基于HMG法的被動聲吶淺海探測距離預(yù)報

高　飛，潘長明，李勝全，孫　磊，陳符森，2

（1.海軍海洋測繪研究所，天津，300061；2.解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京，211101）

基于HMG法的被動聲吶淺海探測距離預(yù)報

高飛1，潘長明1，李勝全1，孫磊1，陳符森1，2

（1.海軍海洋測繪研究所，天津，300061；2.解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京，211101）

基于HMG法并將實測數(shù)據(jù)與模型仿真相結(jié)合，以評估海洋“水聲環(huán)境效應(yīng)”對聲吶探測距離的影響。文章首先基于聲吶方程闡述 HMG法預(yù)報原理，給出其聲吶參數(shù)組合表達式；然后結(jié)合東海淺水區(qū)域水聲調(diào)查構(gòu)建海洋環(huán)境背景場，分析其水體及邊界聲學(xué)參數(shù)分布；最后，利用實測數(shù)據(jù)驗證Kraken水聲傳播數(shù)值模型及風(fēng)生噪聲經(jīng)驗?zāi)Ｐ停⒏鶕?jù)HMG法模擬預(yù)報海面風(fēng)速、聲速剖面對被動聲吶探測距離的影響。研究結(jié)果表明: HMG法可較好模擬“水聲環(huán)境效應(yīng)”對聲吶探測距離的影響；傳播損失和環(huán)境噪聲隨海面風(fēng)速增加而增大，從而降低了聲吶探測距離；聲速剖面通過影響聲能邊界損失作用于探測距離，垂向均勻的聲速剖面環(huán)境中探測距離最大。文中研究可為被動聲吶水下探測及水下航行器的隱蔽航行研究提供參考。

水下航行器；HMG法；被動聲吶探測；水聲環(huán)境效應(yīng)；水聲調(diào)查；聲速剖面

0　引言

聲波在水下環(huán)境中所表現(xiàn)出的普遍、異常變化特征和規(guī)律及其影響即水聲環(huán)境效應(yīng)［1］。“水聲環(huán)境效應(yīng)”對聲信道聲能傳輸特征、聲吶系統(tǒng)水下探測影響顯著，且已被大量研究所證實［2-7］。HMG（hydrology meteorology geology）法［8］用于系統(tǒng)評估“水聲環(huán)境效應(yīng)”對聲吶工作效能的影響，適用于模擬預(yù)報時空多變的海洋環(huán)境中被動聲吶探測距離。

海洋環(huán)境影響著水下聲傳播特征規(guī)律進而作用于聲吶探測效能。分析常見的海洋中尺度現(xiàn)象（中尺度渦［9］、內(nèi)波［10］、溫躍層［11-12］等）及海洋環(huán)境不確定性［13-14］多是從傳播損失角度研究其對聲吶探測效能的影響；對海面風(fēng)、浪［15-16］的研究則是分析海洋環(huán)境噪聲探索背景干擾級對聲吶檢測水下目標(biāo)信號的影響；對海底底質(zhì)分類［17］、地形［18］、粗超度［19］的研究則是從傳播損失、散射的角度評估其對聲吶工作效能的影響。

有關(guān)探測海洋環(huán)境對聲吶工作效能影響的研究也大量展開，Alec［20］以水聲信號處理為切入點，仿真分析海洋環(huán)境參數(shù)擾動對聲吶水聽器能量接收機波動峰值所造成的變化；Paul［21］、Wei［22］、Li［23］等通過構(gòu)建不確定海洋環(huán)境變化規(guī)律模型，與聲吶水下探測相結(jié)合，用以研究海洋環(huán)境不確定性對聲吶檢測精度確定性的影響；李玉偉［24］、岳雷［25］從信號處理模擬研究海洋環(huán)境噪聲對聲吶水下檢測概率、方位角偏離的影響；趙志允［26］、He［27］通過構(gòu)建聲吶檢測概率模型，綜合利用已有的水聲傳播、環(huán)境噪聲級、混響級預(yù)報模型綜合評估海洋環(huán)境背景場對聲吶探測距離和預(yù)報精度的影響；楊小小［28］、戴明強［29］則是從聲吶本身性能參數(shù)及人為因素，利用 ADC（application dependability capability）法、蟻群算法、層次分析法等對聲吶探測進行評估。

HMG法側(cè)重評估“水聲環(huán)境效應(yīng)”對聲吶探測效能的影響，文章從聲吶方程出發(fā)闡述HMG法原理，并以東海某一淺水調(diào)查海域為研究區(qū)域，采用實測數(shù)據(jù)構(gòu)建海洋環(huán)境背景場，進而利用實測傳播損失數(shù)據(jù)、環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)驗證水聲模型，并模擬預(yù)報單因子環(huán)境參數(shù)（風(fēng)速、聲速剖面等）變化對被動聲吶探測距離的影響。

文中的研究貼近真實海洋環(huán)境，結(jié)果可靠性強，可為被動聲吶水下探測及水下航行器的隱蔽航行研究提供參考。

1　HMG法預(yù)報原理

聲吶方程通常可分為主/被動形式［30-31］

式中:TL，BL，SL，TS，AG，DT和NL分別表示傳播損失、背景干擾級、聲源級、目標(biāo)強度、聲吶陣列的增益、檢測閾和環(huán)境噪聲級。其中，BL取值與NL和RL（混響干擾級）相關(guān)

式中: SL，TS，AG和DT為聲吶及水下目標(biāo)的固有屬性，不受海洋環(huán)境影響；TL和BL則反映水聲信道聲波傳輸能力，受海洋環(huán)境影響巨大，是“水聲環(huán)境效應(yīng)”的集中體現(xiàn)。當(dāng)聲吶系統(tǒng)性能已知，能否探測到水下目標(biāo)物取決于“水聲環(huán)境效應(yīng)”的影響，即TL和BL的大小。

水聲信道傳輸介質(zhì)通常可分為水體、海底及海面，三者時空特征差異造成TL和BL的不同分布特征，進而影響聲吶有效探測距離。故可將“水聲環(huán)境效應(yīng)”概括為水文環(huán)境效應(yīng)（hydrology）、氣象環(huán)境效應(yīng)（meteorology）及海底環(huán)境效應(yīng)（geology）之和，分別利用聲學(xué)模型定量研究3種具體環(huán)境中TL和BL的分布特征，即 HMG法整體構(gòu)成。用組合聲吶參數(shù)表示如下

式中: 對于被動聲吶，l=1，m=1，n=0；對于噪聲干擾背景的主動聲吶，l=2，m=1，n=0；對于混響干擾背景的主動聲吶，l=2，m=0，n=1。

結(jié)合式（2）、式（4）可得被動聲吶檢測域

下文分析中，假設(shè) AG=0。當(dāng)聲源級已知時，利用水聲傳播數(shù)值模型、噪聲模型分別模擬具體海洋環(huán)境中的傳播損失和環(huán)境噪聲譜級，則基于式（4）可得被動聲吶HMG值，進而利用式（5）預(yù)報其有效探測距離。

2　海洋環(huán)境背景場

文章選取東海淺水海域水聲調(diào)查中某一實測調(diào)查航線為海洋環(huán)境背景場［12，32］（見圖1）。

圖1　水聲調(diào)查航線位置及邊界要素分布Fig.1　Location of underwater acoustic survey route and distribution of boundary parameters

2.1水聲調(diào)查概況

水聲調(diào)查以走航觀測與定點觀測相結(jié)合的方式進行。調(diào)查項目含聲傳播損失、海洋環(huán)境噪聲、GPS數(shù)據(jù)、溫度、鹽度、密度、水深、海流、海面氣象和海表風(fēng)浪等。

水聲探測浮標(biāo)系統(tǒng)通過海面浮標(biāo)下掛水聽器陣（含 8個不同深度的水聽器），下端以鉛魚固定。調(diào)查船拖曳近似無指向性人工聲源沿調(diào)查航線航行，并發(fā)射不同頻率的聲信號，其中580 Hz聲信號寬度為500 ms，聲源級約為200 dB。

水聲探測浮標(biāo)系統(tǒng)與調(diào)查船均配備 GPS定位系統(tǒng)，可實時觀測兩者位置及相對距離。實時控制拖曳聲源，使其保持在1/2倍水深的深度處。

2.2海洋環(huán)境背景場

以圖1所示的調(diào)查航線為例進行分析。天氣晴，海面浪高2～3 m，東北風(fēng)5～6級。海底底質(zhì)以粉砂質(zhì)粘土為主，水深變化在53～65 m之間。

調(diào)查航線長約 50 km，在其起點、終點處利用CTD （conductive temperature depth）進行溫、鹽、深剖面觀測，走航調(diào)查過程中利用XBT（expendable bathythermograph）觀測溫、深剖面。基于Akima插值法［33］、GDEM（generalized digital environment model）聲速計算法［34］可得調(diào)查航線聲速斷面如圖2。

圖2　海洋環(huán)境背景聲速場Fig.2　The sound speed field of ocean environment background

聲速場整體呈現(xiàn)3層結(jié)構(gòu)，可分為淺層、中層和深層，淺層和深層聲速垂向變幅較小；中層為聲速躍層，聲速大小向下迅速減小，分布于32～40 m深度間。

3　被動聲吶淺海探測距離預(yù)報

首先，基于文中構(gòu)建的海洋環(huán)境背景場，采用實測數(shù)據(jù)驗證水聲模型模擬效果，進而模擬預(yù)報海洋環(huán)境背景場單因子變化時被動聲吶的探測距離。

3.1模型配置及驗證

分析文中的海洋環(huán)境背景場，調(diào)查航線水深較小，且海底地形變化緩慢，故可采用水平不變的 Kraken簡正波理論模型［35］模擬其傳播損失分布特征。簡正波理論采用快速有限差分法精確解算實數(shù)本征值，精度高、速度快，適于工程應(yīng)用。

海表風(fēng)、浪對傳播損失場的影響主要考慮海表粗糙度，忽略水體不均勻性的作用。文章參考文獻［36］海面粗糙度的計算公式

式中:κ為 vonkarman常數(shù)；z0為海面粗糙度，通常取0.35；C10為阻力系數(shù)，且

式中，U10為海面 10 m高處風(fēng)速，經(jīng)計算可得海底粗糙度計算參照文獻［37］。

水體聲吸收系數(shù)αw=0.000 1dB/λ。設(shè)粉砂質(zhì)粘土厚度10 m，ρs=1.650g/cm3，cs=1 700 m/s，往下為無限大基底層，

淺海水聲傳播損失垂向差異小，聲能匯聚特征不明顯，故將其垂向平均，得到的平均傳播損失隨水平距離的變化曲線與實測數(shù)據(jù)對比如圖3。分析圖3中實測數(shù)據(jù)可知，傳播損失隨距離變化總趨勢逐漸增加，局部存在波動現(xiàn)象，同一距離不同水聽器觀測結(jié)果聲強差異在20 dB，Kraken模型輸出結(jié)果與實測數(shù)據(jù)基本吻合。

圖3　模型輸出與實測傳播損失對比Fig.3　Transmission loss comparison between acoustic model and experiment

淺海環(huán)境噪聲源多樣，主要由海表風(fēng)浪、海流、船舶和海洋生物等混合形成，難以用一個“全能”數(shù)學(xué)模型來精確表述［38-39］。聲吶探測過程中可預(yù)先根據(jù)感興趣的水下目標(biāo)物輻射噪聲信號頻帶分布，選擇影響該頻帶區(qū)間的主要環(huán)境噪聲源，并基于對應(yīng)的噪聲源經(jīng)驗公式進行預(yù)報。

100～10 000 Hz頻帶內(nèi)的主要噪聲源為船舶、海上施工及刮風(fēng)下雨。以下預(yù)報仿真中主要考慮風(fēng)生噪聲，故文章引用 Hamson［40］提出的經(jīng)驗公式，李整林等［41］對其進行了修正，使其更適合于國內(nèi)近海風(fēng)生噪聲源級預(yù)報，則

式中: f為頻率；ν為風(fēng)速。

圖4為6級風(fēng)情況下的實測海洋環(huán)境噪聲譜級與經(jīng)驗公式（8）、（9）計算結(jié)果對比，兩者基本相符，實測數(shù)據(jù)微弱偏大，這可能源于水聲調(diào)查海域有往來船舶影響。

圖4　模型輸出與實測環(huán)境噪聲譜級對比Fig.4　Spectral level of ambient noise comparison between acoustic model and experiment

3.2探測距離預(yù)報

設(shè)水下目標(biāo)物為155 dB的窄帶信號（400 Hz）水下航行器，置于航線起點30 m深度處（見圖1）。設(shè)檢測域 DT≥6 dB時，被動聲吶可成功檢測到水下航行器。則基于第2節(jié)構(gòu)建的海洋環(huán)境背景場，下文分析單因子（風(fēng)速、躍層）變化時對聲吶探測距離預(yù)報的影響。

3.2.1不同風(fēng)速時被動聲吶探測距離預(yù)報

圖5為風(fēng)速變化時被動聲吶探測距離預(yù)報曲線，可知風(fēng)速對被動聲吶影響巨大，風(fēng)速微弱時，探測距離可達近百公里；風(fēng)速為 15 m/s時（7級風(fēng)），理論上探測距離僅約為10 km。

圖5　被動聲吶探測距離隨風(fēng)速變化曲線Fig.5　Curve of passive sonar detection range versus wind speed

事實上，風(fēng)速通過作用于傳播損失與海洋環(huán)境噪聲共同影響被動聲吶的工作效能，圖6為海表不同風(fēng)速大小時，傳播損失隨距離的變化曲線，海表風(fēng)力級改變海面粗糙度，同時改變海洋淺層水體介質(zhì)的均勻性，進而改變水聲信道的聲波傳輸能力。 風(fēng)速增長，海洋環(huán)境噪聲級迅速增加（見圖7），掩蓋水下目標(biāo)物的聲信號，導(dǎo)致被動聲吶有效探測距離減小。

圖6　不同風(fēng)速時傳播損失隨距離變化曲線Fig.6　Curves of transmission loss versus range at different wind speed

圖7　不同風(fēng)速時400 Hz環(huán)境噪聲級Fig.7　Ambient noise level at 400 Hz with different wind speed

3.2.2不同躍層時被動聲吶探測距離預(yù)報

文中研究海域位于東海大陸架近海區(qū)域，該區(qū)域冬季出現(xiàn)逆溫躍層，春末夏初溫度垂向混合較均勻，夏秋季節(jié)為典型的淺海正溫躍層［42］。故設(shè)模擬躍層類型如圖8所示，分別為類型1（強負躍層型，即聲速向下迅速減小）、類型2（弱負躍層型）、類型3（無躍層型）、類型4（弱正躍層型）、類型5（強正躍層型）。

圖8　5種類型聲速剖面Fig.8　Five sound speed profiles

躍層類型通過影響傳播損失作用于被動聲吶探測距離。水下聲傳播中，聲線總是彎向聲速減小的方向，在深海可導(dǎo)致匯聚區(qū)與聲影區(qū)的形成。淺海躍層越強，對聲線傳播方向作用越大，導(dǎo)致聲波與邊界作用次數(shù)越多，邊界損失越大。圖 9所示，躍層類型 3聲吶有效探測距離最遠，約47 km，傳播損失最小（見圖10），該類型聲速剖面（均勻聲速剖面）中，聲能邊界損失最小；類型1、類型5聲速剖面環(huán)境中被動聲吶探測距離最小，傳播損失最大（圖10）；類型2、類型4為弱躍層型，被動聲吶探測距離與傳播損失居中。

圖9　被動聲吶探測距離隨躍層類型的變化曲線Fig.9　Curve of passive sonar detection range versus different thermocline

圖10　不同躍層時傳播損失隨距離變化曲線Fig.10　Curves of transmission loss versus range at different thermocline

已有的研究工作認為，負躍層聲吶探測距離最小，正躍層探測距離最大，與文中研究結(jié)論存在一定偏差。源于其將海表假設(shè)為彈性釋放界面，不考慮表層聲能衰減較小所致。文中模擬的是海表5～6級風(fēng)時不同躍層類型對聲吶探測距離的影響，海面風(fēng)速較大導(dǎo)致上邊界傳播損失增大，形成與底邊界相當(dāng)?shù)乃p作用，故類型3被動聲吶探測距離最大。

3.2.3其他因素對被動聲吶探測距離的預(yù)報

當(dāng)被動聲吶工作海域內(nèi)存在往來船舶時，應(yīng)根據(jù)其噪聲源級經(jīng)驗公式計算其噪聲源級，并結(jié)合風(fēng)生噪聲級解算背景噪聲干擾級

式中，SLW，SLS分別為風(fēng)生噪聲、船舶噪聲源級。

海底底質(zhì)類型、沉積層厚度對傳播損失影響較大，利用HMG方法預(yù)報被動聲吶探測距離時，應(yīng)基于其具體分布情形，調(diào)整水聲傳播模型內(nèi)的邊界參數(shù)。

海洋流噪聲影響頻率通常不超過100 Hz，文中模擬400 Hz窄帶水下目標(biāo)物，故不考慮其影響。

4　結(jié)束語

被動聲吶水下探測效能受“水聲環(huán)境效應(yīng)”影響顯著，其有效探測距離與背景噪聲干擾級、傳播損失緊密相關(guān)。文章利用東海水聲調(diào)查某一航線，構(gòu)建海洋環(huán)境背景場；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合水聲數(shù)據(jù)處理及聲吶方程進一步闡述HMG法預(yù)報原理，給出聲吶組合參數(shù)表達式；最后，基于水聲調(diào)查實測數(shù)據(jù)對聲學(xué)模型模擬效果進行驗證，并模擬預(yù)報不同海面風(fēng)速、水體聲速剖面時的聲吶有效探測距離，給出其相應(yīng)的物理形成機制。文章研究內(nèi)容緊密集合實際海洋環(huán)境，理論性強、可靠性高，對被動聲吶水下探測及水下航行器的隱蔽航行具有應(yīng)用價值。

由于海洋水聲環(huán)境的不確定性及時空多變性等特點，對模擬真實海洋環(huán)境中被動聲吶探測效能提出重大考驗，也對水聲模型的選配及其適用性提出很高要求，該領(lǐng)域的工作還有待于進一步深化。

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（責(zé)任編輯: 楊力軍）

Detection Range Prediction of Passive Sonar in Shallow-water Area Based on the HMG Method

GAO Fei1，PAN Chang-ming1，LI Sheng-quan1，SUN Lei1，CHEN Fu-sen1，2
（1.Naval Institute of Hydrographic Surveying and Charting，Tianjin 300061，China；2.College of Meteorology and Oceanography，PLA University of Science and Technology，Nanjing 211101，China）

A research is conducted by combining experiment data and simulation model based on the hydrology meteorology geology（HMG） method to evaluate the influence of the underwater acoustic environment effect on sonar detection range.Firstly，the HMG prediction theory is discussed based on the sonar equation，and a sonar parameters combination expression is proposed.Then，the ocean environment background field is constructed combining with shallow-water acoustic survey in the East China Sea，and its acoustic parameters distribution of the water and boundary are analyzed.Finally，the Kraken's numerical acoustic transmission model and the empirical model of wind-generated noise are verified with measured data，and the passive sonar detection range is simulated for different wind speeds and sound speed profiles with the HMG method.The results show that: 1） the HMG method can simulate the effect of the underwater acoustic environment effect on sonar detection range；2） the transmission loss and ambient noise increase with wind speed at sea surface，which decreases the sonar detection range；and 3） the sound speed profile influences detection range by affecting acoustic boundary loss，and the detection range gets the biggest in vertically uniform sound speed environment.This research may provide a reference for the underwater passive sonar detection and the stealth of an underwater vehicle.

underwater vehicle；hydrology meteorology geology（HMG） method；passive sonar detection；underwater acoustic environment effect；underwater acoustic survey；sound speed profile

TJ630.34；P733.23

A

1673-1948（2016）03-0177-07

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.03.004

2016-02-29；

2016-04-21.

國家自然科學(xué)基金項目（41276088）；國家海洋公益性行業(yè)科研項目（2012050007-7）.

高飛（1988-），男，碩士，主要研究方向為海洋水聲環(huán)境效應(yīng).