海底底質對聲納探測性能的影響分析?

徐 妍 王英志 黃佳維 范培勤

（1.海軍參謀部電子對抗雷達聲納局 北京 100841）

（2.海軍工程大學 武漢 430033）（3.海軍潛艇學院 青島 266019）

海底底質對聲納探測性能的影響分析?

徐 妍1王英志1黃佳維2范培勤3

（1.海軍參謀部電子對抗雷達聲納局 北京 100841）

（2.海軍工程大學 武漢 430033）（3.海軍潛艇學院 青島 266019）

海底底質參數對水下聲學傳感器的性能發揮具有顯著的影響，論文從海底沉積層物理特性的主要參數出發，結合水聲傳播模型，通過仿真計算，分析了海底底質參數對在不同聲速剖面類型下的聲納探測性能的影響。

海底底質；聲納探測；影響

1 引言

海底作為海洋聲信道的下界面，海底結構、地形和沉積層等要素對水下聲傳播有著重要影響，在淺海環境下，這種影響尤為顯著［1］。了解海底沉積物的物理特性以及它與聲學參數的關系，對聲納作用距離的預報以及水聲環境效應方面的研究及其重要。理論上講，要精確地描述海底底質對水下聲傳播產生影響，需要精確的獲取所有的海底底質參數，這在實際應用中不可能做到，本文主要從海底沉積層物理特性的主要參數出發，分析了海底底質參數對聲納探測性能的影響。

2 海底底質及其對聲納性能的影響

2.1 海底底質分類

海底沉積層聲學參數主要包括：厚度、密度、聲速和吸收系數等［1～3］。目前，對于沉積物物理特性究竟怎樣影響聲速，至今還未能取得一致公認的令人滿意的理想結果，大量的科研人員通過實驗室測量和海上現場測量，已積累了大量的海底底質數據，并總結出了一些規律［4～11］。Hamilton 把聲速按陸架和陸坡、深海丘陵和深海平原三類，分別給出由平均顆粒度、孔隙度、密度和粘土含量預報聲速的經驗公式，并給出了海底沉積層的分類標準［6］，如表1所示。

2.2 海底反射損失

海底沉積層厚度差別很大，在零米到數千米的范圍內變化。沉積層的物理性質對聲傳播的影響是水聲環境效應研究所關心的問題。海底反射損失是海底沉積層的重要物理量，是水聲環境仿真分析與聲納性能預報的重要環境參數。海底的聲反射性能取決于海底沉積物的密度ρ，聲速C以及吸收系數α。對于均勻液態海底可以得到瑞利反射系數［12］：

表1 海底沉積層Hamilton分類

由公式可見，海底反射性能與折射率n的關系極大，對于“高聲速”海底（n＜1），有全反射，對于“低聲速”海底（n＞1），則無全反射，但有一個全透射角。因此，在小掠射角時，“高聲速”海底具有較好的反射性能，而“低聲速”海底則較差。海底反射系數與掠射角關系較大，我國水聲工作者根據大量實驗數據得出，沉積層的反射系數與掠射角的關系有如下特性［3］：

式中：Q為小掠射角時反射損失斜率，φ*為“顯著反射區”及“弱反射區”的分界角，-ln ||Vb為大掠射角時的常數反射損失。

2.3 海底地聲參數對聲納探測性能的影響分析

為了研究海底地聲參數對聲納探測效能的影響，在不同聲速剖面下，對表1給出的9種海底底質下聲納作用距離的影響進行了統計分析（傳播模型：BDRM，頻率：1000Hz；聲源深度、目標深度：0～100m，間隔：5m，求平均值），圖1～4分別給出了正聲速梯度、負聲速梯度、均勻層聲速梯度、聲道形聲速梯度下不同海底地質類型的聲納探測性能仿真結果。

從圖中可以看出，聲納作用距離隨海底底質的變化呈規律性的變化，具體為：

1）隨海底底質類型的變化，聲納作用距離呈現增加，減小，再增加的變化規律，且同樣的條件下，第一種海底底質下聲納作用距離最小，第九種海底底質下聲納作用距離最大。

2）靠近海底的聲速呈正梯度變化時，不同海底底質下聲納作用距離的變化不大，呈負梯度變化時，不同海底底質下聲納作用距離的變化較大。

圖1 正梯度聲速剖面不同海底底質聲納作用距離統計

圖2 負梯度聲速剖面不同海底底質聲納作用距離統計

圖3 聲道型聲速剖面不同海底底質聲納作用距離統計

圖4 均勻層聲速剖面不同海底底質聲納作用距離統計

這主要是由于當靠近海底的聲速剖面是正梯度時，聲線向海面方向反轉，接觸到海底的聲線數減少，從而海底對聲場的影響減小。反之，當靠近海底的聲速剖面呈負梯度時，聲線向海底方向反轉，接觸到海底的聲線數增加，從而海底對聲場的影響增加。

3 結語

本文從海底沉積層物理特性的主要參數出發，通過仿真統計，分析了海底底質參數對聲納探測性能的影響。通過仿真分析發現，淺海環境下，海底底質對負聲速梯度下的聲納探測性能具有較大的影響。海底地質對水下聲傳播的影響機理非常復雜，本文僅考慮了海底沉積層物理特性的主要參數對聲納探測性能的影響，海底底質對水下聲傳感器的精細化影響還需加強研究。

［1］劉伯勝，雷家煜.水聲學原理（第二版）［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2009.8.

［2］汪德昭，尚爾昌.水聲學（第二版）［M］.北京：科學出版社，2013.

［3］尤立克.水聲原理［M］.哈爾濱：哈爾濱船舶工程學院出版社，1990.

［4］Hampton L L.Physics of sound in marine sediments［M］.Springer，1974.

［5］Hampton L L.Acoustic properties of sediments［J］.JASA，1967，42（4）：1993.

［6］Hamilton E L.Compressional-wave attenuation in marine sediments［J］.Geophy，1972，37（04）：620-645.

［7］尚爾昌.海底反射參數對平均場強結構的控制［J］.海洋學報，1979.1（1）：58-64.

［8］關定華.均勻層淺海聲場域海底反射損失的關系［J］.海洋學報1979.1（1）：54-59.

［9］彭臨慧，趙燕鵬，郁高坤.聲波在水—多孔介質海底截面上的反射與投射［J］.中國海洋大學學報（自然科學版），2007，37（4）：671-675.

［10］趙敏，胡長青，屈科.淺海海底單參數模型分析與研究［J］.聲學技術，2014，33（6）：494-498.

［11］周鴻濤，魏仕儼，楊燕明，洪濤.用定深爆炸聲源反演海底聲學參數［J］.應用海洋學報.2015，34（4）：586-593.

［12］劉孟庵，連立民.水聲工程［M］.杭州：浙江科學技術出版社，2002.

Influence of Seabed Sediment on Sonar Detection Performance

XU Yan1WANG Yingzhi1HUANG Jiawei2FAN Peiqin3
（1.Bureau of EW Radar and Sonar，Staff Department of PLA Navy，Beijing 100841）
（2.Naval University of Engineering，Wuhan 430033）（3.Navy Submarine Academy，Qingdao 266199）

The performance of underwater acoustics sensor is notable impacted by the seabed sediment parameters，this paper from the major parameters of seabed deposit physical characteristic，combines underwater acoustics travelling model，through simulation and calculate，analysises the impact of seabed sediment parameters to sonar detect performance.

seabed sediment，sonar detec，impact analysis

P715

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.029

Class Number P715

2017年5月20日，

2017年6月21日

徐妍，女，碩士，工程師，研究方向：水聲工程。王英志，男，博士，參謀，研究方向：水聲工程。黃佳維，男，碩士，講師，研究方向：計算機應用技術。范培勤，男，博士，高級工程師，研究方向：海洋環境效應。