Bellhop模型在拖線陣聲吶效能分析中的應(yīng)用

熊傳梁，王 相，夏青峰

（復(fù)雜艦船系統(tǒng)仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100161）

0 引言

作為反潛作戰(zhàn)裝備體系的重要組成部分，拖曳線列陣聲吶系統(tǒng)（下文簡(jiǎn)稱為拖線陣）以其探測(cè)距離遠(yuǎn)、任務(wù)適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，在各國(guó)海軍中得到廣泛應(yīng)用。由于水下戰(zhàn)場(chǎng)空間的不透明性，如何根據(jù)任務(wù)海區(qū)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行反潛戰(zhàn)術(shù)決策，最大限度發(fā)揮拖線陣探測(cè)效能，是反潛平臺(tái)作戰(zhàn)運(yùn)用中的重要課題之一。

由于聲波在海洋中的傳播受海底地形、海底底質(zhì)、海面、海洋內(nèi)部（包括海流、內(nèi)波、渦、海洋鋒、深水散射層等）的不均勻性的影響，拖線陣聲吶系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用較為復(fù)雜[1]。國(guó)內(nèi)學(xué)者圍繞這一問題，開展了大量研究。其中文獻(xiàn)[2]基于簡(jiǎn)正波聲場(chǎng)模型，分析了不同工作深度水平線列陣聲波的幅度響應(yīng)、相位響應(yīng)，提出以陣列輸出信噪比的某一統(tǒng)計(jì)特性可作為陣列深度選擇標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)水平線列陣的最佳工作深度進(jìn)行預(yù)報(bào)；文獻(xiàn)[3]分析建立了拖線陣聲吶艦位最小配置距離模型，并給出了拖線陣作戰(zhàn)使用建議；文獻(xiàn)[4]提出了目標(biāo)舷角計(jì)算方法，分析了目標(biāo)距離、拖線陣?yán)|長(zhǎng)對(duì)聲吶測(cè)向的影響，給出了目標(biāo)舷角差值隨纜長(zhǎng)變化規(guī)律；文獻(xiàn)[5]基于拋物方程近似，采用RAM軟件仿真分析了深海聲道下傾斜海底對(duì)聲傳播的影響，得到傾斜海底聲傳播特性的基本結(jié)論，進(jìn)而總結(jié)不同海洋環(huán)境對(duì)聲會(huì)聚區(qū)和聲吶作用距離的影響。本文在拖線陣戰(zhàn)術(shù)決策框架基礎(chǔ)上，基于射線理論采用BellHop 3D模型，仿真分析了臺(tái)灣以東海域海底地形影響下的聲傳播，并給出拖線陣聲吶海底地形影響下的作戰(zhàn)運(yùn)用建議。

1 拖線陣戰(zhàn)術(shù)分析框架

拖線陣聲吶戰(zhàn)術(shù)決策過程主要由海洋環(huán)境分析、水聲學(xué)模型分析、聲吶效能分析以及戰(zhàn)術(shù)分析4個(gè)部分組成，其分析框架如圖1所示。

圖1 拖線陣戰(zhàn)術(shù)分析框架圖Fig. 1 Framework diagram of towed line array’s tactical analysis

海洋環(huán)境分析部分，包括對(duì)海面、海底2個(gè)聲反射界面參數(shù)，以及海水溫鹽密深等數(shù)據(jù)采集、分析工作。在盡可能詳細(xì)精確的海面、海底、海水相關(guān)數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)上，建立包括海面形狀、海底地形與底質(zhì)類型、海水聲速場(chǎng)等任務(wù)海區(qū)海洋數(shù)值模型，為后續(xù)工作提供海洋環(huán)境數(shù)據(jù)輸入。

水下聲學(xué)分析部分，包括建立海洋環(huán)境噪聲、聲傳播損失以及回聲3個(gè)部分?jǐn)?shù)值模型。海洋環(huán)境噪聲一般建立在實(shí)測(cè)海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，在任務(wù)海區(qū)無實(shí)測(cè)噪聲數(shù)據(jù)時(shí)，可采用歷史典型噪聲代替；聲傳播損失以及回聲數(shù)值模型，是在海洋環(huán)境數(shù)值模型基礎(chǔ)上，通過射線模型、簡(jiǎn)正波模型等水聲模型建立，其中聲傳播損失是拖線陣探測(cè)距離估計(jì)中最重要的參數(shù)之一，直接影響了拖線陣探測(cè)距離估計(jì)的準(zhǔn)確度與不確定度，而回聲在估計(jì)中難度較大，在主動(dòng)線列陣聲吶探測(cè)效能估計(jì)中應(yīng)用較少。

聲吶效能分析部分，結(jié)合拖線陣聲學(xué)參數(shù)、任務(wù)海區(qū)部分?jǐn)?shù)值模型以及其他參數(shù)，估計(jì)拖線陣優(yōu)質(zhì)因子，通過任務(wù)海區(qū)聲傳播損失與回聲數(shù)值模型，估計(jì)該海區(qū)拖線陣聲吶最大探測(cè)距離。其中，拖線陣聲吶探測(cè)效能估計(jì)的準(zhǔn)確度與效率，是實(shí)際反潛戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)作戰(zhàn)效能的主要影響因素。

戰(zhàn)術(shù)分析部分，在拖線陣探測(cè)效能分析基礎(chǔ)上，結(jié)合水下作戰(zhàn)任務(wù)需求，按照相應(yīng)原則綜合制定兵力戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)方案。

2 聲場(chǎng)仿真與效能評(píng)估模型

2.1 Bellhop模型

Bellhop模型是一套用于預(yù)測(cè)海洋環(huán)境中聲壓場(chǎng)的波束追蹤模型。通過高斯波束跟蹤方法，對(duì)決定聲束寬度和曲率的2個(gè)微分方程與標(biāo)準(zhǔn)射線方程一起進(jìn)行積分，計(jì)算出聲束內(nèi)中心聲線附近的聲束場(chǎng)，把所有聲束按權(quán)重迭加求得復(fù)合聲壓（權(quán)重按照均勻介質(zhì)中的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)源確定），計(jì)算水平非均勻環(huán)境中的聲場(chǎng)[6-7]。Bellhop模型計(jì)算的聲場(chǎng)在頻率范圍為0.6～30 kHz時(shí)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及理論模型符合得很好，被指定為美國(guó)海軍預(yù)報(bào)海洋10～100 kHz頻帶聲傳播的標(biāo)準(zhǔn)模型。模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Bellhop模型結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure diagram of BELLHOP model

利用高斯波束跟蹤方法代替幾何波束跟蹤方法是該模型與傳統(tǒng)射線模型的主要區(qū)別，可以克服傳統(tǒng)射線模型中聲影區(qū)強(qiáng)度為0和焦散線截面為0處聲強(qiáng)度為無窮大的缺陷。但由于模型為確定性模型，不能反映系統(tǒng)的時(shí)變特性，不能處理水平變化的聲速問題[8-9]。

為分析經(jīng)緯度平面內(nèi)聲波水平折射現(xiàn)象，基于Bellhop模型的解決思路有：1）可以從聲源引出的一系列方位線，在每條方位線上通過Bellhop模型進(jìn)行聲場(chǎng)計(jì)算，即所謂的 Bellhop N×2D 或2.5D方法。這種方法忽略了聲能量逸出每條方位線對(duì)應(yīng)的垂直平面的折射，在海洋環(huán)境強(qiáng)烈的海洋學(xué)特征導(dǎo)致聲速存在顯著水平梯度時(shí)，或在任務(wù)海域具有強(qiáng)地形特征情況下，這種逸出平面的效應(yīng)不可忽略[10-11]。2）在三維環(huán)境下的擴(kuò)展Bellhop模型，通過兩次解算求解波束擴(kuò)展方程，第1次解算給出垂直平面上的擴(kuò)展，第2次解算給出經(jīng)緯度水平平面上的擴(kuò)展，計(jì)算包含經(jīng)緯度平面的水平折射和深度方向垂直平面折射的三維聲壓場(chǎng)[12-13]，即Bellhop 3D方法。本文仿真實(shí)例采用Bellhop 3D方法。

2.2 主動(dòng)拖線陣效能統(tǒng)計(jì)模型

本文量化主動(dòng)拖線陣探測(cè)效能的主要思路：結(jié)合對(duì)拖線陣優(yōu)質(zhì)因子的估計(jì)，以發(fā)射聲波單程傳播損失統(tǒng)計(jì)量來衡量拖線陣。

聲源平面坐標(biāo)設(shè)為(x0,y0)，布放深度為d0，設(shè)定發(fā)射角度等其他參數(shù)并輸入Bellhop模型，計(jì)算聲源周圍空間內(nèi)聲場(chǎng)，根據(jù)輸出的.shd文件，提取聲源周圍空間內(nèi)各點(diǎn)聲壓值。設(shè)聲源周圍空間內(nèi)某點(diǎn)（di,αj,lk）聲壓值為pi,j,k，其中，為該點(diǎn)處深度值；αj=10°×j，為該點(diǎn)位聲源方位角；lk=100×k，為該點(diǎn)距聲源水平距離。則該點(diǎn)處傳播損失TLi,j,k為

式中：pref為距離聲源1 m處聲壓值。

將TLi, j, k在方位、深度兩維度上取均值，計(jì)算點(diǎn)處平均傳播損失，即

設(shè)優(yōu)質(zhì)因子為FOM，則

式中：SE為聲源級(jí)；SL為拖線陣自噪聲級(jí)；DIT和DIR分別為發(fā)射陣和接收陣空間增益；DT為檢測(cè)域；TS為目標(biāo)強(qiáng)度；NL為海洋環(huán)境噪聲級(jí)。通過估算優(yōu)質(zhì)因子，并令，計(jì)算出k值，則lk=100×k即為拖線陣位(x0,y0)，布放深度為d0處的最大探測(cè)距離。

對(duì)于某搜索航路，設(shè)t時(shí)刻拖線陣周圍空間內(nèi)發(fā)射傳播損失為TLt，i，j，k，為判斷該航路拖線陣搜索效能，計(jì)算時(shí)將TLt，i，j，k在時(shí)域、方位、深度三維度上分別取均值，得出該搜索航路上平均傳播損失，并令，計(jì)算出k值，則lk=100×k即為拖線陣在該搜索航路上的搜索效能。

3 仿真分析

選擇臺(tái)灣以東600 km×600 km海域作為研究區(qū)域，該區(qū)域海底地形渲染圖如圖3所示。臺(tái)灣以東海區(qū)位于太平洋西部，為諸多群島所環(huán)繞，南北長(zhǎng)2 900 km，東西寬2 400 km，面積為5.12×106km2，平均水深約為6 000 m，最大水深為10 497 m。研究區(qū)域地形復(fù)雜多變，溝谷、海脊縱橫交錯(cuò)，形成復(fù)雜的島坡地形地貌。以加瓜海脊為例，該海脊是一個(gè)高差較大且兩側(cè)坡度較陡的巨大深海海脊，位于水深約5 000 m的深海盆地之上。地形變化復(fù)雜，海山為孤峰狀海山，相對(duì)高差約為700～1 500 m，總體呈南北向延伸。南北向延伸約350 km，寬30 km左右，高出海底3～4 km，海脊頂部水深小于2 000 m。從南向北頂部水深逐漸增大，頂部相對(duì)高差減小，海脊寬度和規(guī)模也隨之變小，海脊邊緣坡度較陡，溝、槽、谷發(fā)育，向下直接變?yōu)樯詈Ｆ皆?/p>

仿真實(shí)例中地形、聲速數(shù)據(jù)來源見參考文獻(xiàn)[14]，在研究區(qū)域布設(shè)6條航線，以航線上發(fā)射聲波單程平均傳播損失為統(tǒng)計(jì)量，分析各航線聲場(chǎng)傳播及探測(cè)效能。其中1-3號(hào)航線呈南北走向，航線間隔120 km，4-6號(hào)航線呈東西走向，航線間隔90 km，在各航線交叉點(diǎn)選取采樣點(diǎn)，如圖4所示。分析航線上各采樣點(diǎn)發(fā)射聲波單程聲場(chǎng)傳播，統(tǒng)計(jì)航線單程平均傳播損失作為該航線探測(cè)效能量化指標(biāo)。

圖3 研究區(qū)域Fig. 3 Area of research

圖4 聲源位不同位置發(fā)射聲線追蹤（部分）Fig. 4 Ray tracing of sound source from different points

由于受北呂宋海脊和加瓜海脊附近地形影響，航線1-6上的聲線傳播水平折射效應(yīng)明顯，引起拖線陣探測(cè)目標(biāo)方位角誤差。其中采樣點(diǎn)1、采樣點(diǎn)4、采樣點(diǎn)5處，由于海底地形起伏較大，因此拖線陣探測(cè)目標(biāo)方位角誤差較大；由于航線3探測(cè)范圍內(nèi)海底地形相對(duì)平坦，因此其聲線傳播過程中探測(cè)目標(biāo)方位角誤差較小。

圖5中，在采樣點(diǎn)1、采樣點(diǎn)4、采樣點(diǎn)5附近受海底較大起伏地形影響下，航線1和航線5在3 km探測(cè)范圍內(nèi)平均傳播損失隨距離呈現(xiàn)陡增趨勢(shì)。同時(shí)，由于上述地形變化引起的多路徑效應(yīng)，在3～5 km探測(cè)范圍內(nèi)平均傳播損失隨距離呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。航線2、航線4、航線6探測(cè)范圍內(nèi)平均傳播損失隨距離變化趨勢(shì)相近。相對(duì)其它5條航線，航線3探測(cè)范圍內(nèi)海底地形較平坦，平均傳播損失整體較小，對(duì)于給定FOM，航線3搜索效能明顯優(yōu)于其他5條航線。各航線探測(cè)范圍內(nèi)平均傳播損失統(tǒng)計(jì)信息如表1所示。

圖5 各航線對(duì)應(yīng)的平均傳播損失Fig. 5 Average propagation loss in the searching routes

表1 各航線探測(cè)范圍內(nèi)平均傳播損失統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of average propagation loss in the searching routes

4 結(jié)束語

在本文仿真實(shí)例中，海底地形起伏一方面影響聲線傳播路徑，在水平方向上聲線傳播方向發(fā)生彎曲，在部分探測(cè)范圍內(nèi)引起較大測(cè)向誤差；另一方面引起聲吶系統(tǒng)近程傳播損失顯著增加，減小了拖線陣最大探測(cè)距離。鑒于上文分析，在海底較平坦的開闊海域，拖線陣拖曳方向可自由布設(shè)，在海底地形起伏變化較大的搜索海域，搭載拖線陣的反潛平臺(tái)搜索航線可垂直于等深線方向布設(shè)，由小水深向大水深方向搜索。

在本文提出的效能評(píng)估方法中，可改變海洋環(huán)境中某一因素，其他因素固定，考察該因素影響下拖線陣聲場(chǎng)傳播規(guī)律，量化分析該因素影響下拖線陣的作戰(zhàn)使用問題，對(duì)比不同運(yùn)用方案下作戰(zhàn)效能，為反潛任務(wù)規(guī)劃提供參考。同時(shí)，本文的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)較單一，不能完整地反映聲場(chǎng)傳播特征，有待進(jìn)一步完善。