海洋環(huán)境對(duì)反潛巡邏機(jī)聲納浮標(biāo)搜潛裝備的作戰(zhàn)保障*

吳 銘，吳 芳，高青偉

（1.海軍航空兵學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125001；2.海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001）

海洋環(huán)境對(duì)反潛巡邏機(jī)聲納浮標(biāo)搜潛裝備的作戰(zhàn)保障*

吳 銘1，吳 芳2，高青偉2

（1.海軍航空兵學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125001；2.海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001）

反潛巡邏飛機(jī)具有快速反應(yīng)能力強(qiáng)、航程遠(yuǎn)、留空時(shí)間長(zhǎng)、可裝備多種搜潛設(shè)備和攻潛武器以及不易受潛艇威脅的優(yōu)勢(shì)，已成為世界海軍強(qiáng)國(guó)競(jìng)相發(fā)展的裝備。海洋環(huán)境對(duì)航空兵反潛作戰(zhàn)的影響巨大，能否充分利用海洋環(huán)境條件，關(guān)系到搜潛器材能否及時(shí)、有效地發(fā)現(xiàn)潛艇目標(biāo)。主要分析了海洋環(huán)境噪聲對(duì)反潛巡邏機(jī)浮標(biāo)搜潛裝備的作戰(zhàn)保障問題。

反潛巡邏機(jī)，海洋環(huán)境，浮標(biāo)，作戰(zhàn)保障

0 引言

反潛巡邏機(jī)作為海軍反潛體系的重要組成部分，是實(shí)施反潛作戰(zhàn)的重要力量。反潛巡邏機(jī)載重量大，攜帶搜潛設(shè)備和攻潛武器種類多，具有全天候反潛作戰(zhàn)能力。既可遂行反潛作戰(zhàn)任務(wù)，也可用于海區(qū)巡邏、監(jiān)視等任務(wù)；既可用于戰(zhàn)時(shí)作戰(zhàn)行動(dòng)，也可用于平時(shí)遂行非戰(zhàn)爭(zhēng)軍事行動(dòng)；可單獨(dú)遂行任務(wù)，也可與其他兵力協(xié)同完成作戰(zhàn)任務(wù)。

水文、地理及氣象條件對(duì)固定翼反潛飛機(jī)的飛行安全、反潛設(shè)備及武器的使用影響極大，需要掌握任務(wù)海區(qū)的氣象、水文情況，如氣溫、濕度、風(fēng)速，水溫、水聲梯度分布情況等等，并針對(duì)武器設(shè)備特點(diǎn)，充分利用水文氣象條件。能否掌握和有效利用作戰(zhàn)海區(qū)的海洋環(huán)境信息，直接關(guān)系到反潛作戰(zhàn)的成敗。反潛巡邏機(jī)裝備有氣象水文剖面測(cè)量?jī)x、海洋環(huán)境噪聲測(cè)量浮標(biāo)、海水溫度深度測(cè)量浮標(biāo)等設(shè)備，可對(duì)任務(wù)海區(qū)進(jìn)行快速的水文氣象測(cè)量，獲取實(shí)時(shí)水文氣象參數(shù)，以保障搜索和攻擊潛武器設(shè)備使用的需要，并可將測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和下載。因此，海洋環(huán)境保障的重點(diǎn)通常是任務(wù)前保障，在制定反潛作戰(zhàn)方案、計(jì)劃階段，及時(shí)提供相關(guān)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)?；谏鲜龇治?，本文重點(diǎn)分析了海洋環(huán)境噪聲對(duì)反潛巡邏機(jī)浮標(biāo)搜潛裝備的作戰(zhàn)保障問題。

1 海洋環(huán)境噪聲

淺海環(huán)境噪聲比較強(qiáng)，它是多種因素的集合，與潮汐、湍流、海面的風(fēng)浪和雷雨都有關(guān)系，船舶噪聲也是重要的噪聲源。與深海的噪聲比較確定的情形不同，淺海，特別是近海、海灣和港口，環(huán)境噪聲會(huì)隨時(shí)間和地點(diǎn)的不同而顯著變化。噪聲主要由船舶和工業(yè)噪聲、風(fēng)成噪聲和生物噪聲組成。

式中：

SL為聲源級(jí)：指沿聲軸距發(fā)射換能等效中心1 m處，換能器所產(chǎn)生的聲壓級(jí)或聲強(qiáng)級(jí)，單位為dB；

TL為傳播損失：距聲源1 m處的聲強(qiáng)級(jí)與傳遞到目標(biāo)所在位置的聲強(qiáng)級(jí)之差，單位為dB；

NL為噪聲級(jí)：指接收水聽器輸入的噪聲聲強(qiáng)級(jí)，單位為dB；

DL為檢測(cè)閾：指在水聽器輸出端完成特定職能所需要的最小信號(hào)和干擾功率級(jí)差，單位為dB。

1.1 聲源級(jí)SL

將發(fā)送節(jié)點(diǎn)當(dāng)作一個(gè)無(wú)指向性的發(fā)射器，則采用如下公式：

式中，Pr為節(jié)點(diǎn)最大發(fā)射功率；r為計(jì)量點(diǎn)到發(fā)送節(jié)點(diǎn)處的等效中心距離；Ir為距發(fā)送節(jié)點(diǎn)r處的聲強(qiáng)值。距離發(fā)送節(jié)點(diǎn)1 m處的聲強(qiáng)級(jí)，即r=1，可得：

按照聲學(xué)中常用聲強(qiáng)定義，SL還可以表示為：

式中，I0=0.67×10-22W/cm2為參考聲強(qiáng)。

由式（3）和式（4）可得出：

1.2 傳播損失TL

在水聲學(xué)中，常采用傳播損失來(lái)概括海洋中信號(hào)能量損失的效應(yīng)，它定量地描述海洋中距聲源1 m處的聲能量到遠(yuǎn)處某一點(diǎn)時(shí)衰減的大小，表示為距離聲源1 m處的聲強(qiáng)I0和遠(yuǎn)處任一點(diǎn)處聲強(qiáng)Ir的比值：

傳播損失可以認(rèn)為是由于聲能擴(kuò)展和衰減所引起的損失之和，即：

式中，Dr為聲道軸與信道下邊界的距離，單位m；cmax為信道中的最大聲速，單位m/s；Δc為信道中最大聲速與最小聲速的差值，單位m/s。

其中，擴(kuò)展損失是聲信號(hào)從聲源向外傳播時(shí)聲強(qiáng)有規(guī)律減弱的幾何效應(yīng)。對(duì)于無(wú)限均勻介質(zhì)空間，擴(kuò)展是球面擴(kuò)展，聲強(qiáng)隨距離的平方減少，擴(kuò)展損失則隨距離的平方而增加；但對(duì)非均勻有限空間，則是非球面擴(kuò)展，損失的大小與介質(zhì)中聲速分布和界面條件有關(guān)。由于折射和界面反射，海洋的聲傳播信道大都呈現(xiàn)波導(dǎo)效應(yīng)，這時(shí)的擴(kuò)展損失近似呈柱面擴(kuò)展的特點(diǎn)，擴(kuò)展損失隨距離的一次方增加。衰減損失包括吸收、散射和聲能泄漏。聲能量的吸收表現(xiàn)為海水介質(zhì)吸收和界面介質(zhì)（如海底）的吸收，它包含著聲能量轉(zhuǎn)變成熱能的過程，因而它代表了真正聲能量在傳播介質(zhì)中的損失。海水介質(zhì)吸收實(shí)際上是由于介質(zhì)粒子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的粘滯摩擦和化學(xué)離子的馳豫效應(yīng)的結(jié)果；與擴(kuò)展損失一樣，吸收損失也隨距離變化，它通常用吸收系數(shù)α（dB/km）來(lái)定量描述，α意味著由于吸收，每傳輸1 km，聲強(qiáng)衰減α dB。吸收系數(shù)與海水中的化學(xué)成分及其離解度有關(guān)，特別是與聲波頻率有密切的關(guān)系，它隨頻率的增加而顯著地增加，對(duì)于窄帶信號(hào)，介質(zhì)的吸收僅引起聲信號(hào)幅度或能量的衰減；但對(duì)于寬帶信號(hào)，吸收和頻率的關(guān)系可使信號(hào)波形產(chǎn)生畸變（色散效應(yīng)）。海底的吸收損失與海底介質(zhì)、聲波入射方向以及頻率等也都有關(guān)，而且海底的吸收損失遠(yuǎn)大于海水中的吸收。目前，工程上多使用，將其帶入式（8），可得：

聲能量的吸收和擴(kuò)展都與傳輸距離和信號(hào)頻率有關(guān)，從而使得傳播損失與距離和頻率有關(guān)，并隨距離和頻率的增加而增加，如圖1、圖2所示。傳播損失的這一特性會(huì)使高頻信號(hào)在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)有很大的衰減，從而大大降低了信道的可用帶寬。

圖1 傳輸損失與傳輸距離的關(guān)系

圖2 傳輸損失與傳輸距離和工作頻率的關(guān)系

1.3 環(huán)境噪聲級(jí)NL

環(huán)境噪聲是影響信噪比的另一個(gè)重要因素。在海洋中有許多噪聲源，包括潮汐、湍流、海面波浪、風(fēng)成噪聲、生物噪聲、航船及工業(yè)噪聲等，噪聲的性質(zhì)與噪聲源有密切的關(guān)系，在不同的時(shí)間、深度和頻段有不同的噪聲源。在水聲學(xué)中，通常用環(huán)境噪聲級(jí)來(lái)描述環(huán)境噪聲。水聲信道的噪聲是準(zhǔn)高斯分布的。不同的聲源有著不同的帶寬和噪聲級(jí)，且隨時(shí)間和空間變化。因此，要給出噪聲的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式是很困難的。實(shí)驗(yàn)觀察可以發(fā)現(xiàn)，如圖3所示，頻率在10 Hz以下的噪聲主要來(lái)源于海洋的擾動(dòng)，頻率在50 Hz～500 Hz之間的噪聲主要來(lái)源于航船并和地理位置密切相關(guān)，對(duì)于較高頻率噪聲，即頻率在500 Hz～50 kHz的噪聲，主要來(lái)源于海面的風(fēng)浪，而對(duì)于超過50 kHz的噪聲，則主要來(lái)源于海水中的分子熱騷動(dòng)。在淺海信道，生物活動(dòng)和沿岸工業(yè)也是信道的噪聲來(lái)源。而且，噪聲隨著時(shí)間、日期、季節(jié)、地理位置、行船密度和天氣的變化將產(chǎn)生一個(gè)很大的變化范圍。所有的這些，將使淺海信道成為一個(gè)嚴(yán)重的時(shí)變、空變?cè)肼曅诺馈?duì)于遠(yuǎn)程水聲通信系統(tǒng)，頻率選擇一般都集中在1 kHz～10 kHz之間。

海洋環(huán)境噪聲仿真模型可以使用4個(gè)噪聲源：湍流、船舶噪聲、海浪及熱噪聲。以下是上述4種環(huán)境噪聲源的噪聲譜級(jí)：

圖3 不同頻率的噪聲分布

其中，f頻率，單位kHz，w風(fēng)速，單位m/s，D為船舶活動(dòng)因子，根據(jù)活動(dòng)頻繁程度由低到高在0～1之間取值。

可得出總噪聲譜級(jí)為：

由圖4、圖5仿真結(jié)果可見：海洋環(huán)境噪聲譜與海面風(fēng)浪的關(guān)系最為密切，可由海面風(fēng)浪的噪聲譜近似總海洋環(huán)境噪聲譜，而且隨著浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)工作頻率的升高，海洋環(huán)境噪聲譜隨著先逐漸增大再逐漸減小。

圖4 環(huán)境噪聲譜與4種環(huán)境噪聲源的關(guān)系

圖5 環(huán)境噪聲譜與工作頻率的關(guān)系

2 海洋環(huán)境因素對(duì)聲納浮標(biāo)裝備的工作影響分析

反潛巡邏機(jī)上所裝備的聲納浮標(biāo)搜潛系統(tǒng)，主要用于對(duì)敵潛艇進(jìn)行搜索、跟蹤和定位，并可測(cè)量作戰(zhàn)海區(qū)的海洋環(huán)境噪聲和溫度深度剖面。其中，聲納浮標(biāo)分系統(tǒng)由5型聲納浮標(biāo)組成：被動(dòng)全向浮標(biāo)、被動(dòng)定向浮標(biāo)、主動(dòng)全向浮標(biāo)、海洋環(huán)境噪聲測(cè)量浮標(biāo)和溫度深度測(cè)量浮標(biāo)。

基于上節(jié)對(duì)影響浮標(biāo)設(shè)備工作性能的海洋環(huán)境因素分析，并考慮海洋環(huán)境噪聲級(jí)NL與頻率f和海況HK的影響的經(jīng)驗(yàn)公式：

本節(jié)仿真分析了海況等級(jí)、海洋環(huán)境噪聲對(duì)主被動(dòng)聲納浮標(biāo)作用距離的影響，如圖6所示。

圖6 海況等級(jí)、海洋環(huán)境噪聲與主被動(dòng)聲納作用距離的關(guān)系

3 結(jié)論

海洋環(huán)境對(duì)航空兵反潛作戰(zhàn)的影響巨大，能否充分利用海洋環(huán)境條件，關(guān)系到搜潛器材能否及時(shí)、有效地發(fā)現(xiàn)潛艇目標(biāo)。要做到充分利用海洋環(huán)境，必須做好以下幾個(gè)方面的工作：一是作戰(zhàn)指揮人員、機(jī)組人員應(yīng)充分掌握必要的海洋環(huán)境知識(shí)，特別是水聲環(huán)境知識(shí)，掌握海洋環(huán)境對(duì)潛艇活動(dòng)、對(duì)浮標(biāo)探測(cè)器材的影響；二是加強(qiáng)海洋環(huán)境數(shù)據(jù)保障，利用各種渠道，充分收集、持續(xù)更新不同作戰(zhàn)海域在不同季節(jié)的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，掌握各海區(qū)的海洋環(huán)境特點(diǎn)；三是建立海洋環(huán)境數(shù)據(jù)挖掘和分析系統(tǒng)，基于海洋環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)，針對(duì)任務(wù)需求，分析海洋環(huán)境的影響情況，給出有利的搜攻潛武器設(shè)備的使用方案或建議，提高反潛行動(dòng)的科學(xué)性。

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Study of Marine Environment Impacting on Battle Safeguard of Sonar of ASW Patrol Aircraft

WU Ming1，WU Fang2，GAO Qing-wei2
（1.Naval Aviation Arms University，Huludao 125001，China；
2.Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001，China）

ASW patrol aircraft is a rapidly developing field in the great navy power，because of its fast reactivity，far flight course，long flight time，and equipped with many kinds of searching facilities and attacking weapons.Marine environment has very graet effect on ASW.So if making the best of marine environment，it can find submarine timely and effectively.This paper mainly analyzes theproblem of marine environment impacting on the battle safeguard of sonar of ASW patrol aircraft.

ASW patrol aircraft，marine environment，sonar，battle safeguard

TN915

A

1002-0640（2015）05-0017-04

2014-03-20

2014-04-28

國(guó)家自然科學(xué)基金（61271444）；航空科學(xué)基金（20055184005）；泰山學(xué)者建設(shè)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（61271444）

吳 銘（1976- ），男，遼寧葫蘆島人，講師。研究方向：航空兵戰(zhàn)術(shù)。