海洋環(huán)境對(duì)聲納系統(tǒng)的影響研究

佟宏偉

摘 要：聲納系統(tǒng)對(duì)海洋中目標(biāo)的探測(cè)依賴于海面、水下和海底等海洋環(huán)境，聲納系統(tǒng)作用的距離也與海洋的水文環(huán)境密切相關(guān)，舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)同樣一部聲納在不同的海域、不同的海洋環(huán)境中的探測(cè)性能相差十分懸殊。因此，面對(duì)復(fù)雜多變的海洋環(huán)境，我們要想正確熟練的操作聲納裝備就必須充分了解海洋環(huán)境和海洋環(huán)境對(duì)聲納系統(tǒng)的具體影響，這樣才能在深海環(huán)境中占據(jù)有利的位置。文章作者根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，介紹了海洋中水聲環(huán)境的復(fù)雜性以及聲納裝備的各種特點(diǎn)，并闡述了海洋環(huán)境對(duì)聲納系統(tǒng)使用性能的影響，最后總結(jié)了聲納系統(tǒng)與海洋環(huán)境相適應(yīng)的具體方法和對(duì)策以期為相關(guān)人員提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：海洋環(huán)境；聲納系統(tǒng)；影響；研究

中圖分類號(hào)：X834 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）30-0056-02

Abstract： The detection of targets in the ocean by sonar system is dependent on the ocean environment such as sea surface， underwater and seabed. The range of sonar system is also closely related to the hydrological environment of the ocean. For example， the detection performance of the same sonar in different sea areas and different marine environments is very different. Therefore， facing the complex and changeable marine environment， if we want to operate sonar equipment correctly and skillfully， we must fully understand the marine environment and the specific impact of the marine environment on sonar system， in order to occupy a favorable position in the deep-sea environment. From the author's working experience， the complexity of underwater acoustic environment in the ocean and various characteristics of sonar equipment are introduced， and the influence of marine environment on the performance of sonar system is expounded. Finally， the specific methods and countermeasures to adapt sonar system to the marine environment are summarized in order to provide some reference for related personnel.

Keywords： marine environment； sonar system； impact； research

海洋中海面、水下與海底一同形成了一個(gè)對(duì)聲波傳播十分復(fù)雜的信道，海洋中內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)以及其上、下表面，對(duì)聲音的傳播會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。另外海洋中海水介質(zhì)是一種非均勻介質(zhì)，由于海水本身對(duì)聲波的吸收、聲音傳播中聲波不斷的擴(kuò)散以及各種其他原因，導(dǎo)致聲波在傳播過(guò)程中強(qiáng)度隨著時(shí)間和距離的擴(kuò)散逐漸減弱。由于海洋環(huán)境的復(fù)雜多變，致使聲音信號(hào)在海洋中傳遞存在巨大的漲落和畸變，聲納作用的距離和效果與實(shí)際海洋環(huán)境以及目標(biāo)等密切相關(guān)，因此研究聲納系統(tǒng)是如何根據(jù)海洋環(huán)境進(jìn)行聲音傳遞和目標(biāo)探測(cè)的，對(duì)于提高聲納系統(tǒng)的傳遞性和探測(cè)性具有極其重要的意義。

1 水聲壞境的復(fù)雜性

1.1 季節(jié)性特點(diǎn)

季節(jié)因素對(duì)海洋中水聲傳播具有一定的影響，由于各個(gè)季節(jié)海洋中日照程度、氣溫、海流方向和海洋中風(fēng)浪大小各不相同，因此聲音的傳播和聲速的變化具有強(qiáng)烈的季節(jié)性特點(diǎn)。在這些影響因素中，氣溫對(duì)聲音傳播的影響程度最大。通常來(lái)說(shuō)，在冬季海洋中海水表面的溫度較低，聲速分布上看呈正梯度分布，聲線向海面方向彎曲，因此在冬季聲納的探測(cè)距離相對(duì)較遠(yuǎn)，探測(cè)效果相對(duì)較好。在夏季，白天海面的日照時(shí)間較長(zhǎng)海水的溫度變化較大，海水的水溫情況較復(fù)雜；具體形容為海水表層的溫度較高，但隨著水深的增加海水的溫度逐漸下降，此時(shí)溫度分布由上至下呈現(xiàn)倒梯形分布，聲速的傳播同樣也是由上向下呈現(xiàn)倒梯形分布，聲線傳播的路徑由海面彎向海底，因此相對(duì)于冬季來(lái)說(shuō)，夏季聲納的探測(cè)距離較近，探測(cè)效果相對(duì)較差。第二，不同的季節(jié)風(fēng)向和風(fēng)力程度不同，舉個(gè)例子海水表層如果受到臺(tái)風(fēng)的影響，臺(tái)風(fēng)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)將一定深度以內(nèi)的海水?dāng)嚢璩蔀榈葴貙樱@導(dǎo)致在一定深度之內(nèi)海水的溫度都是相同的，而在等溫層以下海水的溫度會(huì)大幅度下降出現(xiàn)溫度的極度跳躍，這個(gè)溫度跳躍層可能很薄但是會(huì)將海水劃分為兩個(gè)區(qū)域，這個(gè)溫度的跳躍對(duì)高頻聲波有極強(qiáng)的屏蔽作用，聲波穿越的時(shí)候聲線會(huì)發(fā)生急劇的彎曲對(duì)聲波的傳遞造成嚴(yán)重影響。第三，一些時(shí)候遇到晝夜溫差較大的海域，對(duì)聲音的傳播也會(huì)造成較大的影響進(jìn)而影響聲納的探測(cè)效果；在白天海洋的日照時(shí)間較長(zhǎng)日照較充分，海水表面的溫度較高，上文已經(jīng)說(shuō)過(guò)，這時(shí)候溫度的變化由上至下成為倒梯形，而在夜晚海水表層的溫度下降，溫度低于深海溫度這時(shí)溫度由上至下形成正梯形分布，這就是我們知道的“午后效應(yīng)”，根據(jù)季節(jié)性的特點(diǎn)，夏季的這種“午后效應(yīng)”要比冬季的更為明顯。

1.2 區(qū)域性特點(diǎn)

在海洋上劃分可以將海域分為深海區(qū)域和淺海區(qū)域，這兩種區(qū)域?qū)λ暤膫鞑ヒ簿哂胁煌挠绊?。在深海區(qū)域，聲音傳播的聲速可以分為表面層、躍變層、主躍層和深海等溫層，其中主躍層和深海等溫層構(gòu)成了深海聲道，這時(shí)候聲道附近的聲波在聲道軸上下反復(fù)傳播，聲波主要被聚集在這一范圍內(nèi)傳播，很少的一部分能夠經(jīng)過(guò)海面和海底的反射，因此聲波的聚集程度較高損失量較小，聲波可以在這一范圍之內(nèi)傳播很遠(yuǎn)。而在淺海海域，海面會(huì)反射大量的聲波同時(shí)海面也是聲散射體，遇到海面不平靜時(shí)其對(duì)聲波的影響程度就更大；另外，海底也是較大的聲反射體和散射體，海底存在大量的泥沙、巖石且這部分物質(zhì)的密度大不相同，因此造成在海底聲音的反射應(yīng)難以預(yù)估，由于在淺海海域，海面與海底之間的距離較小通常只有二三百米，聲音在這段距離內(nèi)經(jīng)過(guò)多次的反射和散射造成聲波的損失程度較大，而且有很多因素也會(huì)造成聲波發(fā)生畸變，因此在淺海，聲波的傳遞以及聲納系統(tǒng)的探測(cè)效果就要比深海區(qū)域差得多。

2 海水中聲音傳播的特性

海洋聲學(xué)環(huán)境主要包括海洋中的噪音、聲速梯度的分布，聲音傳播的特性和海底聲學(xué)特性等因素。聲音傳播速度低是海水聲學(xué)傳播的特性之一，在海水中聲音的傳播速度一般為1500米每秒。第二點(diǎn)，在海水中聲音的傳輸并不是按照直線進(jìn)行傳播的，因此海水的環(huán)境較為復(fù)雜，存在溫度、壓力和密度差距等因素，這些會(huì)造成聲波在傳播的過(guò)程中形成彎曲，其中影響程度最大的是溫度因素。第三，在淺海海域，海洋邊界即海面和海底對(duì)聲音傳播造成的影響是不可忽略的，海面和海底都會(huì)不同程度的讓聲波形成反射和散射，這些現(xiàn)象的合成效果較為復(fù)雜且影響程度較大。

3 聲納裝備的特點(diǎn)

在水下獲取信息的最佳方式就是通過(guò)水下聲納系統(tǒng)，聲納裝備在具體的使用過(guò)程中具有以下特點(diǎn)：

3.1 聲納性能受到環(huán)境的影響比較大

聲納系統(tǒng)的特性受到周圍環(huán)境的影響程度較大，由于海洋中環(huán)境復(fù)雜多變各種不確定因素較多，使得海水中聲納系統(tǒng)的性能不確定，折射效應(yīng)、散射效應(yīng)以及海面和海底的不平整都會(huì)對(duì)聲音的傳播以及聲納信號(hào)造成影響，影響聲納系統(tǒng)的性能。

3.2 聲納性能受安裝平臺(tái)的限制和影響

聲納系統(tǒng)的性能同樣會(huì)受到安裝平臺(tái)的影響，聲納系統(tǒng)安裝平臺(tái)的大小，地理位置等都是有限制的，無(wú)法隨意的增大換能器的尺寸去提高聲納裝備的性能，同時(shí)平臺(tái)自身還會(huì)在工作中產(chǎn)生噪聲，噪聲傳播出去形成背景噪聲對(duì)聲納的探測(cè)性能形成一定程度的影響。

4 海洋壞境對(duì)聲納使用性能的影響

4.1 溫度對(duì)聲納使用性能的影響

由上文可知溫度是對(duì)海洋聲納系統(tǒng)使用性能影響最大的因素之一，海洋各層溫度不同形成的溫度梯層會(huì)嚴(yán)重的妨礙水下的探測(cè)距離和效果，對(duì)于等溫的海水來(lái)說(shuō)聲納的作用距離可以達(dá)到3500米，但是對(duì)于介質(zhì)是負(fù)躍層的海水來(lái)說(shuō)聲納的作用距離大概只有1000米左右。

4.2 海洋中各層對(duì)聲納使用性能的影響

海洋中存在表層聲道、深海層聲道，并且有遠(yuǎn)程傳播區(qū)和海面海底反射等現(xiàn)象的存在，這些現(xiàn)象造成聲音聲陣傾角和接收扇面之間的變化相對(duì)復(fù)雜。在理論上來(lái)說(shuō)如果知道發(fā)射源、海洋海況以及聲場(chǎng)的數(shù)據(jù)就可以推算出海洋中任何地方的聲場(chǎng)，但是實(shí)際操作上看想要精確得出數(shù)據(jù)是很困難的，只能粗略的得出一些結(jié)果。

4.3 聲線彎曲對(duì)聲納系統(tǒng)工作的影響

聲速的梯形分布對(duì)聲納系統(tǒng)探測(cè)的效果影響也很大，有的梯度可以增加聲線的傳播距離，有的梯度就減小聲線的傳播距離。下面就正梯度、負(fù)梯度和聲道型分布做個(gè)簡(jiǎn)要的闡述：（1）聲速正梯度分布一般較易出現(xiàn)在冬季，這時(shí)聲音聲線向海面方向彎曲，聲速正梯度分布通常情況下只出現(xiàn)在海面表層，如果利用回音站探測(cè)目標(biāo)，目標(biāo)存在方位較淺正好在正梯度的范圍內(nèi)，水聲探測(cè)器探測(cè)的距離就較遠(yuǎn)，如果目標(biāo)在深海海域，聲波就傳播不到目標(biāo)深度，這時(shí)候水聲器材就無(wú)法探測(cè)到目標(biāo)物體。因此盡管冬天的探測(cè)距離較遠(yuǎn)，也對(duì)目標(biāo)物的存在水層深度有一定的要求。（2）聲速負(fù)梯度分布一般較易出現(xiàn)在夏季，這時(shí)聲音聲線向海底的方向彎曲，在這種情況下水平方向上的工作距離會(huì)受到較大程度的影響，聲波的傳播距離相對(duì)較近。這時(shí)候作為水面水聲探測(cè)器材針對(duì)不同深度的目標(biāo)探測(cè)的效果和距離存在一定的差異，值得注意的是這時(shí)候如果探測(cè)目標(biāo)較深，距離較近的目標(biāo)反而比較容易探測(cè)。（3）對(duì)于聲道型聲速分布來(lái)說(shuō)，聲音會(huì)比較集中的分布在上下兩層水面中間的部分進(jìn)行傳播，這時(shí)候如果目標(biāo)物體恰巧存在于這一范圍內(nèi)，那么探測(cè)距離勢(shì)必會(huì)很遠(yuǎn)，如果探測(cè)目標(biāo)在聲道層范圍之外那么隱蔽性就會(huì)很好一般情況下很難被探測(cè)到?？偠灾暰€彎曲對(duì)聲納系統(tǒng)探測(cè)效果的影響是十分明顯的，需要我們?cè)诓粩嗟墓ぷ骱蛯?shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)具體的水文情況分析具體的聲音梯度分布并準(zhǔn)確的操縱聲納，確保能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物體。

5 聲納裝備與海洋環(huán)境相適應(yīng)的方法與途徑

第一，隨著水聲建模技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，能夠減輕環(huán)境因素對(duì)聲納探測(cè)系統(tǒng)影響的技術(shù)不斷被探索研究，現(xiàn)階段可以利用環(huán)境自適應(yīng)聲學(xué)處理技術(shù)，解決聲納裝備自身與環(huán)境的問(wèn)題，這種技術(shù)主要包括：采用復(fù)雜信道非平面波。非平穩(wěn)信號(hào)處理技術(shù)，采用復(fù)雜海洋環(huán)境條件下的揚(yáng)聲建模技術(shù)以及發(fā)展低頻寬帶大功率水聲換能技術(shù)等。第二，可以適當(dāng)?shù)囊M(jìn)國(guó)外更先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)，國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家聲納技術(shù)起步早發(fā)展快，各種海洋環(huán)境中的聲音測(cè)量方法和技術(shù)已經(jīng)較為成熟，因此我們要想讓我國(guó)聲納裝備與海洋環(huán)境更好地契合適應(yīng)就應(yīng)該多吸取國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)和案例。

6 結(jié)束語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，海洋環(huán)境對(duì)聲納系統(tǒng)的影響有一定的規(guī)律性和普遍性，為了更好的發(fā)揮聲納系統(tǒng)的性能使之更好的服務(wù)于海洋探測(cè)事業(yè)就一定要加強(qiáng)對(duì)聲納系統(tǒng)在海洋環(huán)境中適應(yīng)性的研究，最終達(dá)到克服海洋環(huán)境對(duì)水聲系統(tǒng)影響的目的。

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