深海條件下航空聲吶使用研究

中圖分類(lèi)號(hào)：E917：TJ67 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1673-3819.2025.05.003

Abstract：Inthis paper，theuseof airborne sonarunderdepsea conditionsis studied.Thesonardetectiondistance model isestablishedbyusing thesonarequation.Basedontheanalysisof thestructureandvariationcharacteristicsofthedep-sea soundvelocityprofile，theunderwatersoundfielddistributionunderdiferentdeep-seasoundvelocityprofilestructuresand diferentsonardetectiondepthsissimulatedbyusing therayacousticmodel.Thesubmarine'sactivitylawisanalyzed，and therelationshipbetweenthesonarworkingdepthandtheaveragedetectiondistanceisobtained.Theresultsshowthatunder deepseaconditions，theincreaseof theworkingdepthoftheairbornesonarisbeneficialtothedetectionofunknowndepth targets.The research results have guiding significancefor guiding theuse of aerial sonar in deep sea conditions.

KeyWords：deep sea sound velocity profile；airborne sonar；detection distance；working depth

航空反潛具備速度快、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、搜索范圍大、搜索效率高等突出優(yōu)勢(shì)[1]，是當(dāng)前各海軍強(qiáng)國(guó)的首選反潛兵力，也是反潛體系聯(lián)動(dòng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。航空聲吶是航空反潛最重要的搜潛裝備，包括航空吊放聲吶和主/被動(dòng)聲吶浮標(biāo)，其中航空吊放聲吶可以連續(xù)變深，聲吶浮標(biāo)可以設(shè)定工作深度檔位，以美國(guó)定向聲吶浮標(biāo)為例，其深度檔位為27-61-122-305米，部分國(guó)家的聲吶浮標(biāo)還具備工作變深能力[2-3]。航空聲吶對(duì)水下目標(biāo)的探測(cè)范圍受到海洋環(huán)境影響，工作深度不同，對(duì)目標(biāo)的探測(cè)效能不同。文獻(xiàn)[4-7]基于潛艇運(yùn)動(dòng)規(guī)律模型、不同聲速剖面下的聲學(xué)特性，分析了淺海條件下的聲吶浮標(biāo)最佳工作深度。文獻(xiàn)［8-10]研究了深海環(huán)境下，聲速剖面對(duì)聲吶探測(cè)距離的影響。本文結(jié)合潛艇活動(dòng)規(guī)律，研究深海聲速剖面表層變化情況對(duì)航空聲吶使用影響，得到航空聲吶在深海條件下的最佳工作深度。

1航空聲吶探測(cè)模型

1.1水聲傳播模型

波動(dòng)方程是聲波傳播的基本物理規(guī)律，在不同的假設(shè)和近似情況下，發(fā)展出了射線、簡(jiǎn)正波、多途擴(kuò)展、快速場(chǎng)、拋物方程等不同水聲傳播模型[1]，其中，射線模型適用于高頻情況，將聲波看成聲線在海洋中傳播，能夠有效和直觀解決海洋中的聲傳播問(wèn)題，其基本計(jì)算方法如下：

波動(dòng)方程基本形式為

式中， p 為聲壓， c 為聲速。將公式（1）變換到頻域，得到亥姆霍茲方程

其解的一般形式為

將式（3）代入式（1），可以得到程函方程和強(qiáng)度方程，分別為

其中，程函方程給出聲線傳播的方向、傳播軌跡和傳播時(shí)間，強(qiáng)度方程給出每條聲線傳播過(guò)程中的振幅。

假定一簇聲射線使與 ?τ 時(shí)的波陣面相垂直，可定義聲線軌跡為

將式（6）代入（4）可得

根據(jù)高斯定理，體積內(nèi)散度場(chǎng)的積分等于該體積表面的流量場(chǎng)積分，即

其中， n 為指向外部的法向向量，可得

對(duì)于點(diǎn)源聲場(chǎng)，考慮在由兩個(gè)相鄰起始角聲線邊界構(gòu)成的“射線束”，橫截面積滿足

式中， J 是與射線束成正比的量， θ₀ 為橫截面與水平方向的夾角。

將式強(qiáng)度方程（5）重新寫(xiě)為

上式中第一項(xiàng)表示沿聲線方向求導(dǎo)，即

由于雅克比行列式滿足

可以求得強(qiáng)度方程的解為

取初始條件 s=0，τ（0）=0 ，即得聲壓場(chǎng)為

1.2 探測(cè)距離模型

聲吶方程是描述聲吶工作狀態(tài)的基本關(guān)系式，根據(jù)聲吶工作方式可以分為主動(dòng)聲吶方程和被動(dòng)聲吶方程。

主動(dòng)聲吶方程為

SL-2TL+TS-（NL-DI）=DT

被動(dòng)聲吶方程為

SL-TL-NL+DI=DT

其中， _SL 為聲吶聲源級(jí)， π 為傳播損失， TS 為目標(biāo)強(qiáng)度， NL 為海洋環(huán)境噪聲級(jí)， DI 為探潛設(shè)備接收指向性指數(shù)， DT 為檢測(cè)閾。

可進(jìn)一步得到聲吶優(yōu)質(zhì)因數(shù)為

FOM=SL-NL-DT+DI

其物理含義為：當(dāng) FOM?TL ，可認(rèn)為水下目標(biāo)在聲吶的有效探測(cè)范圍之內(nèi)， TL_max=FOM 則表示聲吶探測(cè)水下目標(biāo)允許的最大傳播損失，其對(duì)應(yīng)的距離即為聲吶最遠(yuǎn)探測(cè)距離。

2深海聲速剖面變化分析

聲速剖面是影響水下聲場(chǎng)分布最重要的因素，是海水溫度、鹽度和密度（靜壓力）的函數(shù)。深海聲速剖面呈現(xiàn)明顯的垂直分層結(jié)構(gòu)，由海面到海底分為混合層、躍變層和深海等溫層，在時(shí)間上呈現(xiàn)春、夏、秋、冬明顯的季節(jié)變化[12，不同季節(jié)的聲速剖面示意圖如圖1所示。

圖1不同季度聲速剖面示意圖 Fig.1Schematic diagram of sound velocity profiles in different quarters

深海聲速剖面分層結(jié)構(gòu)中，混合層受到陽(yáng)光照射、風(fēng)浪攪拌、水團(tuán)等作用，聲速剖面會(huì)產(chǎn)生較大的變化，層內(nèi)可能出現(xiàn)正聲速梯度、負(fù)聲速梯度、均勻聲速梯度以及混合聲速梯度情況。躍變層分為季節(jié)性躍變層和主躍變層，季節(jié)性躍變層主要由于表層溫度提高而出現(xiàn)，一般春季開(kāi)始出現(xiàn)，夏季達(dá)到最強(qiáng)，秋季逐漸減弱，冬季消失，主躍變層常年穩(wěn)定存在。深海等溫層常年穩(wěn)定存在，不隨時(shí)間發(fā)生變化。研究深海情況下的聲吶使用，需要充分考慮季節(jié)性躍變層變化和混合層聲速剖面變化。

3 仿真分析

根據(jù)目前各國(guó)潛艇的性能參數(shù)，同時(shí)考慮潛艇不碰觸海面船只、避免空中光電探測(cè)等因素，假定潛艇活動(dòng)深度范圍為50米～300米。潛艇在活動(dòng)中通常需要保持隱蔽性，因此當(dāng)海區(qū)存在明顯利于潛艇活動(dòng)的水層時(shí)，可認(rèn)為潛艇在該水層活動(dòng)，例如當(dāng)存在躍層時(shí)，通常認(rèn)為潛艇活動(dòng)區(qū)域在躍層中。當(dāng)不存在明顯有利于潛艇活動(dòng)水層時(shí)，可認(rèn)為潛艇在活動(dòng)深度范圍內(nèi)均勻分布。假定海深5000米，混合層厚度100米，季節(jié)性躍變層厚度100米 ～200 米，聲道軸深度1000米。

3.1混合層正聲速梯度對(duì)聲吶探測(cè)影響

冬季由于風(fēng)浪攪拌作用，混合層可呈現(xiàn)正聲速梯度剖面，混合層以下呈現(xiàn)負(fù)聲速梯度剖面，此時(shí)垂直聲速剖面如圖2所示。

圖2冬季混合層正聲速梯度情況聲速剖面 Fig.2Sound velocity profile of winter mixed layer withpositivesound velocity gradient

當(dāng)聲源深度分別位于50米、150米情況下，聲場(chǎng)傳播損失如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)聲源位于50米深度時(shí)，部分聲能量向近海面?zhèn)鞑ィ覀鞑ゾ嚯x遠(yuǎn)，部分聲線折向海底。當(dāng)聲源位于150米時(shí)，聲線直接或經(jīng)海面反射后全部折入海底。

不妨設(shè) TL_max=70 dB，當(dāng)航空聲吶分別在50米～100米深度、100米 ～300 來(lái)深度工作時(shí)，平均作用距離隨深度的變化如圖4所示。由圖4可知，由于海表面弱正聲速梯度的存在，使得不同分層的海水，聲吶對(duì)目標(biāo)的探測(cè)能力差別很大。當(dāng)聲吶位于0米～100米深度范圍時(shí)，由于表面上聲道的作用，使得對(duì)0米～100米深度范圍的目標(biāo)探測(cè)范圍很大，可達(dá)12千米以上，由于這種現(xiàn)象的存在，潛艇不會(huì)在這個(gè)水層活動(dòng)，因此重點(diǎn)分析100米 ～300 來(lái)深度的探測(cè)情況。對(duì)于目標(biāo)位于100米～300米深度情況，當(dāng)聲吶位于0米～100來(lái)范圍時(shí)，探測(cè)距離隨深度變化不大，約為3220米～

（a） Sound field distributionata depthof 5O meters for the sound source

（a）聲源深度50米聲場(chǎng)分布

圖3不同聲源位置的聲傳播損失Fig.3 Transmission lossat differentsound source locations

3300米；當(dāng)聲吶深度變大至100米～300米深度時(shí)，隨著聲吶深度的增大，對(duì)目標(biāo)的探測(cè)距離略有增大，由3400米增大至4000米。說(shuō)明在該種聲速剖面結(jié)構(gòu)下，聲吶應(yīng)位于負(fù)聲速梯度水層進(jìn)行探測(cè)，同時(shí)應(yīng)盡可能加大聲吶的探測(cè)深度。

3.2混合層負(fù)聲速梯度對(duì)聲吶探測(cè)影響

夏季由于太陽(yáng)照射作用，海面溫度高，混合層內(nèi)隨著深度增大聲速減小，可呈現(xiàn)強(qiáng)負(fù)聲速梯度剖面，此時(shí)聲速剖面垂直結(jié)構(gòu)如圖5所示。

同樣，當(dāng)聲源深度分別位于正聲速梯度50米、負(fù)聲速梯度150米深度情況下，聲傳播損失如圖6所示，可以看出，不同聲源深度下，均未產(chǎn)生聲道效應(yīng)。此時(shí)，可認(rèn)為潛艇在50米 ～300 米活動(dòng)，深度未知。同樣不妨設(shè) TL_max=70dB ，平均探測(cè)距離隨聲源深度變化如圖7所示，可以看出，在該種聲速剖面結(jié)構(gòu)下，隨著聲吶工作深度增大，平均探測(cè)距離顯著增大，由約2700米增大至4800米。表明，應(yīng)盡可能選用大深度進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)。

圖4平均探測(cè)距離隨聲吶工作深度的變化 Fig.4Thevariationofaveragedetection rangewiththeworkingdepth of sonar

圖5夏季混合層正聲速梯度情況聲速剖面 Fig.5Sound speed profile with positive gradient insummermixed layer

3.3混合層均勻聲速梯度對(duì)聲吶探測(cè)影響

混合層受深度和溫度共同作用，可呈現(xiàn)均勻聲速梯度如圖8所示。

聲源分別位于50米、150米時(shí)，聲傳播損失如圖9所示，可以看出，該種情況與弱正聲速梯度類(lèi)似，潛艇應(yīng)位于100米以下海域活動(dòng)，則不同深度情況下的平均探測(cè)距離如圖10所示，可以看出，當(dāng)混合層為均勻聲速梯度時(shí)，聲吶平均探測(cè)距離隨深度增大先減小后增大，在水層分界面處平均距離最小。而總體來(lái)說(shuō)，該種情況下應(yīng)當(dāng)增大聲吶的工作深度。

4結(jié)束語(yǔ)

本文研究了深海環(huán)境下混合層聲速剖面典型變化，分析了不同聲速剖面情況下對(duì)潛艇活動(dòng)規(guī)律的影響，結(jié)合潛艇活動(dòng)規(guī)律，仿真分析了不同深海聲速剖面情況下聲吶對(duì)未知深度自標(biāo)的作用距離，得出了聲吶的最佳工作深度。仿真結(jié)果表明：（1）當(dāng)混合層聲速梯度變化不同時(shí)，聲吶對(duì)目標(biāo)的探測(cè)距離不同；（2）在深海條件下，混合層為負(fù)聲速梯度時(shí)，更有利于對(duì)目標(biāo)的探測(cè)；（3）在深海情況下，聲吶應(yīng)當(dāng)采用大深度對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。

（a）聲源深度50米聲場(chǎng)分布 （a）Sound fielddistributionwith sound sourcein50 meters

圖6不同聲源位置的聲場(chǎng)分布Fig.6Distribution of sound fields atdifferent sound source positions

圖7平均探測(cè)距離隨聲吶工作深度的變化 Fig.7The average detection distance with sonar working depth

圖8混合層為均勻聲速梯度情況聲速剖面 Fig.8Soundvelocity profilewithuniform sound velocity gradient in themixed layer

（a）聲源深度50米聲場(chǎng)分布 （a） Sound field distributionat Sound source depth of 5O meters

圖9不同聲源位置的聲場(chǎng)分布Fig.9Sound fielddistributionatdifferentsound source positions

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（責(zé)任編輯：胡前進(jìn)）