海洋環(huán)境對(duì)吊放聲納作戰(zhàn)使用影響研究

（解放軍總參謀部水文氣象局，北京 100083）

在現(xiàn)代反潛技術(shù)中，航空反潛以其具有速度快、搜索范圍廣、機(jī)動(dòng)靈活、不易受攻擊、作戰(zhàn)效率高等優(yōu)勢(shì)，受到世界各國(guó)海軍重視，吊放聲納是反潛直升機(jī)的主要反潛裝備，具有被動(dòng)和主動(dòng)兩種工作狀態(tài)，其對(duì)潛探測(cè)能力與裝備的戰(zhàn)技性能、作戰(zhàn)海域海洋環(huán)境因素、潛艇目標(biāo)特性、反潛戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用等有關(guān)[1]。通過對(duì)作戰(zhàn)海域海洋環(huán)境因素的分析，為合理選擇吊放聲納的工作深度、科學(xué)評(píng)估吊放聲納對(duì)潛探測(cè)距離提供依據(jù)。

1 聲納方程

主動(dòng)和被動(dòng)聲納方程可分別表示如下[2]：

式(1)、(2)中：各項(xiàng)均以分貝數(shù)（dB）表示。其中，TL表示傳播損失；SL表示發(fā)射聲源級(jí)；SL1為潛艇輻射噪聲的聲源級(jí)；NL表示背景噪聲級(jí)，包括海洋環(huán)境、混響和艦艇的自噪聲等；DT表示聲納設(shè)備的檢測(cè)閾，即判斷有信號(hào)時(shí)所必須的最小信噪比；DI表示聲納設(shè)備的指向性指數(shù)；TS表示目標(biāo)強(qiáng)度，即反映聲波照射到潛艇以后反射回去的能力。

由傳播損失與探測(cè)距離的關(guān)系式，可以推導(dǎo)出聲納探測(cè)距離r[1]，即：

主動(dòng)聲納探測(cè)距離為：

被動(dòng)聲納探測(cè)距離為：

探測(cè)距離是指聲納在一定條件下，能有效地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測(cè)量目標(biāo)的最大距離，是表示吊放聲納對(duì)潛探測(cè)能力的主要指標(biāo)。

2 海況對(duì)吊放聲納工作深度的影響

在不同海洋環(huán)境條件下，吊放聲納探測(cè)深度和聲納浮標(biāo)懸浮深度是決定聲納探測(cè)效能的一個(gè)重要因素。吊放聲納的纜長(zhǎng)一般小于450 m，聲納浮標(biāo)一般有3個(gè)懸浮深度段位（如30 m、50 m、150 m）。可根據(jù)聲速的垂直分布梯度的拐點(diǎn)來決定吊放聲納和聲納浮標(biāo)的最佳探測(cè)深度；淺海條件下，確定海深中點(diǎn)為最佳探測(cè)深度。圖1所示為正聲速梯度聲速分布剖面時(shí)，吊放聲納的最佳探測(cè)深度取100 m，聲納浮標(biāo)的最佳探測(cè)深度為50 m 或150 m。圖2所示為反聲道聲速分布剖面時(shí)，吊放聲納最佳探測(cè)深度取136 m，聲納浮標(biāo)的最佳探測(cè)深度為150 m。

圖1 正聲速梯度聲速分布剖面

圖2 反聲道聲速分布剖面

3 海洋環(huán)境噪聲對(duì)吊放聲納探測(cè)能力的影響

海洋環(huán)境噪聲是聲納探測(cè)的一種干擾背景聲場(chǎng)，其產(chǎn)生因素是多種多樣的，通常包括潮汐、涌浪所引起的壓力波、湍流引起的壓力脈動(dòng)、地震活動(dòng)、分子熱運(yùn)動(dòng)、海洋中生物的群體活動(dòng)，以及近海灣或港口處工業(yè)活動(dòng)引起的人為噪聲、進(jìn)出港口船只的噪聲等。海洋環(huán)境噪聲及其頻譜分布特征的準(zhǔn)確值通過實(shí)際測(cè)量得到，是隨時(shí)域—頻域—空域變化的量。在估計(jì)吊放聲納探測(cè)能力過程中，一般利用一些數(shù)值模型（ANDES模型和AMBENT模型等）進(jìn)行計(jì)算，也可通過參考一些實(shí)際測(cè)量曲線獲得，還可借助某些經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行測(cè)算。本文由下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算淺海中海洋環(huán)境噪聲級(jí)[3-5]。

由上式可知，海洋環(huán)境噪聲級(jí)由聲信號(hào)發(fā)射頻率f /kHz 和海況等級(jí)S (S=0,1,2,…,9)決定。

將海洋環(huán)境噪聲級(jí)公式代入主/被動(dòng)聲納作用模型，可仿真分析海洋環(huán)境參數(shù)（海況等級(jí)S）與主/被動(dòng)聲納作用距離之間的關(guān)系。

4 仿真

仿真1：海況對(duì)主動(dòng)聲納探測(cè)能力的影響。設(shè)主動(dòng)聲納信號(hào)聲源級(jí)為230 dB，接收機(jī)檢測(cè)閾值為12 dB，接收指向性指數(shù)8 dB，目標(biāo)強(qiáng)度20 dB，水深250 m，混合層深度50 m，換能器發(fā)射深度為80 m，接收深度為80 m，Tρ的取值為每反射一次衰減3 dB，聲速梯度0.017/s，聲速1 500 m/s，KL的取值為4 dB。當(dāng)發(fā)射頻率為5 kHz，海況從0級(jí)到9級(jí)變化時(shí)，主動(dòng)聲納有效探測(cè)范圍變化曲線見圖3。

圖3 主動(dòng)聲納有效探測(cè)范圍與海況的變化曲線

仿真2：海況對(duì)被動(dòng)聲探潛裝備探測(cè)能力的影響。設(shè)一水下目標(biāo)的輻射噪聲聲源級(jí)為170 dB，接收機(jī)檢測(cè)閾值12 dB，接收指向性指數(shù)0 dB，水深250 m，混合層深度50 m，目標(biāo)深度200 m，被動(dòng)接收深度80 m，Tρ的取值為每反射一次衰減3 dB，聲速梯度0.017/s，聲速1 500 m/s，KL的取值為4 dB。當(dāng)被動(dòng)聲信號(hào)頻率為1 kHz，海況從0級(jí)到9級(jí)變化時(shí)，被動(dòng)聲納有效探測(cè)范圍變化曲線見圖4。

圖4 被動(dòng)聲納有效探測(cè)范圍與海況的變化曲線

仿真3：工作深度對(duì)主動(dòng)聲探潛裝備作用距離的影響。考慮收發(fā)合置換能器，即接收深度始終與發(fā)射深度相同，水聲條件見圖5。設(shè)主動(dòng)聲納信號(hào)聲源級(jí)為230 dB，接收機(jī)檢測(cè)閾值為12 dB，接收指向性指數(shù)8 dB，目標(biāo)強(qiáng)度20 dB，水深250 m，海況為2級(jí)，發(fā)射換能器指向性開角為±10°，發(fā)射頻率為1 kHz。在此條件下，當(dāng)聲納工作深度從20 m以10 m為間隔變化到200 m時(shí)，主動(dòng)吊放聲納的搜索半徑變化曲線如圖6所示。

圖5 水聲條件

圖6 主動(dòng)聲納有效搜索半徑與聲源深度的變化曲線

由圖6可以看出，在圖5的水聲條件下，主動(dòng)吊放聲納最大的作用距離幾乎以同樣的數(shù)值出現(xiàn)在兩個(gè)具有聲速最小值的深度上，其中吊放聲納工作深度位于150 m 深處時(shí)的作用距離稍大，這是因?yàn)榈醴怕暭{工作深度位于50 m 深度時(shí)，仍然會(huì)有一小部分初始掠射角比較大的聲線會(huì)被海面反射，造成一些能量的損失；而當(dāng)?shù)醴怕暭{工作深度到了150 m 深度時(shí)，距離海底和海面都有一定距離，聲線有足夠的反轉(zhuǎn)厚度，使得僅有少量聲線經(jīng)海面反射，而且在150 m 到海底之間這樣大的正聲速梯度下，所有初始掠射角為負(fù)的聲線均能在到達(dá)海底以前反轉(zhuǎn)回來，沒有海底反射損失，使得作用距離可以很大。作用距離的最小值出現(xiàn)在吊放聲納工作深度位于200 m的情況下，這是因?yàn)榇藭r(shí)不論是海底反射還是海面反射都非常強(qiáng)烈，能量損失很大。

仿真4：工作深度對(duì)被動(dòng)聲探潛裝備作用距離的影響。水聲條件見圖5，設(shè)接收機(jī)檢測(cè)閾值為12 dB，接收指向性指數(shù)0 dB，水深250 m，海況為2級(jí)，潛艇噪聲聲源級(jí)為150 dB，聲信號(hào)頻率為500 Hz，在此條件下，當(dāng)目標(biāo)深度150 m，吊放聲納以被動(dòng)方式工作，工作深度從20 m 以10 m為間隔變化到200 m時(shí)，被動(dòng)聲納的搜索半徑變化曲線如圖7所示。由圖7可以看出，在圖5的水聲條件下，被動(dòng)聲納的作用距離大體上隨其工作深度的增加而增加，到200 m時(shí)達(dá)到最大值，其主要原因是此時(shí)目標(biāo)位于假設(shè)的最大聲納工作深度200 m，而聲匯聚區(qū)又恰好是在大約210 m 深度形成的。

圖7 被動(dòng)聲納有效搜索半徑與工作深度的變化曲線

5 結(jié)論

作戰(zhàn)海域海洋環(huán)境變化是時(shí)域—空域—頻域變化的，特別是作戰(zhàn)海域聲速梯度變化，直接影響航空聲探潛裝備的最佳工作深度，并進(jìn)而影響其探測(cè)能力；作戰(zhàn)海域海況影響海洋環(huán)境噪聲，直接影響主被動(dòng)聲探潛裝備的探測(cè)能力。因而，合理利用海洋環(huán)境條件，可以有效保障航空聲探潛裝備的探測(cè)能力。

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