海洋環境對獵雷聲吶探測識別的影響及對策建議

張 臣，李佳橦

（中國人民解放軍91439部隊，遼寧 大連 116041）

0 引言

當前，反水雷作戰中獵雷已成為各海軍強國的重點發展方向，而獵雷最重要的就是探測識別，獵雷難也難在探測識別。一方面是聲吶技術的有限性，對水雷等水下小目標的高效精確探測識別較為困難；另一方面則是海洋作戰環境的復雜性，對聲吶探測識別帶來較大影響。為此，在現有聲吶技術條件下，分析海洋環境對獵雷聲吶探測識別的影響，提出有關對策建議，指導部隊作戰應用，具有重要意義。

1 獵雷聲吶工作原理

獵雷聲吶工作時，聲吶基陣通過發射分機以一定的指向角向水中發射高頻聲脈沖，接收機接收目標反射聲波，信號處理機對接收的海底散射信號進行濾波、增益控制、波束形成等處理后形成聲圖像，根據聲圖像來辨識水下目標。獵雷聲吶典型三維多波束模型如圖l所示[1]。

圖l 獵雷聲吶三維多波束模型Fig.1 Model of minehunting sonar for three-dimensional STMB

以基陣中心Oa為坐標原點建立三維直角坐標系，OaM為基陣的中心軸線，OaC、OaD、OaE、OaF為多波束探測“錐體”的4條邊界線。中心軸線OaM與水平面OaXaYa的夾角即基陣俯仰角，OaM在水平面上的投影與Xa軸的夾角即基陣水平角。基陣信號發射后多波束構成的“錐體”結構與海底平面相切形成的截面即獵雷聲吶在某次脈沖發射下的海底照射范圍，即ABCD這塊扇形區域，對錨雷來說“錐體”結構就是其覆蓋范圍。

2 海洋環境對獵雷聲吶探測識別的影響分析

獵雷聲吶的探測與識別，在工作頻率、工作帶寬、發射脈沖寬度、發射與接收波速寬度等參數上是不同的。探測更加關注探測距離，識別更加關注分辨能力，但從工作原理上，海洋環境影響對其影響是基本一致的。

獵雷聲吶探測識別性能主要與發射聲源級、傳播損失、目標強度、海洋混響和檢測閥有關[2]；其中傳播損失、海洋混響、目標強度是海洋環境影響聲吶探測識別性能的主要因素。

2.1 傳播損失

傳播損失與探測距離、海水透明度、海底底質和聲速剖面相關。

2.1.1 海水透明度

在泥沙含量大、海水透明度小的海區，傳播損失非常大，相對會降低獵雷聲吶探測識別距離。

2.1.2 海底反射損失

海底反射損失是聲吶信號損失的重要方面。頻率越高，聲信號的吸收損失越大，且主要是由底質中粘滯性引起的吸收損失，軟而平滑的軟泥底和泥貝底回波弱，而沉底雷的回波強，聲吶捕獲的目標輪廓更清晰。

大量實測數據發現，海底沉積層的反射損失隨掠射角變化。當小于分界掠射角，反射損失相對較小且角度越小損失越小，大于分界掠射角，反射損失較大且平均而言近似常數，也就是說聲吶俯角越小反射損失越小，加大到一定程度后，反射損失基本恒定。

2.1.3 聲速剖面

平均而言，聲速剖面呈現明顯的季節特征[3]，尤其在夏季溫帶海域，由于聲線彎曲和聲線經過躍變層時會導致聲線嚴重負梯度彎曲、聲強顯著衰減、聲吶作用距離明顯減小[4]，對目標的定位會造成較大誤差。

但相對來說，由于獵雷聲吶探測距離近、頻率高，對目標的探測識別影響不大。

2.2 混響

混響就是由于海洋中大量無規則散射體對入射聲信號產生散射而在接收點上接收到的所有散射波的總和，與入射聲信號強度、聲吶的探測距離、海底底質、海水透明度和聲信號入射角度相關。對獵雷聲吶探測識別的影響體現在三類混響中。

2.2.1 海面混響

海浪引起的海面粗糙會改變海面的反射和散射特性，引起信號幅度和相位的劇烈起伏，產生海面混響；高海況下海洋表層一般會出現氣泡，氣泡的共振散射會引起海水聲速、密度的改變，產生海面混響，同時對獵雷聲吶高頻聲傳播產生更大的衰減，尤其對探測錨雷更具影響。因此高海況下，確定俯仰角時應盡可能減小探測“錐體”與海面的接觸面積。

2.2.2 體積混響

體積混響是由存在于海水本身或體積中的散射體，如海水中的泥沙、海洋生物、海水本身的不均勻性和魚群等所引起的混響。體積混響強度與發射聲源級、脈沖寬度和換能器波速寬度成正比，因此為了減小混響，應在不影響作用距離的前提下適當減小發聲信號的聲功率，盡量采用窄脈沖和窄波速寬度的發射信號。

2.2.3 海底混響

海底混響是由海底及附近的散射體形成的混響。包括由海底底質密度的不均勻性和海底起伏變化等造成海底混響，底質越復雜混響越大、入射角越小混響越大，海底混響隨探測距離增大而減弱。海底散射強度遠大于海水體積散射強度，也大于海面散射強度。礁石底質或砂礫底的強反射回波，極易掩蓋沉底水雷目標回波，造成聲吶分辨力下降，影響聲吶探測識別，可以說海底混響是獵雷聲吶主要背景干擾。

2.3 目標強度

目標強度與目標形狀、尺寸和材料有關，目標強度越大，相對被探測識別的概率越高。現代水雷一般通過減小反射面積、殼體使用吸聲材料、雷體結構和裝藥采用透聲材料等來降低目標強度，起到隱身效果。海洋環境中泥沙底、淤泥底等在海流作用下，能夠掩埋水雷，從而降低目標強度，影響探測識別。

2.4 其他海洋環境對獵雷聲吶探測識別的影響

1）海洋環境噪聲與聲吶的接收頻率和發射、接收器位置有關，獵雷聲吶為高頻聲信號，衰減快、背景噪聲很小。但自噪聲對探測識別影響較大，包括本艦航行噪聲、海流作用于艦艇平臺表面所引起的水動力噪聲和聲吶自噪聲。

2）海流、海浪引起艦載平臺顛簸、搖擺導致聲吶基陣姿態、平臺各部位應力的變化，可導致聲吶探測性能的不穩定[5]。

3）潮汐的影響[6]主要體現在體積混響和深度差上。大潮日附近流速相對更大，海水透明度更差，體積混響更大。深度變化大需要調整聲吶俯仰角來適應。

4）海洋峰是2種或幾種水體之間狹長過渡帶，也是海洋環境參數水平躍變帶，對聲線傳播具有強烈的反射、折射作用，產生一系列聲傳播奇異區，對聲吶探測具有屏蔽阻隔作用[7]。

5）風場和降水是間接因素，風場是通過海浪來影響聲吶的性能，降水主要影響海水的鹽度，同時產生風雨噪聲。風雨噪聲是聲吶系統海洋環境噪聲干擾的組成部分，對小俯仰角下獵雷探測稍有影響。

6）海洋生物污損聲吶的導流罩和聲吶換能器，增大平臺的湍流噪聲，間接影響聲吶的性能。

3 獵雷聲吶作戰使用相關對策建議

重點針對如何適應海洋環境影響因素，提高獵雷聲吶對水雷等目標的探測識別能力，提出以下對策建議。

3.1 掌握分析作業海區海洋環境數據

要掌握分析作業海區范圍、深度、底質、海水透明度、聲速、海浪（海況）、海流、潮汐、風力、風向等數據，據此結合獵雷聲吶探測識別基本性能，設計獵雷計劃，設定相關工作參數。

3.2 掌握分析作業海區獵雷目標

要掌握分析目標類型、工作深度、目標強度和回波特性等。特別是對未知水雷目標，可以通過分析敵主戰水雷和對應海區作戰使用特點，采用與已知水雷類比的方法估計目標回波特性，從而確定探測識別工作參數。

3.3 估算聲吶最大探測距離

在實際作戰中考慮以下因素，在惡劣水文和底質條件下，其作用距離會有所下降；隨著聲吶裝備的使用時間增加，聲吶裝備性能也存在下降趨勢。因此，對于聲吶最大探測距離，一般以聲吶指標為依據，根據作業海區的底質、透明度以及裝備狀態等，結合實際經驗進行修正[8]。

3.4 信號調節（參數設置）

信號形式：在一定的發射功率下，脈沖寬度大則信號能量大，故選擇長脈沖信號對增大作用距離有利。單頻短脈沖的距離分辨力高，對強混響條件探測更有力。調頻脈沖信號，相對混響要大，但有利于識別目標特征。

工作點與動態范圍：工作點為動態范圍中間強度點，動態范圍是顯示圖像中最弱和最強回波的差值， 例如工作點為20 dB，動態范圍為±5 dB，則15～25 dB強度的回波信號在屏幕上顯示為最弱和最亮的點，其他強度回波將無法分辨。選擇適當的工作點和動態范圍，可有效提高目標的發現概率。

增益控制：壓縮水聽器信號動態范圍，保持輸出幅度盡可能均勻（但信號與背景比不變）。總體來說，增益控制是對信號的一種歸一化處理，要使背景噪聲和混響穩定在一個范圍內，使界面顯示的圖像形成對識別目標最有利的分辨率，以快速發現目標。

發射功率：發射功率越大作用距離越遠，但意味著混響也越大；對于礁石底或礫石等硬底和復雜底，為避免過大混響，需要降低發射功率；對于渾濁水域或深水泥沙底質，為抵消海水散射和海底反射損失，可增大發射功率。發射功率的選擇要依據屏幕回波信號和混響信號強度適當調整，尤其是對可疑目標抵近識別時或重新進入航路搜索時要及時調整。

量程：量程是聲吶脈沖所抵達的距離，有別于有效探測距離。量程過大往往會造成不必要的延時，同時目標回波信號弱，容易被忽略，但設定量程過小，混響越明顯，目標不容易辨識；因此，量程設定大于有效探測距離一些即可。當發現疑似目標，艦艇抵近時，要適當調整量程，尤其是識別聲吶；當水深較淺，混響較大時，除了調小功率，也可調大量程，讓混響減小，在一定功率條件下，量程越大目標回波信號越弱。

3.5 聲吶回波方式辨別目標

當目標回波強度高于背景噪聲時，在聲吶圖像上可見到較強的回波亮點，利用目標回波特性可辨別目標類型。一是真實目標一般能夠連續出現（不少于3次），但在艦艇機動狀態下，目標雷的方位距離是變化的，同時由于搜索扇面具有探測重復周期，存在延時，量程越大、波速越多延時越長，目標連續出現的位置是不同的，因此要注重辨識目標特征上，可同步當前距離變化、聲吶扇面和波速范圍，以此克服延時帶來的連續點位變化和同一目標辨別。二是對聲吶回波方式探測水雷，離目標距離越近，海底混響強度越大，水雷回波越容易被掩蓋，尤其是在礁石底、礫石底情況下，因此要把主要關注點放在較遠距離上，一般在聲吶最大探測距離三分之二處，目標最為明顯。三是多波束多扇面搜索時，要保證各扇面的探測周期間隔時間小于目標穿越時間，防止發生漏探。

3.6 聲影識別方式辨別目標

突出于海底的物體被聲波照射時，不僅會產生反射，同時也阻止了聲波的前進，在物體背后的海底上產生聲學陰影。由于混響越強聲影越明顯，因此特別適用于近距離強混響情況下的目標探測識別。目標聲影為一片白色的噪聲背景中的一塊黑影，其形狀與目標形狀有關，是其水平投影，球體為橢圓形陰影，圓柱體為平行四邊形陰影。同時注意：1）只有識別聲吶有聲影識別方式，探測聲吶只有回波方式；2）聲影方式與目標回波強度無關，不受雷體材質或防聲吶涂成的影響，較適合未知目標識別，但難以探測錨雷；3）只有入射聲波角度適當才能產生較大的聲影，角度過大或過遠都難辨識。

3.7 滅雷具聲吶探測識別

由于有艦載聲吶和指控系統引導，相對來說，滅雷具聲吶搜索和發現目標相對簡單。需要注意的是，一要關注流速流向的變化，底層流要比表層流小，因此要在接近目標時保持好高度頂流抵近。如果不好判斷流向可讓其漂泊一段時間，這時可通過滅雷具聲吶或獵雷識別聲吶圖像判斷其漂泊方向即流向。二要避免滅雷具控制電纜與錨雷雷索纏繞，滅雷具聲吶要使用大量程，保持較大的垂直開角，下潛深度應使滅雷具處于雷體深度下方，前進中通過微調俯仰角觀察聲吶圖像，雷體（圓柱狀或亮點）、雷錨（圓臺或長方體）、雷鏈（一個或多個亮點或短線），發現其中一個應距其15～20 m懸停，上下搜索其他部分，其中要考慮流對錨雷整體的影響，雷體在下流方向。三要注意及時切換量程，海水渾濁度大無法觀察到目標要以聲吶識別圖像抵近，尤其是對識別錨雷，不可繞雷機動，一旦沖過目標要及時停車漂流一段。四要注意海底起伏，在搜索識別目標的同時，通過聲吶圖像辨別海底大致形態，尤其是目標附近情況，避免因高度過低導致碰撞。最后，要注意海帶、漁網等，避免滅雷具被纏繞。

4 結束語

本文基于獵雷聲吶工作原理和探測識別性能影響因素，從傳播損失、混響、目標強度以及海流、潮汐等多個方面分析了海洋環境對獵雷聲吶探測識別的影響，提出了部分對策建議，可為部隊探測識別水雷等目標提供有效參考。由于海洋環境的復雜性，對獵雷聲吶探測識別的影響是多因素綜合性的，還需繼續深入研究分析，有關對策建議在獵雷作戰中也需靈活應用。