月份6 個，1 月份6 個，2 月份6個，3月份6個，4月份6個，5月份5個，共計59組數(shù)據(jù)。圖2 為中國Argo 實時資料中心部分溫深鹽原始數(shù)據(jù)［1］。

圖2 浮標(biāo)部分溫深鹽原始數(shù)據(jù)

3 數(shù)據(jù)分析與處理

為了深入了解測試點聲速剖面特性，本小節(jié)分別從季節(jié)變化和月變特征的角度，對該海域的聲速剖面數(shù)據(jù)展開分析。

3.1 威爾遜公式

大多數(shù)情況下，海水中聲速平均值近似等于1500m/s，但是在不同的環(huán)境下，海水聲速值也會隨之變化，其中影響聲速的主要因素為溫度，鹽度和壓力等。本文應(yīng)用威爾遜公式來計算測試點的聲速剖面，具體為［4］

上式中，C 為聲速，T 為溫度（℃）、S 為鹽度（‰）、D為深度（m）、P為壓強(qiáng)（Pa）。

3.2 測試點海域聲速剖面結(jié)構(gòu)分析

經(jīng)過計算和分析，發(fā)現(xiàn)該海域的聲速剖面圖符合典型的Munk SOFAR 聲道聲速剖面圖結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的分層特性，如圖3所示。

圖3 測試點典型聲速剖面結(jié)構(gòu)圖（2021/2/21，上圖為北緯21.058°，東經(jīng)118.971°）

由圖3 可知，該海域聲速剖面圖可分為混合層，主躍層和深海等溫層。混合層由于風(fēng)浪和湍流作用溫度較為均勻，聲速主要影響因素為壓強(qiáng)，故形成了正聲速梯度變化。隨著深度的增加，進(jìn)入主躍層后，風(fēng)浪作用顯著減小，溫度影響增強(qiáng)，該范圍內(nèi)水體得不到來自陽光的熱量補(bǔ)充，進(jìn)而隨深度增加，溫度逐漸減小，形成負(fù)聲速梯度。

另外，Munk SOFAR 聲道聲速剖面圖最重要的特點之一是存在一個聲速極小值，其所在深度稱為聲道軸，在聲道軸的上下方分別會出現(xiàn)聲速負(fù)梯度以及聲速正梯度。通過折射定律可知，聲線的傳播軌跡，會彎向聲速減小的方向，因此聲道內(nèi)的小掠射角聲線將由于聲速梯度的變化被限制于聲道內(nèi)傳播，非常有利于水聲信號的遠(yuǎn)距離傳播。通過對十個月的數(shù)據(jù)按月分組，剔除第一個樣本（采集深度過淺，只有294.6m），然后進(jìn)行月平均，得到2020年7 月26 日至2021 年5 月3 日期間內(nèi)每月平均聲道軸深度的變化情況，如圖4所示。

圖4 測試點月平均聲道軸深度

從圖4 可以看出，在觀測期間，不同季節(jié)平均聲道軸的變化比較顯著，其月平均值范圍為960.72m～1158.72m，大多集中在1100m 左右，最高值出現(xiàn)在12 月，其數(shù)值為1158.72m，最低值出現(xiàn)在5月份，數(shù)值為960.72m。

3.3 測試點聲速剖面月變化特征分析

為了獲取水體混合層變化趨勢，為吊放聲納布放深度做出建議，在分析排除特異值數(shù)據(jù)后，統(tǒng)計得出了聲速剖面的月平均分布圖，如圖5 所示。將數(shù)據(jù)按照陽歷3～5 月為春季，6～8 月為夏季，9～11 月為秋季，12～2 月為冬季的規(guī)律進(jìn)行季節(jié)劃分，這里僅列出4 月、8 月、10 月和1 月份的平均分布圖。

圖5 測試點月平均聲速剖面圖

混合層出現(xiàn)較為強(qiáng)烈的季節(jié)性變化，總體深度大約在60m～80m。在秋季以及春季混合層出現(xiàn)負(fù)聲速梯度或者微弱的正聲速梯度，如圖中的（a）、（d）所示。相反在冬季以及初春，混合層出現(xiàn)正聲速梯度，如圖中的（b）、（c）所示。通過查詢中國臺風(fēng)網(wǎng)歷史資料顯示，2020 年7 月沒有臺風(fēng)生成，而進(jìn)入八月份，臺風(fēng)數(shù)量明顯偏多，特別是十月，相繼生成了七個臺風(fēng)，追平了歷史同期數(shù)量。因此，這段時間風(fēng)浪的攪拌作用明顯，形成的混合層溫度較為均勻，受溫度影響較小，受壓力影響大，形成負(fù)聲速梯度。而進(jìn)入冬季，生成以及增強(qiáng)臺風(fēng)的有利條件減少，導(dǎo)致風(fēng)流攪拌作用減小，溫度成為影響聲速主要條件，出現(xiàn)正聲速梯度。

4 吊放聲納最佳工作深度分析

4.1 吊放聲納的作用距離模型

吊放聲納多工作于主動模式，主動聲納方程為［5］

優(yōu)質(zhì)因數(shù)如下：

其中SL 為聲納聲源級，TL 為傳播損失，TS 為目標(biāo)強(qiáng)度，NL為海洋環(huán)境噪聲級，DI為探潛設(shè)備接收指向性指數(shù)，DT為檢測閾。在搜潛過程中，當(dāng)FOM ≥TL時，即優(yōu)質(zhì)因數(shù)大于傳播損失時，任務(wù)系統(tǒng)判定為設(shè)備搜索到潛艇目標(biāo)。

4.2 吊放聲納最佳入水深度分析

本節(jié)利用BELLHOP模型對目標(biāo)海域水聲場進(jìn)行仿真［6］，仿真參數(shù)設(shè)置如下：吊放聲納的發(fā)射初始掠射角為±30°，在垂直方向0～300m 范圍內(nèi)每隔3m 均勻放置100 個接收機(jī)，在水平方向上0～5km范圍內(nèi)每隔100m 均勻放置50 個接收機(jī)，聲束柱數(shù)Beams=1000，吊放聲納發(fā)射頻率為2kHz，聲源級SL=220dB，潛艇目標(biāo)強(qiáng)度TS=20dB，檢測閾DT=20dB，指向性指數(shù)NI=20dB，海洋環(huán)境噪聲NL=50dB［7～8］。

根據(jù)圖5 的數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知，該海域海體表面混合層厚度60m～100m，考慮到實際潛艇運行時會針對航空反潛平臺利用主躍層做戰(zhàn)術(shù)規(guī)避動作，航行深度應(yīng)該會大于混合層厚度。另外，由于潛艇制造工藝不同，其航行工作深度也會有限制，此處以中型潛艇為例進(jìn)行研究，因此本文中潛艇的安全航行深度取150m～250m，在此區(qū)域內(nèi)每隔10m 取點作為潛艇航行深度進(jìn)行研究［9～10］。

選取2021 年3 月21 日所獲樣本數(shù)據(jù)為例，該樣本混合層厚度為73m，混合層呈正聲速梯度變化，混合層與主躍層交界處出現(xiàn)最大聲速1524.46m/s，深度繼續(xù)增加，呈現(xiàn)負(fù)聲速梯度變化。利用BELLHOP仿真模型［11～2］進(jìn)行計算，仿真得到吊放聲納在布放深度為80m，潛艇目標(biāo)深度為170m 時，聲線的傳播損失圖（如圖6）和FOM-TL隨距離變化圖（如圖7），可以看出，此時吊放聲納的最大探測距離為2872.13m。

圖6 聲線軌跡圖

圖7 深度為170m時傳播損失圖

將吊放聲納布設(shè)深度設(shè)定為80m～200m，潛艇航行深度設(shè)定為150m～250m，在此范圍內(nèi)，每隔十米作為樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行研究計算，得出潛艇在不同深度下，吊放聲納布放深度對探潛距離的影響。獲得共計143組數(shù)據(jù)，建立與之對應(yīng)的三維圖，如圖8所示。

圖8 探測距離與目標(biāo)深度和吊放聲納深度的關(guān)系圖

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在該聲速剖面條件下，探潛設(shè)備的布放深度能很大程度地影響吊放聲納的探測距離。布放深度越深，能擁有對航行深度較深的潛艇更好的探潛效果。

5 結(jié)語

針對實際使用中探潛設(shè)備使用深度不科學(xué)等問題，本文從全球海洋Argo 系統(tǒng)野外科學(xué)觀測研究站批量獲取北緯21.058°，東經(jīng)118.971°附近海域10 個月內(nèi)共計59 組數(shù)據(jù)，并利用威爾遜公式進(jìn)行計算，得到每組數(shù)據(jù)的聲速剖面圖。在此基礎(chǔ)上，首先詳細(xì)分析了該海域的聲速剖面結(jié)構(gòu)和月統(tǒng)計特性，發(fā)現(xiàn)其聲速剖面服從Munk SOFAR 聲道聲速剖面特性，其月平均值范圍為960.72m～1158.72m等結(jié)論。然后利用BELLHOP 水聲傳播模型，利用聲納方程，分析了該海域吊放聲納作用距離與投放深度、目標(biāo)深度等之間的關(guān)系，為實際吊放聲納的使用提供參考和依據(jù)。