“淺海”條件下聲納浮標(biāo)最佳入水深度

郁紅波，鞠建波，楊少偉

(1.海軍航空大學(xué)，山東 煙臺(tái) 264001；2.解放軍91388部隊(duì)，廣東 湛江 524000)

0 引言

被動(dòng)聲納浮標(biāo)在航空搜潛過程中扮演著十分重要的角色。反潛巡邏機(jī)在檢查/巡邏反潛過程中，通常布設(shè)浮標(biāo)陣對(duì)潛艇目標(biāo)進(jìn)行包圍和攔截，而浮標(biāo)的作用距離直接影響浮標(biāo)包圍陣的搜潛概率。研究發(fā)現(xiàn)浮標(biāo)的作用距離與入水深度有很大的關(guān)系，因此研究浮標(biāo)作用距離最大時(shí)的最佳入水深度對(duì)后續(xù)反潛至關(guān)重要。

文獻(xiàn)[1—3]研究了反潛巡邏機(jī)利用雙基地的原理布設(shè)浮標(biāo)陣，并且對(duì)雙基地浮標(biāo)包圍陣進(jìn)行了效能評(píng)估，得出了雙基地的搜潛概率，但文獻(xiàn)在對(duì)浮標(biāo)包圍陣進(jìn)行效能評(píng)估時(shí)假設(shè)浮標(biāo)的作用距離是個(gè)定值，沒有考慮聲速剖面和浮標(biāo)入水深度對(duì)浮標(biāo)作用距離的影響；文獻(xiàn)[4]研究了近淺海浮標(biāo)最佳入水深度，得出了不同聲速剖面下浮標(biāo)的最佳入水深度，有一定的軍事價(jià)值，但文獻(xiàn)中只是固定了潛艇的航行深度，沒有考慮潛艇在深度上的散布規(guī)律；文獻(xiàn)[5]研究了浮標(biāo)最佳入水深度，并且考慮了不同聲速剖面下潛艇在海域深度上的散布規(guī)律，以探測(cè)概率作為衡量標(biāo)準(zhǔn)選擇浮標(biāo)的最佳入水深度。綜合以上文獻(xiàn)的研究，本文在考慮聲速剖面和潛艇在深度上散布規(guī)律的情況下，用平均作用距離作為衡量標(biāo)準(zhǔn)選擇浮標(biāo)的最佳入水深度。

1 潛艇的輻射噪聲

潛艇輻射噪聲源來源于許多方面，主要包括機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動(dòng)力噪聲。但在艦船輻射噪聲信號(hào)仿真中，一般將機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲當(dāng)做主要噪聲源進(jìn)行仿真，水動(dòng)力噪聲在強(qiáng)度上往往會(huì)被以上的兩個(gè)噪聲信號(hào)所掩蓋。本文對(duì)噪聲的計(jì)算仿真模型如下式[6]：

(1)

(2)

式(1)中：Vc為潛艇航行的臨界速度；V為潛艇的航行速度；H為潛艇航行的深度，m；Vc100為潛艇在航行深度為100 m時(shí)的臨界速度，kn;p為海平面上標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Pa;ρ為海水密度，kg/m3;pd為潛艇航行處水的飽和蒸汽壓力，由于其值遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，計(jì)算時(shí)忽略不計(jì)，pd100為100 m深度時(shí)水的飽和蒸汽壓力，計(jì)算時(shí)亦可忽略；g為重力加速度,m/s2;b表示潛艇速度超過臨界航速后輻射噪聲隨航速的變化，按潛艇類型取1.5～2；Δ為潛艇速度超過臨界航速后輻射噪聲聲源級(jí)的增量，按潛艇類型取25～50 dB。

本文中潛艇為安靜潛艇，取a=2，b=1.5。

表1 臨界速度公式中參數(shù)表Tab.1 Parameters of critical velocity

對(duì)式(2)中潛艇輻射噪聲信號(hào)進(jìn)行仿真,如圖1所示。

圖1 潛艇的輻射噪聲隨航行速度和深度的關(guān)系Fig.1 Relation of radiated noise of submarine withspeed and depth

從圖1可以發(fā)現(xiàn)：潛艇在不同航行深度時(shí)，潛艇的臨界速度也不相同，當(dāng)潛艇的航速超過臨界速度時(shí)，潛艇的輻射噪聲將急劇增加；因此潛艇為了減少輻射噪聲的大小，需要根據(jù)自身的航行深度來確定最大的航行速度。

2 典型聲速剖面下浮標(biāo)作用距離模型仿真

在海洋環(huán)境噪聲下聲納的被動(dòng)方程表達(dá)式為:

SL-TL-(NL-DI)=DT

(3)

根據(jù)式(3)可以得出優(yōu)質(zhì)因數(shù)表達(dá)式為：

FOM=SL-(NL-DI)-DT

(4)

在搜潛過程中，當(dāng)

FOM≥TL

(5)

認(rèn)為檢測(cè)到了目標(biāo)。本文中設(shè)定浮標(biāo)的檢測(cè)閾DT=10 dB；由于浮標(biāo)工作時(shí)是全向的，因此指向性指數(shù)DI=0 dB；海洋環(huán)境噪聲NL為:

NL=10lg(f1-0.7-f2-0.7)+6S+56.5

(6)

式(6)中：S為海況，本文假設(shè)為3級(jí)海況；f為頻率，被動(dòng)浮標(biāo)的工作頻帶為10 Hz～10 kHz。

浮標(biāo)被動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，聲源級(jí)SL為潛艇的輻射噪聲。我國近海海域海水深度均在200 m以內(nèi)，潛艇航行在20 m以上容易被反潛設(shè)備發(fā)現(xiàn)，航行在150 m以下容易受到海底地形的威脅，造成事故，因此潛艇在海洋中一般在20～150 m的安全區(qū)域中航行。

2.1 帶有躍層的聲速梯度分布

在我國南中國海域常見的聲速剖面為帶有躍變層的聲速梯度分布。該聲速的特點(diǎn)為：在0～60 m為微弱正聲速梯度，在60～200 m為負(fù)聲速梯度。該聲速梯度下，聲線在0～60 m向上傳播，在60～200 m向下傳播，如圖2所示。

圖2 帶有躍層的聲速剖面和聲傳播損失Fig.2 Sound velocity profile with thermocline and sound propagation loss

仿真條件：本文利用Actup軟件計(jì)算水聲場(chǎng)[7]；假設(shè)淺海海域水深為200 m，聲線發(fā)射的初始掠射角為±10.3°；假設(shè)接收器均勻地布設(shè)在深度0～200 m上100個(gè)點(diǎn)和水平方向0～20 km的200個(gè)點(diǎn)上，聲束柱數(shù)為20；海底為泥沙底(海底壓縮波速1535 m/s,密度1.43 g/cm3,海底吸收系數(shù)0.5 dB/波長(zhǎng),海底是平整的。利用式(5)仿真當(dāng)潛艇處在不同深度時(shí)被動(dòng)聲納浮標(biāo)的作用距離曲線，如圖3所示。

圖3 帶有躍層的聲速剖面下被動(dòng)聲納浮標(biāo)作用距離仿真圖Fig.3 Simulation diagram of the action distance of passive sonobuoys under acoustic velocity profile with a looping layer

從圖3可以看出，當(dāng)被動(dòng)浮標(biāo)的入水深度為30 m以上時(shí)，對(duì)航行在100 m以下的潛艇存在探測(cè)盲區(qū)，被動(dòng)浮標(biāo)入水深度為170 m以下時(shí)，對(duì)航行在40 m以上的潛艇存在作用盲區(qū)。聲速剖面為帶有躍層的聲速分布時(shí)，當(dāng)潛艇航行在躍層以上時(shí)，聲線在躍層以上傳播，躍層以上浮標(biāo)的作用距離較遠(yuǎn)，當(dāng)潛艇航行在躍層以下時(shí)，大部分聲線在躍層以下傳播，躍層以下浮標(biāo)的作用距離較遠(yuǎn)。

2.2 正聲速梯度分布

正聲速梯度分布情況下，聲線向上彎曲，如圖4所示。

圖4 正聲速剖面和聲傳播損失Fig.4 Sound propagation loss of positive sonic velocity profile

仿真原理與2.1節(jié)相同，得到正聲速剖面下被動(dòng)聲納浮標(biāo)隨潛艇深度變化的作用距離曲線，如圖5所示。

圖5 正聲速剖面下被動(dòng)聲納作用距離與潛艇航行深度的關(guān)系Fig.5 Relation of passive sonar operating distance with submarine’s voyage depth under positive sound velocity profile

根據(jù)圖5被動(dòng)聲納作用距離曲線可以看出：聲速剖面為正聲速梯度時(shí)，聲線向上傳播，所以被動(dòng)聲納浮標(biāo)對(duì)航行在深度較小的潛艇具有更長(zhǎng)的作用距離，并且無論浮標(biāo)的入水深度是多少，對(duì)航行在任何深度的潛艇都有探測(cè)距離，沒有盲區(qū)。

2.3 負(fù)聲速梯度分布

負(fù)聲速梯度分布情況下，聲線向下彎曲，如圖6所示。

圖6 負(fù)聲速剖面和聲傳播損失Fig.6 Negative sound velocity profile and sound propagation loss

仿真原理與2.1節(jié)相同，得到負(fù)聲速剖面下被動(dòng)聲納浮標(biāo)隨潛艇深度變化的作用距離曲線，如圖7所示。

圖7 負(fù)聲速剖面下被動(dòng)聲納作用距離與潛艇航行深度的關(guān)系Fig.7 Relation of passive sonar range with submarine’s voyage depth under negative sound velocity profile

根據(jù)圖7可知：聲速剖面為負(fù)聲速梯度分布時(shí)，浮標(biāo)工作深度為20 m以上時(shí)，對(duì)航行在深度為110 m以下的潛艇存在盲區(qū)，作用距離幾乎為零；當(dāng)浮標(biāo)工作深度為160 m以下時(shí)，對(duì)航行在30 m以上的潛艇存在盲區(qū)，作用距離幾乎為零。聲線向下傳播，所以在該聲速剖面下，被動(dòng)浮標(biāo)對(duì)航行深度較深的潛艇具有較大的作用距離。

3 被動(dòng)浮標(biāo)最佳入水深度

3.1 潛艇航行深度概率建模與分析

(7)

式(7)中：TLmax表示聲納浮標(biāo)探測(cè)到目標(biāo)的最大單程傳播損失；N表示矩陣A所有元素A(i)>TLmax的個(gè)數(shù)。

根據(jù)式(7)可以得出不同的聲速剖面下潛艇在hi深度航行的概率，如圖8所示。

圖8 潛艇不同深度下航行的概率Fig.8 Probability of submarine sailing at different depths

3.2 確定被動(dòng)浮標(biāo)的最佳入水深度

以往研究被動(dòng)浮標(biāo)最佳入水深度時(shí)，均采用固定潛艇的下潛深度，不斷改變浮標(biāo)的入水深度，然后選擇出作用距離最長(zhǎng)的深度作為浮標(biāo)的最佳入水深度，這種做法存在不合理性，因?yàn)榉礉撨^程中潛艇的航行深度是未知的，通過假設(shè)潛艇的航行深度得出的數(shù)據(jù)不具有普遍性。本節(jié)通過將浮標(biāo)的作用距離和潛艇在深度上的散布規(guī)律結(jié)合起來，計(jì)算浮標(biāo)的平均作用距離，根據(jù)平均作用距離確定浮標(biāo)的最佳入水深度。

(8)

通過式(8)，分別計(jì)算出三種聲速剖面下浮標(biāo)深度為0～200 m時(shí)的平均作用距離。

仿真條件：潛艇安全航行區(qū)域?yàn)閇20,150],每隔h=10 m作為潛艇的航行深度，得出圖9三種聲速剖面下浮標(biāo)平均作用距離隨入水深度變化的仿真圖。

圖9 聲納浮標(biāo)入水深度對(duì)平均作用距離的影響Fig.9 Influence of water entry depth of sonobuoy on average operating distance

經(jīng)過對(duì)三種聲速剖面下聲納浮標(biāo)平均作用距離的仿真，得出如下結(jié)論：

1) 帶有躍層的聲速剖面下，躍層以上聲線向上彎曲，浮標(biāo)入水深度越靠近海面作用距離越遠(yuǎn)；躍層以下，聲線向下彎曲，浮標(biāo)入水深度越靠近海底作用距離越遠(yuǎn)，但由于躍層以下范圍較大，因此聲納浮標(biāo)最佳入水深度在躍層以下。根據(jù)圖9(a)可知，隨著聲納浮標(biāo)的入水深度的增加，其平均作用距離也不斷增加，當(dāng)聲納浮標(biāo)的入水深度超過180 m時(shí)，其平均探測(cè)距離不斷減少，因此聲納浮標(biāo)最佳入水深度為180 m,最遠(yuǎn)可以達(dá)到1.22 km。

2) 正聲速梯度剖面下，聲線向上彎曲，浮標(biāo)入水深度越靠近海面，其作用距離越大，潛艇散布的規(guī)律越小，但潛艇散布規(guī)律隨深度變化不大，因此聲納浮標(biāo)最佳入水深度在海深中點(diǎn)以上。根據(jù)圖9(b)可知，當(dāng)浮標(biāo)的入水深度為40 m時(shí)，具有最大的作用距離，最遠(yuǎn)可以達(dá)到1.69 km。

3) 負(fù)聲速剖面下，聲線向下彎曲，浮標(biāo)的入水深度越靠近海底，其作用距離越大，同時(shí)潛艇的散布規(guī)律變小，因此在海中心附近位置浮標(biāo)的平均作用距離最長(zhǎng)。根據(jù)圖9(c)可知，當(dāng)浮標(biāo)的入水深度為140 m時(shí)，其具有最大的平均作用距離，最遠(yuǎn)可以達(dá)到0.98 km。

4 結(jié)論

本文提出了確定淺海條件下聲納浮標(biāo)最佳入水深度的方法。該方法通過BELLHOP 模型仿真了帶有躍層聲速剖面、正聲速剖面和負(fù)聲速剖面三種剖面下聲傳播特性和聲傳播損失，得出了不同聲速剖面下不同浮標(biāo)入水深度對(duì)浮標(biāo)作用距離的影響。利用聲傳播損失得出了不同聲速剖面下潛艇在深度上的散布規(guī)律，將潛艇的散布規(guī)律與浮標(biāo)作用距離隨深度變化曲線相結(jié)合，通過仿真得出浮標(biāo)的平均作用距離曲線，根據(jù)平均作用距離曲線得出浮標(biāo)的最佳入水深度，為后續(xù)反潛作戰(zhàn)提供數(shù)據(jù)和理論支撐。本文研究過程中，假設(shè)海底為平坦地形，復(fù)雜海底地形下浮標(biāo)的最佳入水深度是下一步研究的重點(diǎn)。