非均勻溫鹽場(chǎng)潛艇聲隱蔽效能仿真研究

秦鋒 趙志允 于振濤

摘要：? 針對(duì)現(xiàn)有水下作戰(zhàn)環(huán)境中潛艇聲隱蔽效能評(píng)估方法的不足，尤其是三維非均勻溫鹽場(chǎng)對(duì)潛艇聲隱蔽性的影響，采用重構(gòu)三維溫鹽場(chǎng)和BELLHOP3D模型，計(jì)算聲場(chǎng)傳播損失數(shù)值，結(jié)合不同艇型、海況等級(jí)和敵方聲納類型等輔助信息，利用概率論和被動(dòng)聲納方程，構(gòu)建指定海區(qū)不同位置處不同工況條件下潛艇的聲隱蔽效能仿真模型，在輸入某一海區(qū)三維溫鹽場(chǎng)數(shù)值的基礎(chǔ)上，仿真獲取該海區(qū)給定工況條件下的潛艇聲隱蔽效能數(shù)值分布偽彩圖。仿真結(jié)果表明，由于海水介質(zhì)中溫度和鹽度分布不均勻，影響海區(qū)內(nèi)潛艇的聲隱蔽能力。潛艇在某些位置有非常好的聲隱身效果，而在某些位置存在較大的暴露概率，潛艇聲隱蔽效能是非均勻分布，與溫度和鹽度水平分布呈現(xiàn)弱正相關(guān)性，該方法能有效評(píng)估潛艇在不同海區(qū)和工況條件下的聲隱蔽能力。該研究對(duì)于潛艇利用海洋環(huán)境達(dá)到隱蔽航行的目的以及任務(wù)海區(qū)的潛艇航路規(guī)劃具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：? 非均勻溫鹽場(chǎng); 潛艇; 聲隱蔽效能; 被動(dòng)聲納方程; 建模; 仿真

中圖分類號(hào)： TP391.9; TN972+.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

未來海上戰(zhàn)爭(zhēng)更加依賴于對(duì)海洋環(huán)境的把握，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境在時(shí)間和空間組成的四維空間上影響海軍在多維空間作戰(zhàn)行動(dòng)的成敗，尤其是潛艇作戰(zhàn)是在不同介質(zhì)交叉轉(zhuǎn)換和連續(xù)變換的四維空間展開，更加依賴于水下作戰(zhàn)環(huán)境，而水下作戰(zhàn)環(huán)境對(duì)聲納探測(cè)目標(biāo)的效能有顯著的影響。由于海水介質(zhì)中溫度和鹽度的分布不均勻，造成了聲速垂直和水平分布的不均勻性，并間接造成海區(qū)的聲傳播特性發(fā)生改變，引起聲能在某一距離和方向上的分布不均勻性，從而影響到潛艇噪聲經(jīng)過海水介質(zhì)被敵方聲納探測(cè)到的概率，即潛艇的聲隱蔽能力。保持聲隱蔽性是潛艇發(fā)揮其戰(zhàn)斗力的有力保障，而聲隱蔽效能受到自身噪聲大小、潛艇航深、敵方的探測(cè)聲納性能以及海洋水文環(huán)境等影響。目前，許多研究者就聲納對(duì)目標(biāo)的探測(cè)過程進(jìn)行了深入研究，結(jié)合實(shí)際和模擬的海洋水文環(huán)境，基于不同聲傳播模型[1 2] 、依據(jù)聲納方程的功能模擬方法以及基于信號(hào)處理的檢測(cè)方法，給出聲納對(duì)目標(biāo)的探測(cè)距離仿真數(shù)值[3 9] ，并建立探測(cè)概率模型[10] ，仿真得出典型溫躍層條件下潛艇不同航深的聲隱蔽能力[11] 。但是這些方法都沒有從潛艇戰(zhàn)術(shù)需求出發(fā)，基于海洋三維環(huán)境的時(shí)空變化特性給出潛艇的聲隱蔽效能量化參數(shù)。因此，針對(duì)三維非均勻溫鹽場(chǎng)對(duì)潛艇聲隱蔽性的影響，本文在獲取任務(wù)海域溫鹽密和聲速分布數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)非均勻溫鹽場(chǎng)潛艇聲隱蔽效能進(jìn)行研究，仿真獲取潛艇的聲隱蔽效能圖，作為執(zhí)行有利于保持潛艇隱蔽戰(zhàn)斗能力的航線決策參考依據(jù)。該研究具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 聲隱蔽效能建模

根據(jù)輸入的聲場(chǎng)傳播損失數(shù)值，結(jié)合不同艇型、海況等級(jí)和敵方聲納優(yōu)質(zhì)因子等輔助信息，利用概率論和被動(dòng)聲納方程進(jìn)行隱蔽效能的評(píng)估分析，生成指定海區(qū)不同位置處不同航深潛艇的聲隱蔽效能數(shù)值。此時(shí)某一點(diǎn)處潛艇的聲隱蔽效能應(yīng)該與艇型s、所在位置（x，y）、航深h、海況k以及敵方聲納分布情況有關(guān)。

首先將指定海區(qū)三維笛卡爾空間以潛艇所在位置和海深（x，y，H）為坐標(biāo)原點(diǎn)轉(zhuǎn)換為柱坐標(biāo)（r，θ，z），取一個(gè)小空間微元Δ i=（ri+Δr，θi+Δθ，zi+Δz），在這個(gè)微元上，敵方聲納分布概率為

P m（ i）=p（ i）Δ i （1）

其中， i為在小空間微元上任取的某一個(gè)敵方聲納位置矢徑;p（ i）為敵方聲納分布密度函數(shù)，可認(rèn)為均勻分布，有

Pm（ i）=Δ i 1 Hmax -Hmin? 1 2π 1 R drdθdz? ?zi∈ Hmin ，Hmax? ?0? zi Hmin ，Hmax? ?=? Δz Hmax -Hmin? Δθ 2π Δr R? ? ? ?zi∈ Hmin ，Hmax? ?0? ? ? ? ? zi Hmin ，Hmax? ? （2）

其中，[Hmax ，Hmin ]為敵方聲納工作深度范圍，由敵方聲納類型確定;R為計(jì)算設(shè)置的最遠(yuǎn)聲場(chǎng)傳播距離。

評(píng)價(jià)敵方聲傳感器性能的一個(gè)重要客觀標(biāo)準(zhǔn)是探測(cè)概率，即在給定的環(huán)境中，某一傳感器在某一距離上探測(cè)到我方潛艇的概率，這種概率稱為瞬時(shí)探測(cè)概率[12] 。如果用聲納方程[13] 來預(yù)測(cè)探測(cè)概率，則聲納方程中的參數(shù)均為隨機(jī)變量，相互獨(dú)立，滿足正態(tài)分布。對(duì)于聲納系統(tǒng)，在給定的中心頻率上，如果SE大于或等于0，那么原則上就能探測(cè)到潛艇，當(dāng)SE=0時(shí)，瞬時(shí)探測(cè)概率達(dá)到50%。因此，依據(jù)大數(shù)定律，在這個(gè)微元上定義敵方探測(cè)我方潛艇這個(gè)事件A的概率為[14]

p（A| i）=∫ SE σ -∞ 1 2π e- t2 2 dt SE=SL s -TL x，y，h -NL k +DI-DT? （3）

其中，SE為聲納信號(hào)余量，dB;SL為與潛艇艇型有關(guān)的輻射噪聲聲源級(jí)，dB;NL為與海況有關(guān)的海洋背景噪聲，dB;DI為聲納指向性指數(shù)，dB;DT為聲納檢測(cè)閾，dB;TL 為指定位置和深度上的傳播損失值，dB。潛艇水下輻射噪聲的聲源級(jí)反映了潛艇被被動(dòng)聲納發(fā)現(xiàn)并識(shí)別的幾率。潛艇向外輻射的噪聲功率譜呈現(xiàn)非定常隨機(jī)變化的譜線，其中包含短時(shí)線譜和長(zhǎng)時(shí)寬譜分量，潛艇執(zhí)行航渡任務(wù)時(shí)，其噪聲功率是毫瓦級(jí)，線譜噪聲譜級(jí)比寬帶高10～25 dB，假定此類潛艇在500 Hz頻段處存在線譜譜級(jí)為120 dB。本文使用基于射線理論的BELLHOP3D模型，計(jì)算具體的傳播損失值[15] 。

BELLHOP3D模型需要當(dāng)前區(qū)域聲速值，結(jié)合海區(qū)水體的三維溫鹽密數(shù)值，計(jì)算水體中三維聲速場(chǎng)[16] 為

c=1 449.30+ΔcP+ΔcT+ΔcS+ΔcTPS? （4）

其中

ΔcP=1.584 8×10-1 P+1.572×10-5 P2-3.46×10-12 P4

ΔcT=14.857T-5.356×10-2 T2+2.604×10-4 T3

ΔcS=1.19（S-35）+9.6×10-2 （S-35）3

ΔcTPS =1.35×10-5 T2P-7.19×10-7 TP2-1.2×10-2 （S-35）T

式中，T為溫度，℃，適用范圍為[0，35];S為鹽度，‰，適用范圍為[0，45];P為靜壓力，kg/cm2。P與深度z（m）的關(guān)系為

P=1.033+1.028 126×10-1 z+2.38×10-7 z2-6.8×10-17 z4

在整個(gè)選取空間上，潛艇被每個(gè)小空間微元上的敵方聲納探測(cè)到的事件是完備事件組，因此依據(jù)空間劃分全覆蓋性和全概率公式，得到在整個(gè)空間上潛艇被敵方探測(cè)的概率為

S=∑ N i=1 p（A| i）Pm（ i） （5）

其中，N為柱坐標(biāo)敵方可能位置離散點(diǎn)數(shù)量。

由于潛艇被敵方探測(cè)和其隱蔽性為對(duì)立事件，依據(jù)概率的可列可加性，定義潛艇在某一位置的隱蔽效能為

T=1-∑ N i=1 p（A| i）Pm（ i） （6）

在離散空間內(nèi)，利用式（6）計(jì)算隱蔽效能時(shí)，注意到某一微元敵方聲納的分布概率是瞬時(shí)探測(cè)概率的權(quán)重值，因此將分布概率在離散空間內(nèi)簡(jiǎn)化為

Pm（ i）= 1 M? ? zi∈ Hmin ，Hmax? 0? ? zi Hmin ，Hmax? ?（7）

其中，M為敵方聲納工作深度范圍內(nèi)離散點(diǎn)數(shù)量。

2 海洋背景噪聲

海洋背景噪聲的大小與聲納所處的海區(qū)位置、聲納接收的頻率段以及頻段內(nèi)包含的海區(qū)噪聲源種類有關(guān)。為預(yù)報(bào)當(dāng)前海區(qū)海洋背景噪聲級(jí)，必需獲取不同噪聲源功率譜，采用最平凡的Wenz曲線[17] ，模擬不同航運(yùn)等級(jí)和海況條件下深海區(qū)域的噪聲功率譜。因此，定義海洋背景噪聲的求取方法為選擇適當(dāng)航運(yùn)和海況噪聲強(qiáng)度曲線，并將兩者在中心頻率上進(jìn)行聯(lián)合疊加。

船運(yùn)噪聲在30～1 200 Hz占主導(dǎo)地位，預(yù)測(cè)方法是結(jié)合單艘船的平均噪聲級(jí)以及船運(yùn)的分布情況，即

SLship =230-35.94log10 f+9.17log10 1+ f/340 2? （8）

NLship =10log10 Nship +SLship? （9）

其中，SLship 為單艘艦船航速為12 kn時(shí)平均輻射噪聲級(jí)，dB;f為頻率，Hz;NLship 為船運(yùn)噪聲級(jí)，dB;Nship 為船運(yùn)密度，m-2 。船運(yùn)密度等級(jí)劃分如表1所示。

風(fēng)噪聲在100～10 000 Hz占主導(dǎo)地位，預(yù)測(cè)方法為

NLwind =10log10 πKwind? （10）

其中，NLwind 為風(fēng)噪聲級(jí)，dB;Kwind 為風(fēng)壓， μ Pa2Hz-1 。風(fēng)壓為

Kwind = 104.12 v2.24 APL? 1.5+F1.59 100.1δ? （11）

式中，F(xiàn)為頻率，kHz;vAPL 為高頻風(fēng)速，m/s。;δ為冪系數(shù)，與空氣溫度Tair （℃）和水溫Twater （℃）有關(guān)。冪系數(shù)為

δ= 0? ? ? ? Tair -Twater <1 0.26 Tair -Twater -1.0 2 Tair -Twater ≥1? （12）

高頻風(fēng)速為

vAPL =max v10 ，1? （13）

式中，v10 為海平面10 m高度風(fēng)速，和海況有關(guān)。風(fēng)速與海況的關(guān)系如表2所示。總的背景噪聲場(chǎng)是所有風(fēng)成噪聲和航運(yùn)噪聲之和，采用平均譜級(jí)功率求和的形式，得到有效噪聲背景的求取方法為

NL=10log10 10NLship /10 +10NLwind /10? （14）

3 聲隱蔽效能仿真流程及實(shí)例

3.1 聲隱蔽效能仿真流程

對(duì)位于某一位置的潛艇聲隱蔽能力進(jìn)行仿真計(jì)算，首先獲取以該位置點(diǎn)為圓心一定范圍內(nèi)的三維溫鹽場(chǎng)，利用式（4）將其轉(zhuǎn)換為三維聲速場(chǎng)，并利用BELLHOP3D模型[19 20] 求取三維傳播損失TL，再根據(jù)式（14）估算當(dāng)前海洋環(huán)境噪聲NL，最后利用式（6）計(jì)算潛艇的聲隱蔽效能。潛艇聲隱蔽效能計(jì)算流程示意圖如圖1所示。

3.2 聲隱蔽效能仿真實(shí)例

獲取西太平洋區(qū)域范圍內(nèi)的三維溫鹽密場(chǎng)HYCOM模式數(shù)據(jù)，三維溫鹽密場(chǎng)和聲速海表面數(shù)值分布如圖2所示。通過式（4）計(jì)算得到三維聲速場(chǎng)，網(wǎng)格分辨率為0.25°，然后提取其中16°-30°N至131°-145°E的聲速場(chǎng)（圖2d中黑框所示部分），供BELLHOP3D模型仿真計(jì)算三維聲傳播場(chǎng)時(shí)使用。

根據(jù)聲隱蔽效能計(jì)算流程仿真，得到該區(qū)域的間隔為0.25°的不同位置潛艇聲隱蔽效能分布，潛艇某區(qū)域聲隱蔽效能分布如圖3所示。其中，潛艇噪聲聲頻為500 Hz，航深假定為100 m，海況為3級(jí)，海區(qū)航運(yùn)等級(jí)為輕度，TL計(jì)算距離R=200 km。由圖3可以看出，由于海水介質(zhì)中溫度和鹽度分布不均勻，影響海區(qū)內(nèi)潛艇的聲隱蔽能力。潛艇在某些位置有非常好的聲隱身效果，而在某些位置存在較大的暴露概率，潛艇聲隱蔽效能也是非均勻分布，將圖3中的聲隱蔽效能分布分別與圖2a和圖2b中黑框所示區(qū)域的溫度和鹽度分布趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比，可以看出，兩者的等值線分布規(guī)律基本一致，因此潛艇聲隱蔽效能與溫度和鹽度水平分布呈現(xiàn)弱正相關(guān)性。

4 結(jié)束語

潛艇依賴的水下作戰(zhàn)環(huán)境是非均勻分布的三維溫鹽場(chǎng)，保持隱蔽戰(zhàn)斗能力亟需評(píng)估其在任務(wù)海區(qū)的聲隱蔽效能，結(jié)合海水聲傳播特性和全概率公式，構(gòu)建聲隱蔽效能評(píng)估模型，并利用三維溫鹽數(shù)據(jù)，恰當(dāng)?shù)仡A(yù)報(bào)聲傳播損失，計(jì)算潛艇給定工況條件下的聲隱蔽效能，逐步應(yīng)用到潛艇戰(zhàn)術(shù)決策和航路規(guī)劃當(dāng)中，使其更好的利用海洋環(huán)境達(dá)到隱蔽航行的目的，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，尤其是根據(jù)聲隱蔽效能的大小，可以為潛艇的隱蔽航路規(guī)劃提供技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫芳， 高飛， 潘長(zhǎng)明. Marsh-Schulkin與Rogers模型比對(duì)分析[J]. 海洋測(cè)繪， 2014， 34（4）： 44 47.

[2] 張仁和. 淺海中的平滑平均聲場(chǎng)[J]. 海洋學(xué)報(bào)， 1981， 3（4）： 535 544.

[3] 何心怡， 蔡志明， 林建域， 等. 主動(dòng)聲納探測(cè)距離預(yù)報(bào)仿真研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)， 2003， 15（9）： 1304 1306， 1310.

[4] 季蓓， 程健慶， 曹志敏. 被動(dòng)聲吶作用距離預(yù)報(bào)的仿真研究[J]. 計(jì)算機(jī)仿真， 2007， 24（3）： 31 34.

[5] 曹立新， 周業(yè)明， 陳建華. 艦艇聲納作用距離預(yù)報(bào)仿真研究[J]. 軍事運(yùn)籌與系統(tǒng)工程， 2007（9）： 42.

[6] 喻榮兵， 陳建勇， 謝志敏. 負(fù)躍層對(duì)主動(dòng)聲吶探測(cè)距離影響仿真研究[J]. 海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)， 2009， 24（2）： 141 143.

[7] 于松標(biāo). 潛艇與魚雷對(duì)抗中躍變層的利用[J]. 艦船論證參考， 1989（2）： 38 40.

[8] 高學(xué)強(qiáng)， 楊日杰， 韓建輝. 躍變層對(duì)潛艇隱蔽性的影響仿真研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)， 2008， 30（5）： 148.

[9] 李慶紅， 劉天波， 張永剛. 海洋溫躍層對(duì)艦船聲吶探測(cè)的影響評(píng)估[J]. 船舶電子工程， 2008， 28（2）： 141 144.

[10] 李玉陽， 笪良龍， 盧曉亭， 等. 基于水聲環(huán)境的潛艇陣地優(yōu)化方法研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)， 2008， 20（8）： 2204.

[11] 劉雄， 張繩， 蔡勇. 潛艇隱蔽性建模與仿真研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)， 2009， 31（8）： 105 106.

[12] AinslieM A. Principles of sonar performance modeling[M]. Houston： Praxis Publishing， 2010.

[13] 高學(xué)強(qiáng)， 楊日杰. 潛艇輻射噪聲聲源級(jí)經(jīng)驗(yàn)公式修正[J]. 聲學(xué)與電子工程， 2007， 87（3）： 17.

[14] 薛青， 湯在江， 羅小明， 等. 裝備作戰(zhàn)仿真基礎(chǔ)[M]. 北京： 國防工業(yè)出版社， 2010.

[15] Finn B. Jensen computational ocean acoustics[M]. New York： AIP Press， 2000.

[16] 劉伯勝， 雷家煜. 水聲學(xué)原理[M]. 哈爾濱： 哈爾濱工程大學(xué)出版社， 1993.

[17] 劉孟庵， 連立民. 水聲工程[M]. 杭州： 浙江科學(xué)技術(shù)出版社， 2002.

[18] EtterP C. 水聲建模與仿真[M]. 蔡志明等， 譯. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2004.

[19] Brekhovskikh L M. Fundamentals of ocean acoustics[M]. NewYork： AIP Press， 2002.

[20] 楊坤德， 雷波， 盧艷陽， 等. 海洋聲學(xué)典型聲場(chǎng)模型的原理及應(yīng)用[M]. 西安： 西北工業(yè)大學(xué)出版社， 2018.

Simulation of Submarine′s Acoustic Concealment Effectivenessin Heterogeneous Temperature Salt Field

QIN Feng， ZHAO Zhiyun， YU Zhentao

（Naval Submarine Academy， Qingdao 266042， China）

Abstract：? In view of the shortcomings of the existing evaluation methods of submarine acoustic concealment in underwater combat environment， especially the influence of three-dimensional non-uniform temperature and salt field on submarine acoustic concealment， the acoustic field propagation loss value is calculated by reconstructing the three-dimensional temperature salt field and bellhop3d model， and combining with the auxiliary information of different types of boats， sea state grades and enemy sonar types， the probability theory and passive sonar equation are used to construct the model. The simulation model of submarine′s acoustic concealment efficiency under different working conditions at different positions in the designated sea area is established. Based on the input of the three-dimensional temperature and salt field value of a certain sea area， the pseudo color map of the submarine′s acoustic concealment efficiency value distribution under the given working conditions in the sea area is obtained by simulation. The simulation results show that due to the uneven distribution of temperature and salinity in seawater， the submarine′s acoustic concealment ability is affected. The results show that the submarine has a very good acoustic stealth effect in some locations， but there is a large exposure probability in some locations. The submarine acoustic concealment efficiency is non-uniform distribution and has a weak positive correlation with the horizontal distribution of temperature and salinity. This method can effectively evaluate the acoustic stealth ability of submarine in different sea areas and working conditions. The research has important theoretical significance and practical application value for submarine to achieve the purpose of covert navigation by using marine environment and submarine route planning in mission sea area.

Key words： inhomogeneous temperature andsalt field; submarine; acoustic concealment efficiency; passive sonar equation; modeling; simulation