海底底質(zhì)對(duì)聲納探測(cè)性能的影響分析?

徐 妍 王英志 黃佳維 范培勤

（1.海軍參謀部電子對(duì)抗雷達(dá)聲納局 北京 100841）

（2.海軍工程大學(xué) 武漢 430033）（3.海軍潛艇學(xué)院 青島 266019）

海底底質(zhì)對(duì)聲納探測(cè)性能的影響分析?

徐 妍1王英志1黃佳維2范培勤3

（1.海軍參謀部電子對(duì)抗雷達(dá)聲納局 北京 100841）

（2.海軍工程大學(xué) 武漢 430033）（3.海軍潛艇學(xué)院 青島 266019）

海底底質(zhì)參數(shù)對(duì)水下聲學(xué)傳感器的性能發(fā)揮具有顯著的影響，論文從海底沉積層物理特性的主要參數(shù)出發(fā)，結(jié)合水聲傳播模型，通過(guò)仿真計(jì)算，分析了海底底質(zhì)參數(shù)對(duì)在不同聲速剖面類型下的聲納探測(cè)性能的影響。

海底底質(zhì)；聲納探測(cè)；影響

1 引言

海底作為海洋聲信道的下界面，海底結(jié)構(gòu)、地形和沉積層等要素對(duì)水下聲傳播有著重要影響，在淺海環(huán)境下，這種影響尤為顯著［1］。了解海底沉積物的物理特性以及它與聲學(xué)參數(shù)的關(guān)系，對(duì)聲納作用距離的預(yù)報(bào)以及水聲環(huán)境效應(yīng)方面的研究及其重要。理論上講，要精確地描述海底底質(zhì)對(duì)水下聲傳播產(chǎn)生影響，需要精確的獲取所有的海底底質(zhì)參數(shù)，這在實(shí)際應(yīng)用中不可能做到，本文主要從海底沉積層物理特性的主要參數(shù)出發(fā)，分析了海底底質(zhì)參數(shù)對(duì)聲納探測(cè)性能的影響。

2 海底底質(zhì)及其對(duì)聲納性能的影響

2.1 海底底質(zhì)分類

海底沉積層聲學(xué)參數(shù)主要包括：厚度、密度、聲速和吸收系數(shù)等［1～3］。目前，對(duì)于沉積物物理特性究竟怎樣影響聲速，至今還未能取得一致公認(rèn)的令人滿意的理想結(jié)果，大量的科研人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量和海上現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，已積累了大量的海底底質(zhì)數(shù)據(jù)，并總結(jié)出了一些規(guī)律［4～11］。Hamilton 把聲速按陸架和陸坡、深海丘陵和深海平原三類，分別給出由平均顆粒度、孔隙度、密度和粘土含量預(yù)報(bào)聲速的經(jīng)驗(yàn)公式，并給出了海底沉積層的分類標(biāo)準(zhǔn)［6］，如表1所示。

2.2 海底反射損失

海底沉積層厚度差別很大，在零米到數(shù)千米的范圍內(nèi)變化。沉積層的物理性質(zhì)對(duì)聲傳播的影響是水聲環(huán)境效應(yīng)研究所關(guān)心的問(wèn)題。海底反射損失是海底沉積層的重要物理量，是水聲環(huán)境仿真分析與聲納性能預(yù)報(bào)的重要環(huán)境參數(shù)。海底的聲反射性能取決于海底沉積物的密度ρ，聲速C以及吸收系數(shù)α。對(duì)于均勻液態(tài)海底可以得到瑞利反射系數(shù)［12］：

表1 海底沉積層Hamilton分類

由公式可見，海底反射性能與折射率n的關(guān)系極大，對(duì)于“高聲速”海底（n＜1），有全反射，對(duì)于“低聲速”海底（n＞1），則無(wú)全反射，但有一個(gè)全透射角。因此，在小掠射角時(shí)，“高聲速”海底具有較好的反射性能，而“低聲速”海底則較差。海底反射系數(shù)與掠射角關(guān)系較大，我國(guó)水聲工作者根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，沉積層的反射系數(shù)與掠射角的關(guān)系有如下特性［3］：

式中：Q為小掠射角時(shí)反射損失斜率，φ*為“顯著反射區(qū)”及“弱反射區(qū)”的分界角，-ln ||Vb為大掠射角時(shí)的常數(shù)反射損失。

2.3 海底地聲參數(shù)對(duì)聲納探測(cè)性能的影響分析

為了研究海底地聲參數(shù)對(duì)聲納探測(cè)效能的影響，在不同聲速剖面下，對(duì)表1給出的9種海底底質(zhì)下聲納作用距離的影響進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析（傳播模型：BDRM，頻率：1000Hz；聲源深度、目標(biāo)深度：0～100m，間隔：5m，求平均值），圖1～4分別給出了正聲速梯度、負(fù)聲速梯度、均勻?qū)勇曀偬荻?、聲道形聲速梯度下不同海底地質(zhì)類型的聲納探測(cè)性能仿真結(jié)果。

從圖中可以看出，聲納作用距離隨海底底質(zhì)的變化呈規(guī)律性的變化，具體為：

1）隨海底底質(zhì)類型的變化，聲納作用距離呈現(xiàn)增加，減小，再增加的變化規(guī)律，且同樣的條件下，第一種海底底質(zhì)下聲納作用距離最小，第九種海底底質(zhì)下聲納作用距離最大。

2）靠近海底的聲速呈正梯度變化時(shí)，不同海底底質(zhì)下聲納作用距離的變化不大，呈負(fù)梯度變化時(shí)，不同海底底質(zhì)下聲納作用距離的變化較大。

圖1 正梯度聲速剖面不同海底底質(zhì)聲納作用距離統(tǒng)計(jì)

圖2 負(fù)梯度聲速剖面不同海底底質(zhì)聲納作用距離統(tǒng)計(jì)

圖3 聲道型聲速剖面不同海底底質(zhì)聲納作用距離統(tǒng)計(jì)

圖4 均勻?qū)勇曀倨拭娌煌５椎踪|(zhì)聲納作用距離統(tǒng)計(jì)

這主要是由于當(dāng)靠近海底的聲速剖面是正梯度時(shí)，聲線向海面方向反轉(zhuǎn)，接觸到海底的聲線數(shù)減少，從而海底對(duì)聲場(chǎng)的影響減小。反之，當(dāng)靠近海底的聲速剖面呈負(fù)梯度時(shí)，聲線向海底方向反轉(zhuǎn)，接觸到海底的聲線數(shù)增加，從而海底對(duì)聲場(chǎng)的影響增加。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從海底沉積層物理特性的主要參數(shù)出發(fā)，通過(guò)仿真統(tǒng)計(jì)，分析了海底底質(zhì)參數(shù)對(duì)聲納探測(cè)性能的影響。通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)，淺海環(huán)境下，海底底質(zhì)對(duì)負(fù)聲速梯度下的聲納探測(cè)性能具有較大的影響。海底地質(zhì)對(duì)水下聲傳播的影響機(jī)理非常復(fù)雜，本文僅考慮了海底沉積層物理特性的主要參數(shù)對(duì)聲納探測(cè)性能的影響，海底底質(zhì)對(duì)水下聲傳感器的精細(xì)化影響還需加強(qiáng)研究。

［1］劉伯勝，雷家煜.水聲學(xué)原理（第二版）［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2009.8.

［2］汪德昭，尚爾昌.水聲學(xué)（第二版）［M］.北京：科學(xué)出版社，2013.

［3］尤立克.水聲原理［M］.哈爾濱：哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社，1990.

［4］Hampton L L.Physics of sound in marine sediments［M］.Springer，1974.

［5］Hampton L L.Acoustic properties of sediments［J］.JASA，1967，42（4）：1993.

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［7］尚爾昌.海底反射參數(shù)對(duì)平均場(chǎng)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的控制［J］.海洋學(xué)報(bào)，1979.1（1）：58-64.

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［10］趙敏，胡長(zhǎng)青，屈科.淺海海底單參數(shù)模型分析與研究［J］.聲學(xué)技術(shù)，2014，33（6）：494-498.

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［12］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.

Influence of Seabed Sediment on Sonar Detection Performance

XU Yan1WANG Yingzhi1HUANG Jiawei2FAN Peiqin3
（1.Bureau of EW Radar and Sonar，Staff Department of PLA Navy，Beijing 100841）
（2.Naval University of Engineering，Wuhan 430033）（3.Navy Submarine Academy，Qingdao 266199）

The performance of underwater acoustics sensor is notable impacted by the seabed sediment parameters，this paper from the major parameters of seabed deposit physical characteristic，combines underwater acoustics travelling model，through simulation and calculate，analysises the impact of seabed sediment parameters to sonar detect performance.

seabed sediment，sonar detec，impact analysis

P715

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.029

Class Number P715

2017年5月20日，

2017年6月21日

徐妍，女，碩士，工程師，研究方向：水聲工程。王英志，男，博士，參謀，研究方向：水聲工程。黃佳維，男，碩士，講師，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。范培勤，男，博士，高級(jí)工程師，研究方向：海洋環(huán)境效應(yīng)。