中尺度渦對潛艇通信與探測的影響分析

馬雨薇，韓 東，魏尚飛

（1.海軍大連艦艇學(xué)院學(xué)員一大隊，遼寧 大連 116018；2.海軍大連艦艇學(xué)院 信息系統(tǒng)系，遼寧 大連 116018；3.海軍大連艦艇學(xué)院學(xué)員五大隊，遼寧 大連 116018）

0 引言

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，軍事通信技術(shù)蓬勃發(fā)展。然而，當(dāng)前以潛艇通信為主的水下通信領(lǐng)域發(fā)展相對落后。以無線電波或光波作為載體進(jìn)行信息傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)通信方式，在海水中的通信距離非常有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前海洋活動的需要。采用聲波作為信息傳輸?shù)妮d體是目前實現(xiàn)水下中遠(yuǎn)距離無線通信的唯一手段。然而，作為信息傳輸通道的水聲信道復(fù)雜多變，具有明顯的地區(qū)性和季節(jié)性，會對聲信號產(chǎn)生許多不同的影響。從通信角度看，它主要的物理效應(yīng)是聲能量的傳播損失、聲傳播的多徑效應(yīng)以及聲信號的起伏效應(yīng)等，對具有高速、大容量及高可靠需求的水聲通信提出了挑戰(zhàn)。從探測角度看，任何聲吶系統(tǒng)都需要有接收機(jī)來接收聲信號。對于潛艇隱蔽來說，改變聲波傳輸路徑可使聲吶探測錯誤，也可以利用聲波折射和反射使得被動聲吶和主動聲吶接收不到回波聲信號和潛艇輻射噪聲，達(dá)到潛艇隱蔽奇襲的效果。因此，多變的水聲信道使得潛艇在戰(zhàn)術(shù)上實現(xiàn)隱蔽成為可能。

除去水聲信道自身性質(zhì)的影響，一些中尺度結(jié)構(gòu)也會對水聲通信和探測產(chǎn)生極大影響，如中尺度渦。20 世紀(jì)70 年代，海洋環(huán)境學(xué)者發(fā)現(xiàn)海洋中的中尺度環(huán)境后，中尺度渦對深海聲傳播的影響引起了國內(nèi)外學(xué)者的極大興趣。各國學(xué)者使用不同聲學(xué)理論模型，掀起了中尺度渦與深海聲傳播間關(guān)系的研究熱潮。Vastnao 和Owens［1］使用射線聲學(xué)研究當(dāng)聲源位于渦旋中且不考慮射線繞射效應(yīng)時，冷渦環(huán)境造成的一處低聲速水域?qū)ι詈Ｂ暤缆晜鞑サ挠绊懀ㄟ^計算Sargasso Sea 渦旋中的聲線軌跡和不同深度處的傳播損失，表明渦旋的存在會形成深海聲道軸。Hardin 和Tappert［2］于20 世紀(jì)70 年代早期首先將拋物線方程法（Parabolic Equation，PE）引入水聲學(xué)，利用實驗提取的環(huán)境數(shù)據(jù)構(gòu)造了一個包括中性浮力侵入引起的聲速波動和內(nèi)波的聲速場，并將此聲速場作為仿真模型的輸入，給出了在低拐點焦散線下相干場和深度散射的模擬結(jié)果。從20 世紀(jì)90 年代開始，Mellberg［3-4］等人采用數(shù)值模擬的方法研究了25 Hz 聲傳播在徑向不對稱灣流渦中的方位變化，提出了海洋聲學(xué)耦合模式，研究聲信號穿過中尺度渦和灣流時在方向上的變化。20 世紀(jì)90 年代以后，國內(nèi)學(xué)者也開始研究海洋中尺度渦結(jié)構(gòu)對聲傳播的影響。尚爾昌［5］等提出一種MOSPEF 算法，能夠計算強(qiáng)烈耦合模式環(huán)境下的聲傳播?？捣f［6］采用拋物線方程模型計算程序FOR3D 計算南海海域的聲速場，并進(jìn)行了特征參數(shù)的靈敏度分析。結(jié)果表明，渦對低頻聲的傳播大于高頻聲傳播，而暖渦能引起渦區(qū)信號強(qiáng)烈的聲衰減。

聲場仿真存在多種模型，典型的有射線模型、簡正波模型及拋物線方程模型等。射線理論是幾何聲學(xué)的近似理論。聲線圖可給聲場以直觀和形象的理解，是解算聲場的一種重要方法［7］。本文利用Bellhop 射線模型對冷水渦和熱水渦分別進(jìn)行仿真，針對每種渦將聲源分別放在渦前端和渦中進(jìn)行仿真，生成傳播損失圖和傳遞函數(shù)圖，進(jìn)而分析得出中尺度渦對潛艇通信和探測的影響。

1 理論分析

1.1 中尺度渦結(jié)構(gòu)

渦旋是海洋中的一種不斷旋轉(zhuǎn)和平移的水體，可以將它類比為大氣中的氣旋或風(fēng)暴。中尺度渦是渦旋的一種，其水平尺度一般在100～500 km，持續(xù)時間為幾天到幾個月不等，常伴隨著大的洋流，蘊(yùn)含著大量能量［8］。根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向，中尺度渦可以分為冷水渦（在北半球為逆時針旋轉(zhuǎn)的氣旋式渦旋）和熱水渦（在北半球為順時針旋轉(zhuǎn)的反氣旋式渦旋）兩大類。典型的冷水渦聲速場模擬結(jié)構(gòu)如圖1 所示，熱水渦聲速場模擬結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

中尺度渦對海洋的擾動一般發(fā)生在海洋的表層，而下層水體幾乎不受影響。中尺度渦主要擾動水平等溫線高度，冷水渦能夠抬升等溫線，熱水渦則能夠下沉水平等溫線。海洋中存在這種中尺度結(jié)構(gòu)會顯著改變聲線的傳播方向和會聚區(qū)的寬度。不同性質(zhì)的渦旋產(chǎn)生的改變不盡相同，給遠(yuǎn)距離定位和測距增加了難度。除了使介質(zhì)參數(shù)非均勻分布外，中尺度渦在不斷運(yùn)動，還會破壞聲傳播的“互易性”。目前，海上實驗己經(jīng)觀測并證實了洋流引起的聲傳播時間差異。

研究中尺度渦對水聲通信和聲吶探測造成的影響，對潛艇達(dá)成隱蔽有效通信和提高戰(zhàn)場生存能力具有重要作用，對我軍反潛戰(zhàn)術(shù)的發(fā)展具有重要的推動意義［9］。

1.2 射線模型基本理論

經(jīng)典射線聲學(xué)范疇對聲場的描述是由射線（聲線）來傳遞聲能量，從聲源出發(fā)的聲線按一定的路徑到達(dá)接收點，接收到的聲能是所有到達(dá)聲線（也稱本征聲線）的疊加結(jié)果。由于聲線都有一定的路徑，相應(yīng)地有一定的到達(dá)時間和強(qiáng)度［10］。因此，在射線聲學(xué)范圍內(nèi)有兩個基本方程，一個是用于確定聲線行走規(guī)律的程函（Eikonal）方程式，一個是用于確定聲線強(qiáng)度的強(qiáng)度方程式，分別表示為：

汪德昭給出了射線聲場在分層介質(zhì)中的表示：

在1804年《法國民法典》中，授權(quán)與委任契約是一回事，被界定為委任人向受委任人授予以其名義并為其利益而為某事的權(quán)力的行為(第1984條)；該契約非為要式契約，可通過信件、口頭和默示的方式締結(jié)(第1985條)；然后還就概括委任契約的內(nèi)容與限度、受委任人之行為的法律效果立即而直接地對委任人發(fā)生、受委任人就超越委任范圍的行為承擔(dān)責(zé)任，以及本人在未作出委任或者受委任人超越委任限度行事時的追認(rèn)做了若干具體規(guī)定。所有的這些規(guī)則顯然忠實地遵循了羅馬法傳統(tǒng)，并對1865年舊《意大利民法典》和現(xiàn)今依然有效的1889年《西班牙民法典》產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。1811年《奧地利普通民法典》的相關(guān)規(guī)則與此并無重大差異。

式中，W為單位立體角輻射功率；θ0為聲源處聲線的掠射角；θz為任一深度z處的掠射角；n(z)為折射率；ε為分離常數(shù)；R為距離。

傳統(tǒng)射線模型在計算聲影區(qū)和焦散區(qū)聲場時會失效［11］。基于高斯束射線跟蹤算法的Bellhop 模型，把聲束內(nèi)的每根聲線與垂直于該聲線的高斯型強(qiáng)度剖面聯(lián)系起來，對決定聲束寬度和曲率的兩個積分方程與標(biāo)準(zhǔn)射線方程一起積分，可計算出聲束內(nèi)中心聲線附近的聲束場。這個方法成功解決了失效問題，使得結(jié)果更加精確。

1.3 Snell 定律

射線理論最重要的實用結(jié)果是Snell 定律［12］。它描述了聲線在聲速變化的介質(zhì)中的折射規(guī)律。已知射線聲學(xué)所遵循的Snell 定律為：

式中，α為聲傳播方向與水平坐標(biāo)ox的夾角，稱為掠射角；c為該處聲速；α0和c0為聲線出射處的對應(yīng)值；d為常數(shù)。若α0和聲速的垂直分層分布c(z)已知，可以按照Snell 定律求出海洋中任意深度處聲線的掠射角，也就確定了任意深度處聲波傳播方向。根據(jù)不同的起始掠射角α0，求出不同的α值，對應(yīng)于不同的聲線軌跡。

圖3顯示了聲速負(fù)梯度垂直分布時的聲線走向。聲速隨深度增加而下降，掠射角α隨深度增加而增加，聲線aa彎向海底。圖4 顯示了聲速正梯度垂直分布時的聲線走向。聲速隨深度增加而增加，掠射角α隨深度增加而減小，聲線bb彎向海面。

2 射線模型仿真及對通信和探測影響的分析

本文的探討方向為潛艇通信和探測兩個方向。潛艇在水下潛航時，為了保證行動的隱蔽，一般不會主動用聲吶發(fā)信，因此主要研究潛艇作為收信方的通信。潛艇探測也分為兩種，即其他兵力運(yùn)用水聲探測手段搜潛和潛艇運(yùn)用聲吶探測敵方兵力。從本質(zhì)上說，兩者只是將敵我進(jìn)行對調(diào)，因此只對潛艇使用聲吶探測敵方兵力進(jìn)行仿真，并從兩個角度分析得到的結(jié)果。潛艇使用聲吶進(jìn)行探測分為主動聲吶探測和被動聲吶探測。被動聲吶探測和其他兵力對潛艇通信從聲信號傳播的角度是一樣的，因此借助潛艇通信的仿真圖像進(jìn)行分析即可，這里不單獨對此種情況進(jìn)行仿真。

本文使用射線模型基于Bellhop 進(jìn)行仿真，仿真環(huán)境設(shè)置為深海5 000 m，聲源深度1 000 m，接收器與聲源水平距離200 km，頻率為50 Hz（經(jīng)計算，此仿真環(huán)境滿足使用射線模型的要求），聲線數(shù)量1 000 根，發(fā)射角度-25°～+25°，每1 m 設(shè)置一處接收，水平方向每20 m 計算一次，海底海面均做理想化處理。為不考慮起伏的平面，以深海無表面聲道為標(biāo)準(zhǔn)聲速剖面［13］。首先，對深海標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境進(jìn)行仿真；其次，對中間存在中尺度渦結(jié)構(gòu)的情況仿真（分別對冷水渦和熱水渦仿真），生成深海聲速剖面圖、射線傳播圖、傳播損失圖及傳遞函數(shù)圖，其仿真環(huán)境架構(gòu)如圖5 所示。最后，對聲源在中尺度渦內(nèi)部進(jìn)行仿真（分別對冷水渦和熱水渦仿真），生成深海聲速剖面圖、射線傳播圖及傳播損失圖等，其仿真環(huán)境架構(gòu)如圖6 所示。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)深海環(huán)境仿真

圖7 為本文仿真使用的標(biāo)準(zhǔn)深海聲速剖面圖，圖8 為此標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中聲信號的傳播損失情況，圖9為此標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中聲線傳播情況，圖10 為此標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中聲信號多徑時延與傳播損耗的關(guān)系。

2.2 中尺度渦位于聲源和接收機(jī)中間時的分析

2.2.1 冷水渦位于聲源和接收機(jī)中間

聲信號在中間存在冷水渦的環(huán)境中的傳播損失如圖11 所示，聲線傳播如圖12 所示，傳遞函數(shù)如圖13 所示。中間存在冷水渦的深海聲速剖面圖如圖14 所示。經(jīng)過與標(biāo)準(zhǔn)海洋環(huán)境仿真圖對比可知，存在冷水渦時，聲速剖面存在一塊聲速小的區(qū)域，使這一區(qū)域中聲線彎向冷水渦處產(chǎn)生匯聚作用，形成了類似于深海聲道一樣的聲線傳播通道，因此聲能量在這一通道中的傳播損失較小。通過傳遞函數(shù)的對比可以直觀看到，中間存在冷水渦時傳輸時延較大，但傳播損失較小。

2.2.2 熱水渦位于聲源和接收機(jī)中間

中間存在熱水渦的深海聲速剖面圖如圖15 所示。聲信號在此環(huán)境中的傳播損失如圖16 所示，聲線傳播如圖17 所示，傳遞函數(shù)如圖18 所示。經(jīng)過與標(biāo)準(zhǔn)海洋環(huán)境的仿真圖對比，在存在熱水渦時，可以看到聲速剖面存在一塊聲速較大的區(qū)域，使聲線在經(jīng)過這一區(qū)域時向外發(fā)散，形成一片聲線傳播的盲區(qū)。聲線繞過這片區(qū)域，并在此區(qū)域后繼續(xù)傳播。通過傳遞函數(shù)的對比可以直觀看到中間存在熱水渦時傳播損失增大，但傳輸時延減小。

2.3 聲源位于中尺度渦內(nèi)部時的分析

2.3.1 聲源位于冷水渦內(nèi)部

聲源在冷水渦內(nèi)部的深海聲速剖面圖如圖19所示。聲信號在此環(huán)境中的傳播損失如圖20 所示，聲線傳播如圖21 所示。經(jīng)過與標(biāo)準(zhǔn)海洋環(huán)境的仿真圖對比，聲源處于冷水渦時，聲源處于一塊聲速小的區(qū)域中，在發(fā)射伊始便受聲速剖面的影響發(fā)生聲線匯聚，形成一條明顯的聲線通道。聲線渦內(nèi)損耗較小，當(dāng)傳出渦后隨傳播發(fā)生衰減。

2.3.2 聲源位于熱水渦內(nèi)部

聲源在熱水渦內(nèi)部的深海聲速剖面圖如圖22所示。聲信號在此環(huán)境中的傳播損失如圖23 所示，聲線傳播如圖24 所示。經(jīng)過與標(biāo)準(zhǔn)海洋環(huán)境的仿真圖對比，聲源處于熱水渦時，聲源處存在一塊聲速大的區(qū)域，使聲線一開始便向外發(fā)散，與海底海面發(fā)生反射，并繼續(xù)大尺度地在海中反復(fù)折射反射向前傳播，其中一部分聲線形成大尺度彎曲的傳播通道。由于不與海底海面發(fā)生反射，它的衰減較小。

傳播損失在3 種環(huán)境下（深海標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境、含冷水渦及含熱水渦）隨距離的變化如圖25 所示?？梢钥闯?，當(dāng)聲源位于中尺度渦中時，熱水渦使聲信號產(chǎn)生了極大衰減，在渦的位置尤為明顯，而冷水渦產(chǎn)生的衰減效果和正常海洋環(huán)境相近但略小。

可見，冷水渦有利于潛艇接收水聲通信信號，但不利于潛艇使用主動聲吶的探測；熱水渦不利于潛艇接收通信信號，但有利于擴(kuò)大主動聲吶探測精度，且在探測精度和距離上有所限制。

3 結(jié)語

針對中尺度渦對水聲信號傳播造成的極大影響，本文以射線模型為理論基礎(chǔ)，借助Bellhop 對深海中中尺度渦存在于聲源和接收機(jī)中間和聲源位于中尺度渦內(nèi)部兩種情況分別對冷水渦和熱水渦進(jìn)行仿真，得到冷水渦和熱水渦對潛艇通信和潛艇主動利用聲吶進(jìn)行探測的具體影響效果，可為未來戰(zhàn)場上潛艇在復(fù)雜海洋環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)提供借鑒。