海洋環境對聲納系統的影響研究

佟宏偉

摘 要：聲納系統對海洋中目標的探測依賴于海面、水下和海底等海洋環境，聲納系統作用的距離也與海洋的水文環境密切相關，舉個例子來說同樣一部聲納在不同的海域、不同的海洋環境中的探測性能相差十分懸殊。因此，面對復雜多變的海洋環境，我們要想正確熟練的操作聲納裝備就必須充分了解海洋環境和海洋環境對聲納系統的具體影響，這樣才能在深海環境中占據有利的位置。文章作者根據工作經驗，介紹了海洋中水聲環境的復雜性以及聲納裝備的各種特點，并闡述了海洋環境對聲納系統使用性能的影響，最后總結了聲納系統與海洋環境相適應的具體方法和對策以期為相關人員提供一定的借鑒。

關鍵詞：海洋環境；聲納系統；影響；研究

中圖分類號：X834 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）30-0056-02

Abstract： The detection of targets in the ocean by sonar system is dependent on the ocean environment such as sea surface， underwater and seabed. The range of sonar system is also closely related to the hydrological environment of the ocean. For example， the detection performance of the same sonar in different sea areas and different marine environments is very different. Therefore， facing the complex and changeable marine environment， if we want to operate sonar equipment correctly and skillfully， we must fully understand the marine environment and the specific impact of the marine environment on sonar system， in order to occupy a favorable position in the deep-sea environment. From the author's working experience， the complexity of underwater acoustic environment in the ocean and various characteristics of sonar equipment are introduced， and the influence of marine environment on the performance of sonar system is expounded. Finally， the specific methods and countermeasures to adapt sonar system to the marine environment are summarized in order to provide some reference for related personnel.

Keywords： marine environment； sonar system； impact； research

海洋中海面、水下與海底一同形成了一個對聲波傳播十分復雜的信道，海洋中內部復雜的結構以及其上、下表面，對聲音的傳播會產生巨大的影響。另外海洋中海水介質是一種非均勻介質，由于海水本身對聲波的吸收、聲音傳播中聲波不斷的擴散以及各種其他原因，導致聲波在傳播過程中強度隨著時間和距離的擴散逐漸減弱。由于海洋環境的復雜多變，致使聲音信號在海洋中傳遞存在巨大的漲落和畸變，聲納作用的距離和效果與實際海洋環境以及目標等密切相關，因此研究聲納系統是如何根據海洋環境進行聲音傳遞和目標探測的，對于提高聲納系統的傳遞性和探測性具有極其重要的意義。

1 水聲壞境的復雜性

1.1 季節性特點

季節因素對海洋中水聲傳播具有一定的影響，由于各個季節海洋中日照程度、氣溫、海流方向和海洋中風浪大小各不相同，因此聲音的傳播和聲速的變化具有強烈的季節性特點。在這些影響因素中，氣溫對聲音傳播的影響程度最大。通常來說，在冬季海洋中海水表面的溫度較低，聲速分布上看呈正梯度分布，聲線向海面方向彎曲，因此在冬季聲納的探測距離相對較遠，探測效果相對較好。在夏季，白天海面的日照時間較長海水的溫度變化較大，海水的水溫情況較復雜；具體形容為海水表層的溫度較高，但隨著水深的增加海水的溫度逐漸下降，此時溫度分布由上至下呈現倒梯形分布，聲速的傳播同樣也是由上向下呈現倒梯形分布，聲線傳播的路徑由海面彎向海底，因此相對于冬季來說，夏季聲納的探測距離較近，探測效果相對較差。第二，不同的季節風向和風力程度不同，舉個例子海水表層如果受到臺風的影響，臺風會在短時間內將一定深度以內的海水攪拌成為等溫層，這導致在一定深度之內海水的溫度都是相同的，而在等溫層以下海水的溫度會大幅度下降出現溫度的極度跳躍，這個溫度跳躍層可能很薄但是會將海水劃分為兩個區域，這個溫度的跳躍對高頻聲波有極強的屏蔽作用，聲波穿越的時候聲線會發生急劇的彎曲對聲波的傳遞造成嚴重影響。第三，一些時候遇到晝夜溫差較大的海域，對聲音的傳播也會造成較大的影響進而影響聲納的探測效果；在白天海洋的日照時間較長日照較充分，海水表面的溫度較高，上文已經說過，這時候溫度的變化由上至下成為倒梯形，而在夜晚海水表層的溫度下降，溫度低于深海溫度這時溫度由上至下形成正梯形分布，這就是我們知道的“午后效應”，根據季節性的特點，夏季的這種“午后效應”要比冬季的更為明顯。

1.2 區域性特點

在海洋上劃分可以將海域分為深海區域和淺海區域，這兩種區域對水聲的傳播也具有不同的影響。在深海區域，聲音傳播的聲速可以分為表面層、躍變層、主躍層和深海等溫層，其中主躍層和深海等溫層構成了深海聲道，這時候聲道附近的聲波在聲道軸上下反復傳播，聲波主要被聚集在這一范圍內傳播，很少的一部分能夠經過海面和海底的反射，因此聲波的聚集程度較高損失量較小，聲波可以在這一范圍之內傳播很遠。而在淺海海域，海面會反射大量的聲波同時海面也是聲散射體，遇到海面不平靜時其對聲波的影響程度就更大；另外，海底也是較大的聲反射體和散射體，海底存在大量的泥沙、巖石且這部分物質的密度大不相同，因此造成在海底聲音的反射應難以預估，由于在淺海海域，海面與海底之間的距離較小通常只有二三百米，聲音在這段距離內經過多次的反射和散射造成聲波的損失程度較大，而且有很多因素也會造成聲波發生畸變，因此在淺海，聲波的傳遞以及聲納系統的探測效果就要比深海區域差得多。

2 海水中聲音傳播的特性

海洋聲學環境主要包括海洋中的噪音、聲速梯度的分布，聲音傳播的特性和海底聲學特性等因素。聲音傳播速度低是海水聲學傳播的特性之一，在海水中聲音的傳播速度一般為1500米每秒。第二點，在海水中聲音的傳輸并不是按照直線進行傳播的，因此海水的環境較為復雜，存在溫度、壓力和密度差距等因素，這些會造成聲波在傳播的過程中形成彎曲，其中影響程度最大的是溫度因素。第三，在淺海海域，海洋邊界即海面和海底對聲音傳播造成的影響是不可忽略的，海面和海底都會不同程度的讓聲波形成反射和散射，這些現象的合成效果較為復雜且影響程度較大。

3 聲納裝備的特點

在水下獲取信息的最佳方式就是通過水下聲納系統，聲納裝備在具體的使用過程中具有以下特點：

3.1 聲納性能受到環境的影響比較大

聲納系統的特性受到周圍環境的影響程度較大，由于海洋中環境復雜多變各種不確定因素較多，使得海水中聲納系統的性能不確定，折射效應、散射效應以及海面和海底的不平整都會對聲音的傳播以及聲納信號造成影響，影響聲納系統的性能。

3.2 聲納性能受安裝平臺的限制和影響

聲納系統的性能同樣會受到安裝平臺的影響，聲納系統安裝平臺的大小，地理位置等都是有限制的，無法隨意的增大換能器的尺寸去提高聲納裝備的性能，同時平臺自身還會在工作中產生噪聲，噪聲傳播出去形成背景噪聲對聲納的探測性能形成一定程度的影響。

4 海洋壞境對聲納使用性能的影響

4.1 溫度對聲納使用性能的影響

由上文可知溫度是對海洋聲納系統使用性能影響最大的因素之一，海洋各層溫度不同形成的溫度梯層會嚴重的妨礙水下的探測距離和效果，對于等溫的海水來說聲納的作用距離可以達到3500米，但是對于介質是負躍層的海水來說聲納的作用距離大概只有1000米左右。

4.2 海洋中各層對聲納使用性能的影響

海洋中存在表層聲道、深海層聲道，并且有遠程傳播區和海面海底反射等現象的存在，這些現象造成聲音聲陣傾角和接收扇面之間的變化相對復雜。在理論上來說如果知道發射源、海洋海況以及聲場的數據就可以推算出海洋中任何地方的聲場，但是實際操作上看想要精確得出數據是很困難的，只能粗略的得出一些結果。

4.3 聲線彎曲對聲納系統工作的影響

聲速的梯形分布對聲納系統探測的效果影響也很大，有的梯度可以增加聲線的傳播距離，有的梯度就減小聲線的傳播距離。下面就正梯度、負梯度和聲道型分布做個簡要的闡述：（1）聲速正梯度分布一般較易出現在冬季，這時聲音聲線向海面方向彎曲，聲速正梯度分布通常情況下只出現在海面表層，如果利用回音站探測目標，目標存在方位較淺正好在正梯度的范圍內，水聲探測器探測的距離就較遠，如果目標在深海海域，聲波就傳播不到目標深度，這時候水聲器材就無法探測到目標物體。因此盡管冬天的探測距離較遠，也對目標物的存在水層深度有一定的要求。（2）聲速負梯度分布一般較易出現在夏季，這時聲音聲線向海底的方向彎曲，在這種情況下水平方向上的工作距離會受到較大程度的影響，聲波的傳播距離相對較近。這時候作為水面水聲探測器材針對不同深度的目標探測的效果和距離存在一定的差異，值得注意的是這時候如果探測目標較深，距離較近的目標反而比較容易探測。（3）對于聲道型聲速分布來說，聲音會比較集中的分布在上下兩層水面中間的部分進行傳播，這時候如果目標物體恰巧存在于這一范圍內，那么探測距離勢必會很遠，如果探測目標在聲道層范圍之外那么隱蔽性就會很好一般情況下很難被探測到。總而言之，聲線彎曲對聲納系統探測效果的影響是十分明顯的，需要我們在不斷的工作和實踐中總結經驗，根據具體的水文情況分析具體的聲音梯度分布并準確的操縱聲納，確保能夠及時的發現目標物體。

5 聲納裝備與海洋環境相適應的方法與途徑

第一，隨著水聲建模技術和計算機技術的發展，能夠減輕環境因素對聲納探測系統影響的技術不斷被探索研究，現階段可以利用環境自適應聲學處理技術，解決聲納裝備自身與環境的問題，這種技術主要包括：采用復雜信道非平面波。非平穩信號處理技術，采用復雜海洋環境條件下的揚聲建模技術以及發展低頻寬帶大功率水聲換能技術等。第二，可以適當的引進國外更先進的測量技術，國外一些發達國家聲納技術起步早發展快，各種海洋環境中的聲音測量方法和技術已經較為成熟，因此我們要想讓我國聲納裝備與海洋環境更好地契合適應就應該多吸取國外的先進技術和案例。

6 結束語

總的來說，海洋環境對聲納系統的影響有一定的規律性和普遍性，為了更好的發揮聲納系統的性能使之更好的服務于海洋探測事業就一定要加強對聲納系統在海洋環境中適應性的研究，最終達到克服海洋環境對水聲系統影響的目的。

參考文獻：

[1]劉夢庵.水聲工程[M].杭州：浙江科學出版社，2002.

[2]田坦，劉國枝，孫大軍.聲納技術[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2009.