國際監測系統水聽器臺站監測能力分析?

張朝金 孫炳文 莫亞梟 郭圣明

(1 中國科學院水聲環境特性重點實驗室 北京 100190)

(2 中國科學院聲學研究所 北京 100190)

(3 中國科學院大學 北京 100049)

0 引言

1996年9月10日聯合國大會通過了《全面禁止核試驗條約》(Comprehensive Test Ban Treaty,CTBT)，國際監測系統(International monitoring system,IMS)建立了以監測地震波、水聲、次聲以及放射性核素等為主的監測技術手段來保證條約的有效執行。在各類型監測臺站中，依據良好的水下深海聲學定位和測距(Sound fixing and ranging,SOFAR)信道傳輸能力，水聲臺站通過聲壓傳感器有效拾取水下SOFAR 信道中微弱聲壓力信號或通過拾震器拾取陡峭海島上由聲波轉換的地震信號，可憑借較少的監聽設備實現對廣大海域的監測，因而成為監測小島、沿海大陸地下核爆與水下核爆等突發事件最直接、最有效的技術手段之一[1?2]。同時，這種對世界海洋連續的、實時的監測也可為地震[3]、火山噴發[4]、鯨魚發聲[5]、南極冰山破裂[6]等事件的研究提供可靠的數據支撐。IMS水聲監測網絡由11 個水聲臺站組成，其中包括了6 個基于水聽器陣接收的水聽器臺站和5 個基于拾震器接收的T-phase臺站[2]。

由于潛艇良好的隱蔽性和較大的自給力、續航能力以及作戰半徑，其作為新型武器在現代戰爭中發揮著越來越重要的作用，基于潛艇的偵查和反偵察研究也越來越得到人們的重視。對潛艇的探測一直是各國海軍十分關注的領域，也是水聲工作者的重要研究方向。隨著潛艇減振降噪技術研究的不斷深入和綜合治理工作逐步實施，潛艇的主要噪聲源，如機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲，輻射源級已經大大降低，安靜型潛艇、無噪聲航速等新概念不斷涌現。雖然各類新的檢測技術和實現途徑，例如航空磁探潛[7]、渦流場檢測技術[8]、紅外探測技術[9]等也應用于潛艇的探測，但傳統的聲學探測方法依舊是潛艇探測的主要方式。IMS 水聲臺站可全天候值守，實現持續的監測，將水聲臺站用于潛艇的實時持續監測具有重要的軍事意義。

為評估IMS 水聽器臺站對潛艇目標和爆炸事件的監測能力，本文從聲吶方程出發，將通過分析IMS 水聽器臺站附近的噪聲級，調研潛艇輻射噪聲源級，并利用基于拋物方程聲場計算方法實現傳播損失預測，估計IMS位于威客島(Wake Island)的水聽器臺站HA11 對潛艇和爆炸不同的探測能力。文章首先介紹水聽器臺站的基本信息，然后從被動聲吶方程、聲場仿真方法以及HA11 附近的環境噪聲級等3 個相關層次介紹IMS水聲臺站監測能力的分析方法。根據仿真與實測數據給出IMS水聽器臺站對爆炸聲源和潛艇活動的監測范圍。

1 IMS水聲臺站

IMS的11個水聲臺站已經全部投入使用，包含6 個位于水下的H-相(水聽器)臺站和5 個位于海岸或島嶼的T-相(地震)臺站，分布在9個不同的國家，如圖1所示，臺站位置的詳細信息在表1中給出。水聽器臺站主要分布在南半球，唯一在北半球的水聽器臺站為位于威客島的HA11。

表1 IMS 水聲臺站具體位置Table 1 The locations of eleven IMS hydroacoustic stations

圖1 IMS 水聲臺站位置Fig.1 The locations of IMS hydroacoustic stations

除HA01 臺站外，所有水聽器臺站皆位于相對較小的海島上，由兩組電纜構成，每組電纜具有3個水聽器，且傳感器之間彼此相距近乎2 km，以獲得較大的陣列孔徑與監測性能。三元水聽器組被置于海島兩側以避免海島地形阻擋效應的影響。信號采樣率為250 Hz，使用24 bit 量化。在8～100 Hz頻帶內，水聽器靈敏度起伏不超過3 dB。以HA11為例，該臺站及水聽器位置如圖2所示。北側水聽器深度約730 m，海深約1430 m；南側水聽器深度為740 m，海深約1180 m。圖2中的地形信息來源于GEBCO[10](General Bathymetric Chart of the Oceans)。

圖2 威客島臺站HA11 及水聽器陣位置Fig.2 The locations of the HA11 hydroacoustic station and the hydrophones

2 IMS水聲臺站監測能力分析方法

2.1 被動聲吶方程

聲吶方程從能量角度綜合了聲吶參數與聲吶性能的聯系，它是聲吶設計和作戰使用的依據，在水聲工程中有十分重要的應用。被動探測的聲吶方程可以表示為

式(1)中，SL 為處理帶寬內的噪聲源輻射聲源級，也就是水下目標的輻射噪聲級，其單位為dB re 1 μPa2，對聲吶系統效能進行理論分析時，未知目標的SL 可按照目標類型設置為一些典型值；NL 為處理帶寬內的海洋環境噪聲級，單位為dB re 1 μPa2；DI 為接收指向性因子，對于單個無指向性陣元的聲吶系統來說，可以認為DI=0；DT為檢測閾，是對于預定置信級下，接收機輸入端所需要的接收帶寬內信噪比；TL是傳播損失，它與海洋環境直接有關，在對聲吶系統效能進行理論分析時，TL 可以使用水聲傳播模型計算得到。定義優質因數：

通過分析FOM和TL的關系，即可對聲吶系統效能進行理論分析，其中最為關鍵的就是聲吶探測距離。

2.2 基于拋物方程方法的聲場計算方法

處理地形和聲速剖面等環境參數隨距離變化的海洋波導環境中的聲傳播計算方法有多種，比如適用于二維情況的水平射線方法、絕熱簡正波方法和N×2D拋物方程方法；解決三維傳播問題的絕熱簡正波-射線方法以及絕熱簡正波-拋物方程方法。拋物方程方法[11]由于其距離上的遞進算法，適合解決水平變化情況下的聲場計算問題。

本文采用基于分裂步進Pade 近似拋物方程方法，計算距離水平變化的聲場。涉及三維計算時，采用N×2D模式進行計算。時域聲壓p(r,t)滿足波動方程：

其中，c為聲速。將波動方程進行傅里葉變換，經過變量替換得到柱坐標系下的Helmholtz方程：

其中，P(r,ω)為頻域聲壓，k=ω/c(z)為波數。

將Helmholtz方程寫成算子表示形式為

其中，X為深度算子。將方程(3)進行因式分解，當海洋環境參數隨水平距離變化緩慢時，可以得到：

第一部分表示向外傳播的發散聲波，第二部分表示向內傳播的聲波。一般假設向外傳播的能量占主要地位，反向散射的聲波能量較小可以忽略不計，故可以得到一階常微分方程的形式：

將算子表示為Pade近似形式：

可進一步進行數值計算，分別對每一項進行求解后再求和即可得到聲場的聲壓值。

利用拋物方程方法計算以HA11 臺站北側水聽器陣為中心的聲場傳播損失分布(水層內全部深度上的平均)如圖3所示，傳播損失顯示范圍為70～170 dB。圖3表明，除了部分被島嶼，如夏威夷島，遮擋的區域，聲能量基本覆蓋了北太平洋的絕大部分海域。第二島鏈以外的西太平洋區域，傳播損失一般小于120 dB；第一島鏈和第二島鏈之間，傳播損失在120～140 dB之間；南海東北部，接近呂宋海峽處，傳播損失在130～150 dB 之間。計算得到的傳播損失表明了可被探測到事件的最低聲能量限度。

圖3 以HA11(威客島)北側水聽器陣為中心的傳播損失分布(1月份，全海深平均的傳播損失)Fig.3 Transmission loss centered around hydrophone array on HA11 north(January;Average TL of all depth)

IMS的6 個水聽器臺站的監測能力同時顯示在圖4中，圖中使用了每組臺站的兩組水聽器。在大洋中絕大部分區域，聲能量不足140 dB 的事件也可以被水聽器臺站探測到。由于島嶼等的遮擋，水聽器臺站對大陸附近的海域沒有監測能力，對這些海域的監測可依賴于地震臺站等其他監測手段。

圖4 IMS 水聽器臺站的探測能力Fig.4 Detectivity of IMS hydrophone stations

2.3 背景噪聲分析

水聽器臺站處的環境噪聲級對以聲吶方程為基礎的聲吶系統探測能力分析是非常重要的參數。Lawrence[2]分析了水聲臺站HA01、HA03、HA08的數據，得到了3個臺站一年內的平均噪聲譜級。不同臺站不同水聽器組附近的環境噪聲差異明顯，HA01臺站在澳大利亞西海岸近岸，噪聲相對較高，頻率10 Hz 處的噪聲譜級為75～88 dB。Harris 等[5]使用HA11 臺站數據分析鯨魚的分布時，通過臺站實測數據，得到HA11 臺站附近的噪聲級。該數據比Wenz 統計的噪聲譜級[12]高10～20 dB。Wenz噪聲譜級總結20 Hz 附近的噪聲譜級范圍大約在50～100 dB，具體的數值與地理位置、氣象條件等有關。

本文根據HA11臺站幾個小時的實測數據分析噪聲信號功率譜，臺站北側的水聽器N1 和南側的水聽器S1 的功率譜密度如圖5所示，其他水聽器的結果也類似，在10～100 Hz 范圍內，噪聲譜級約70～80 dB。在后續的計算分析中取HA11 臺站水聽器附近的噪聲功率譜譜級為75 dB。

圖5 HA11 臺站南北兩側噪聲信號的噪聲譜級Fig.5 Ambient noise level at station HA11

作為世界級的漁場以及世界最為繁忙的航線區域之一，我國鄰近海域漁船、運輸船等十分眾多，導致我國周邊海域環境噪聲級遠大于CTBT水聲臺站所處海洋環境噪聲。以2014年中國南海三亞附近非休漁期和東中國海臺灣東北附近休漁期測量的海洋環境噪聲為例，其噪聲譜級分別如圖6和圖7所示。相比較于我國周邊海域中未被航船污染且休漁期的環境噪聲，HA11 臺站附近噪聲譜級低10～25 dB 左右，更是遠低于非休漁期我國海域環境噪聲。CTBT 臺站大多位于深海大洋處的小島，遠離大陸，航船較少，且深海環境較為穩定，具有較小的環境噪聲級，為水聲臺站全球大洋監測提供了有效保障。考慮到我國周邊海域環境噪聲較高，CTBT 臺站對我國周邊海域探測能力也較差。

圖6 中國南海三亞附近海域環境噪聲測量值Fig.6 Ambient noise level around Sanya of North China sea

圖7 中國臺灣東北海域休漁期下的環境噪聲測量值Fig.7 Ambient noise level around northeast coast of Taiwan in the fishing moratorium

3 監測能力分析

3.1 對潛艇的監測能力分析

對聲吶系統的探測性能進行分析本質上就是比較傳播損失TL與優質因子FOM的關系，以此得到聲吶系統的探測距離或者探測概率。潛艇目標一般可根據聲源級進行分類，如Miasniko[13]給出了部分潛艇的源極數據，如圖8所示，對常規柴油動力潛艇，在10～100 Hz 頻段，潛艇源級功率譜密度約為110～135 dB。隨著潛艇技術的進步，新建潛艇的輻射噪聲功率譜密度逐漸降低。文獻[13]中根據頻率范圍5～200 Hz 內最大功率譜密度對潛艇進行分類，定義噪聲(Noisy)潛艇的源級為140 dB，安靜型(Quite)潛艇的源級為120 dB，極安靜型(Very quite)潛艇的源級為100 dB。以上數值是潛艇在“極安靜工況(Ultraquiet operation)” 下的結果，此時，螺旋槳和電力系統引起的噪聲是主要的噪聲源。當潛艇提高航速時，源級會相應地增加，潛艇巡航時，速度為8 kn，輻射噪聲源級比“安靜工況”下高約5～10 dB，在航速15 kn 時，會高15～20 dB。設潛艇在10～100 Hz頻段內的SL為100～140 dB，當NL = 75 dB 時，可計算得到無指向性水聽器相應的FOM為25～65 dB。

圖8 常規潛艇(柴電動力)的源級[13]Fig.8 The source level of conventional submarine(diesel electric)[13]

使用基于拋物方程方法的水聲傳播模型計算水聽器臺站HA11 附近的傳播損失。海底地形選用如圖2所示GEBCO 提供的數據，聲速剖面選用全球海洋地圖集(WOA)提供的月平均數據。根據互易原理，以水聽器深度為聲源深度，在每個方位角上計算距離-深度的二維傳播損失。聲場分布的部分結果如圖9所示，圖9(a)～圖9(c)分別對應HA11臺站北側水聽器在315?方位角的傳播損失結果，圖9(e)～圖9(g)分別為225?方位角的傳播損失，頻率依次是10 Hz、50 Hz和100 Hz。從圖9中可以看出，隨著頻率的增加，聲場的空間分布起伏越發劇烈且海底地形對聲場有一定的遮蔽作用。

圖9 方位角315?和225?以HA11 北側水聽器位置作為聲源位置的傳播損失二維分布(使用1月水文數據，頻率依次為10 Hz、50 Hz、100 Hz)Fig.9 2D transmission loss at different azimuth angles and frequencies for the source at the position of HA11 north station in January

圖10為HA11 北側水聽器附近的聲場在不同深度上的二維分布(10～100 Hz 寬帶平均的結果)。深度變化導致的聲場變化明顯，從而導致潛艇在不同深度上探測距離有明顯變化。圖11為不同月份的結果對比，由于水聽器處于深海聲道軸附近，深海的聲速剖面比較穩定，表層的聲速變化對聲場的影響較小，所以不同月份引起的探測能力變化很小，可忽略不計。

圖10 以HA11 北側水聽器位置為中心的聲場分布(10～100 Hz 寬帶結果，依次為不同深度上的水平切面)Fig.10 2D transmission loss at different depths for the source at the position of HA11 north station(The results are computed at the frequency band of 10～100 Hz)

圖11 不同月份以HA11 北側水聽器位置為中心的聲場分布(100 m 深度，10～100 Hz 寬帶結果)Fig.11 2D transmission loss at 100 m depth in different months for the source at the position of HA11 north station(The results are computed at the frequency band of 10～100 Hz)

從圖10可以看出，對于FOM=60 dB 的情況，臺站的探測距離也只局限在水聽器附近非常小的距離范圍內。深海近距離的聲場傳播損失可以近似用球面衰減(20 lgr)來計算。當優質因子FOM =60 dB 時，球面衰減的距離僅僅為1 km，圖10所示的距離范圍(半徑100 km)對于潛艇探測能力估計來說過大，不利于進行準確的圖像分析。將圖10放大到半徑10 km 的范圍，如圖12(a)、圖12(b)分別為潛艇位于100 m和300 m深度時的傳播損失分布。從圖12中可以看出，傳播損失存在不同方向上的差異，在某一方向上，傳播損失也不一定是單調遞減的。

圖12 以HA11 北側水聽器位置為中心的聲場分布(10～100 Hz 寬帶結果)Fig.12 2D transmission loss for the source at the position of HA11 north station at the depth of 100 m and 300 m in the frequency band of 10～100 Hz

表2和表3給出了HA11 臺站北側和南側水聽器對不同源級的潛艇在不同下潛深度(100 m、300 m和500 m)的探測距離估計，計算時使用10～100 Hz 的寬帶傳播損失。表中的探測距離是所有方向上的平均結果，每個方向上的探測距離為大于指定FOM 值的傳播損失對應的最大距離。從表中可以看出，當FOM ≤50 dB 時，對任意深度的潛艇目標均沒有探測能力，此時潛艇的源級為125 dB(10～100 Hz 頻帶內的譜級)，已經高于安靜型潛艇在低速時的數值。利用潛艇噪聲限值模型，可計算得到當低頻連續譜譜級為125 dB 時，其線譜的最大值約為131 dB，此時對于500 m 深度的目標探測距離僅400 m。當FOM 進一步提高時，才有了一定的探測能力，例如FOM=60 dB 時，對300 m 深度的目標探測距離為0.9 km。

圖13給出了0?方位角上，HA11臺站北側和南側的聲傳播二維分布結果，圖中的等值線形狀隨著距離的增加會發生改變。從圖中可以看出不同深度上的探測能力不同，在聲道軸以上探測距離隨著潛艇深度的增加而增加，這是由于水聽器位于深海聲道軸上，能量主要分布在聲道軸附近，越接近聲道軸，能量越強，可探測距離就越大。不同方位角上的探測能力不盡一致(如圖12所示)，表2和表3為全部方位角的平均，這種平均結果會導致在某些FOM值上的探測距離隨目標深度的規律發生改變，如表3中FOM=65 dB時的結果。

表2 不同潛艇源級下的探測距離估計(HA11,North)Table 2 The estimation of detection range at different submarine source level(HA11,North)

表3 不同潛艇源級下的探測距離估計(HA11,South)Table 3 The estimation of detection range at different submarine source level(HA11,South)

圖13 以HA11 南北站位水聽器位置為中心方位角0?處的聲場分布(10～100 Hz 寬帶平均)Fig.13 2D transmission loss for the source at the position of HA11 north station and south station at the azimuth 0?in the frequency band of 10～100 Hz

3.2 對水下爆炸事件的監測能力分析

水下突發事件經常伴隨水下爆炸，水下爆炸產生的聲信號一般包含沖擊波及多個氣泡脈動成分，如圖14所示。Cole在文獻[14]中對水下爆炸現象進行了分析歸納，系統總結和研究了水下沖擊波形成及傳播理論、沖擊波測量、界面效應等，形成了一套較為完整的水下爆炸理論，建立了一定范圍內爆炸流場中沖擊波壓力峰值、比沖量及能量密度的計算公式，此理論被大量試驗所驗證，并有很高的精度。

圖14 水下爆炸產生的沖擊波及氣泡脈動Fig.14 The explosion waveform

圖15為1 kg 三硝基甲苯(TNT)當量的爆炸聲源的源級譜級均值(考慮了沖擊波和氣泡脈動)，分別在100 m和300 m深度爆炸的結果。在100 Hz頻點上，譜級約為203 dB。爆炸產生的沖擊波和氣泡脈動之間的時延導致頻譜上出現一定的干涉結構，頻率小于100 Hz 時，不同爆炸深度的聲彈聲源級譜級有明顯差異。在估計水聽器臺站對水下爆炸的監測能力時，認為1 kg TNT 當量的聲源譜級為205 dB，考慮沖擊波和氣泡脈動的總能量，爆炸當量每擴大10倍，源級增加6.4 dB[15]，則得到不同爆炸當量的源級譜級，如表4所示。

圖15 1 kg TNT 當量爆炸聲源級均值Fig.15 The average source level of 1 kg TNT equivalent weight exposive charge

表4中的數據是以爆炸當量為kg 量級的實測數據外推得到，對于大當量的水下爆炸來說，具有參考意義。但對于實際情況，水下爆炸產生的水下聲源級與多種因素有關，如爆炸深度、爆炸類型。水下突發事件伴隨的爆炸，一般相當于100 kg TNT 當量量級，如2017年11月15日失事的阿根廷潛艇圣胡安號相關的爆炸[16?17]。對于水下核爆的情況，其和化學爆炸也有區別。與化學爆炸相比，核爆釋放的能量更多轉換為沖擊波。化學爆炸產生的氣泡中主要是爆炸產物，可以認為是同質(Homogeneous)的；而核爆產生的氣泡包含蒸汽，是不同質(Nonhomogeneous)的。在氣泡振蕩過程中，氣泡-水界面上的泰勒不穩定性(Taylor instability)使水進入氣泡并冷卻氣泡，導致更多的能量損失，使得氣泡的振蕩次數減少。化學爆炸中，首次氣泡的40%能量保留在二次氣泡中，而核爆中首次氣泡的能量只有8%保留在二次氣泡中。這導致核爆的氣泡脈動次數比化學爆炸的明顯要少，如圖16[18]所示。水下爆炸產生的沖擊波和氣泡脈動是遠距離傳播的主要形式，不同爆炸類型及爆炸深度都會影響實際的源級。當核爆發生的深度較淺時，產生的氣泡不完整，大量能量傳遞到大氣中，也會降低其產生的水下聲場強度，從而影響水聲臺站對此類事件的監測能力。

表4 爆炸源級與當量的關系Table 4 The relationship between explosive source level and equivalent weight

圖16 氣泡能量損失及脈動次數[18]Fig.16 The relationship between bubble energy loss and bubbble pulsation[18]

根據表4中的數據，對比前面計算得到的傳播損失圖像，對于1 kg TNT 當量的爆炸，HA11 臺站的監測能力覆蓋了北太平洋的大部分區域。對于更大當量的水下爆炸，監測能力可部分覆蓋中國南海東北部及中國東海東部部分海區。

4 結論

IMS 水聲臺站利用深海信道實現了大范圍的核爆監測。由于潛艇的輻射噪聲源級很低，現有IMS水聽器臺站對潛艇的探測能力非常弱。只有當潛艇本身源級較高或者因航速提高而源級增大時，才可能有1 km 左右的探測能力。為了提高對潛艇的被動水聲探測能力，有必要利用接收系統的陣處理增益或者時間增益，以提高聲吶系統的優質因子FOM。另外，當潛艇必須通過位于深海聲道軸附近的接收水聽器時，根據本文的仿真結果，應該選擇較淺的工作深度，并選擇噪聲級較小的工況(航速)。而對于水下爆炸引起的突發事件等，由于水下爆炸的聲源級較高，水中的傳播損失低，IMS水聽器臺站對水下爆炸事件的監測能力可覆蓋絕大部分大洋區域。