高 飛潘長明張 韌孫 磊王本洪

(1 解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院 南京 211101)

(2 海軍海洋測繪研究所 天津 300061)

1 引言

被動聲納的工作原理是利用接收換能器基陣接收目標(biāo)自身發(fā)出的噪聲或信號來探測目標(biāo)[1]。溫躍層為水溫垂直變化較快的水層，可分為兩類:一類是主溫躍層，也稱永久溫躍層，該溫躍層常年位于較深的大洋中，且隨季節(jié)變化較小;一類是季節(jié)性溫躍層，該溫躍層一般位于臨近大陸的邊緣海，從春季產(chǎn)生加強(qiáng)，到夏季達(dá)到最強(qiáng)，秋季又開始減弱，冬季消失[2]。溫躍層影響水聲傳播環(huán)境，對聲納探測水下目標(biāo)概率影響重大。研究溫躍層對被動聲納檢測概率的影響，為水下航行器如何利用溫躍層來躲避聲納探測，及如何布放水下聲納探測陣具有重要意義。

溫躍層對水聲傳播具有重要影響[3－6](Martine等，2007年;Song等，2008年;張旭等，2012年;Moestam等，2005年。)，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了不少研究。關(guān)于溫躍層對聲納探測水下目標(biāo)物主要以模擬仿真研究為主[7－9](于松標(biāo)，1995 年;高學(xué)強(qiáng)等，2007年，2008年。)。本文利用聲學(xué)調(diào)查實測數(shù)據(jù)資料，將水聽器陣比作被動聲納，拖曳聲源即為水下目標(biāo)物。通過被動聲納方程建立檢測目標(biāo)的聲學(xué)模型，先分析對應(yīng)的溫躍層、傳播損失、噪聲場分布，然后研究溫躍層及其變化對被動聲納檢測概率的影響，對比逆溫躍層和正溫躍層分布及變化對聲納檢測概率的影響，并分析其原因。

2 被動聲納探測目標(biāo)概率模型

2.1 噪聲條件下的聲納方程

聲納方程是平衡水聲環(huán)境、水聲目標(biāo)參數(shù)、水聲場和聲納設(shè)備本身性能參數(shù)的公式，是一種按照平均能量關(guān)系建立的一種表征聲納性能模型。被動聲納在噪聲限制條件下的方程為

式中:SL為被動聲納聲源級;TL為傳播損失;NL為噪聲級;DI為接收指向性指數(shù);DT為接收機(jī)的檢測閾。其中被動聲納聲源無指向性發(fā)射可表示為:SL=170.8+10lg Pa;被動聲納聲源指向性發(fā)射可表示為:SL=170.8+10lg Pa+DIr。其中 Pa為發(fā)射功率(W)，DIr為發(fā)射指向性指數(shù)，下文使用的實測數(shù)據(jù)源于近似無指向性聲源。

傳播損失通常有兩部分組成，空間幾何擴(kuò)展損失，衰減損失[10]。它是指從距聲源1 m處到目標(biāo)點或接收處的聲能取比值的對數(shù)的10倍。

目標(biāo)強(qiáng)度是指距目標(biāo)1 m處的回聲強(qiáng)度與入射強(qiáng)度取對數(shù)的10倍，必要時，可對目標(biāo)強(qiáng)度進(jìn)行實際測量。由于軍事國防建設(shè)的需要，潛艇的目標(biāo)強(qiáng)度備受關(guān)注。噪聲級分為環(huán)境噪聲級，自噪聲級，在下文研究中主要考慮環(huán)境噪聲。

對于各向同性噪聲和平面波信號的特定情況，陣增益即為指向性指數(shù)。檢測閾是在預(yù)定設(shè)置信號級下使用聲納信號處理機(jī)剛好能判斷目標(biāo)“有”或“無”時在輸入端所需的信噪比。

2.2 水下目標(biāo)物探測概率計算

對于被動聲納，將(1)式進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并根據(jù)接收機(jī)的檢測閾可得表達(dá)式:

其中:S/N為檢測到的信噪比，同時我們假設(shè)接收機(jī)為能量檢測，同時采用平方檢波。則高斯噪聲背景下接收機(jī)最佳性能為[11]

式中:T為積分器的積分時間(s);B為帶寬(Hz)。高斯噪聲條件下，小信噪比的接收機(jī)檢測特征為

將輸出信噪比聯(lián)立聲納方程，整理可得

其中:Pd為在虛警概率Pf條件下的檢測概率，也就是要計算的被動聲納探測目標(biāo)概率，G為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)函數(shù)。本文計算得到的是一個垂向檢測概率場分布，在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化過程中，應(yīng)對整個航線斷面各層次求取均值和方差。

3 聲學(xué)調(diào)查與結(jié)果分析

3.1 調(diào)查方式與數(shù)據(jù)獲取

航次聲學(xué)調(diào)查在中國近海某同一海域進(jìn)行，時間分別為 2008－04(春季)、2009－09(夏季)。采用定點調(diào)查和走航調(diào)查相結(jié)合的方式進(jìn)行。兩次調(diào)查使用的儀器、調(diào)查航線、作業(yè)方式完全相同，同時航速、海面氣象、海浪情況相當(dāng)。這就排除其他相關(guān)因子的影響，使得海洋水文環(huán)境(溫躍層)成為了影響聲傳播損失和噪聲的最主要因素，即不同季節(jié)的溫躍層是影響傳播損失季節(jié)性差異的最主要因素。不同季節(jié)溫躍層下聲傳播損失和噪聲不同，導(dǎo)致計算得到的被動聲納探測水下目標(biāo)物的概率不同，從而得出溫躍層及其季節(jié)變化對被動聲納探測水下目標(biāo)物的概率影響。

調(diào)查作業(yè)方式如圖1所示，海面浮標(biāo)下掛八個各深度層水聽器，并以鉛魚穩(wěn)定其位置。同時利用拖曳聲源，發(fā)射不同頻率聲波。配合聲源和水聽器獲取該航線各深度層傳播損失和噪聲數(shù)據(jù)。春、夏季航行試驗聲源級都為 200 dB，信號長度為500 ms。為全面測得調(diào)查航線上各種與聲傳播相關(guān)信息，同時利用CTD獲取測量航線端點處的溫、鹽剖面，走航調(diào)查過程中使用投棄式溫深計(XBT)對調(diào)查航線中溫度剖面進(jìn)行密集測量，多波束測水深和海底底質(zhì)，ADCP測海流，并實時記錄海面風(fēng)浪情況。研究航線上具體海面風(fēng)浪、海底底質(zhì)和水深信息如圖2所示。

傳播損失和噪聲數(shù)據(jù)受聲學(xué)測量設(shè)備和信號轉(zhuǎn)化的影響會產(chǎn)生一定誤差。例如，聲源和水聽器在實驗室標(biāo)定過程中，由聲強(qiáng)轉(zhuǎn)化成電信號時出現(xiàn)靈敏度標(biāo)定誤差;接收通道的增益誤差;以及由模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)化誤差。

圖1 聲學(xué)調(diào)查示意圖Fig.1 Sketch of acoustic investigation

圖2 研究航線聲學(xué)參數(shù)分布Fig.2 The distribution of acoustic parameters along analysis pathes

3.2 溫躍層分析

取對應(yīng)圖2的走航測面上的典型溫度剖面進(jìn)行分析如圖3(下文中分析的傳播損失、噪聲都與圖2所示的航線相對應(yīng))。其中(a)、(b)為春季航向的典型剖面，春季(4月)該調(diào)查海區(qū)存在明顯的逆溫層現(xiàn)象，表層水混合較為均勻，通常逆躍層上界深度一般在17 m～18 m左右，下界可達(dá)35 m～37 m左右。逆溫躍層在近岸一側(cè)較強(qiáng)，最大強(qiáng)度可達(dá)－0.6℃/m，從逆躍層向下靠近底層，為溫度變化較小的均勻?qū)印?c)、(d)為春季航向的典型剖面，夏季(8月)從海表向下有一定厚度的水層在風(fēng)浪混合作用下成均勻?qū)?。正躍層一般開始于31.5 m左右，躍層厚度隨水深變化較大，其中在水深較小時躍層厚度一般不超過10 m，垂直梯度可達(dá)0.96℃/m;而水深較大時躍層厚度30 m左右，相對躍層梯度有所減小，約為0.72℃/m。

圖4 春、夏季不同層次傳播損失對比圖(點為實測數(shù)據(jù)，線為擬合曲線)Fig.4 The comparison of TL among different layers in spring and summer，where dots are data detected and curves are fitted curves.

3.3 傳播損失場分析

春季傳播損失場(圖4(a))對應(yīng)逆溫躍層海洋環(huán)境(圖3(a)、(b))，其中上層三個水聽器(5.7 m，10.3 m，14.5 m)隨距離增加傳播損失明顯較下層三個水聽器(20.5 m，28.7 m，43.5 m)小。損失最大水聽器深度為28.7 m，位于逆溫躍層以內(nèi)。夏季傳播損失場(圖4(b))對應(yīng)正溫躍層海洋環(huán)境(圖3(c)，(d))，水聽器位于正溫躍層以上相對均勻水層之內(nèi)，各層次隨傳播距離增加變化趨勢相當(dāng)。水聽器位于10.2 m深度處接收到傳播損失最大，22.5 m傳播損失最小。

上文已排除其他因子的對傳播損失的影響，指出溫躍層是影響傳播損失的最主要因素。通過對比春、夏兩個季節(jié)的不同傳播損失場不難發(fā)現(xiàn)，由于溫躍層的存在，導(dǎo)致水聽器工作效果產(chǎn)生巨大差異。Martine等[3]指出夏季表層水聽器相對于底層工作效果較差，并探討了這是由于溫躍層和聲源、水聽器幾何位置的影響，這與本文分析夏季溫躍層海洋環(huán)境中各層次傳播損失分布特征對應(yīng)較好。

3.4 噪聲場分析

海洋環(huán)境信號是一種隨機(jī)信號，在較短時間內(nèi)(一般是數(shù)分鐘內(nèi))它是平穩(wěn)過程。海洋環(huán)境噪聲的測量需要進(jìn)行長時間的監(jiān)測，輔助以海洋環(huán)境參數(shù)和氣象參數(shù)的測量和記錄，本文主主要研究溫躍層對水下目標(biāo)探測的影響，故不展示海面氣象分布。本文使用功率譜估計方法來分析海洋環(huán)境噪聲級別。

首先，按采樣頻率fs，將需要的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)截取分成 L個長度為 M的數(shù)據(jù)分段 ul，l=1，2，…，L。并對每一分段數(shù)據(jù)ul進(jìn)行處理，并對L個數(shù)據(jù)分段求和平均。

其中:Mv為水聽器靈敏度。利用(1)式計算1/3倍頻程內(nèi)帶聲級SL1/3(f0)以及測量頻段內(nèi)的總聲級SL:

總體來講，2008－04與2009－09噪聲相差甚小，同時由于深度差異較小，上下層噪聲大小無明顯規(guī)律(如圖5)。兩個航次的噪聲強(qiáng)度都維持在90 dB～98 dB范圍內(nèi)，調(diào)查航線上存在微弱的波動。由于聲學(xué)調(diào)查過程中只對表層以及近表層噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，只有10 m以內(nèi)兩個層次上數(shù)據(jù)，這在計算收索水下目標(biāo)物概率中難以與傳播損失數(shù)據(jù)對應(yīng)。然而，本文旨在討論溫躍層對搜索水下目標(biāo)物概率;同時，研究區(qū)域維持在40 m以上水層，噪聲變化較小。故統(tǒng)一使用2008年4月10.3 m噪聲數(shù)據(jù)計算搜索水下目標(biāo)物概率。

圖5 春、夏季不同層次噪聲對比圖Fig.5 The comparison of noise of different layers in spring and summer

4 搜索概率分析

本文使用的實測數(shù)據(jù)并非來源于聲納試驗，但相關(guān)聲學(xué)試驗操作流程和數(shù)據(jù)后處理方法與聲納數(shù)據(jù)相當(dāng)，具有一定的科學(xué)性。傳播損失和噪聲數(shù)據(jù)來源于頻率為580 Hz，深度約為35 m的拖曳聲源。根據(jù)被動聲納工作原理，將拖曳聲源當(dāng)成水下目標(biāo)物，水聽器陣看成被動聲納陣。水聽器接收來自拖曳聲源的聲信號，這一過程相當(dāng)于被動聲納水下探測時接收的聲信號。同時，受到實測噪聲數(shù)據(jù)場在深度層次較傳播損失數(shù)據(jù)場不足的限制，依據(jù)調(diào)查海域水深較淺，且空間變化較小，及春、夏噪聲大小相當(dāng)?shù)脑?，將各層次噪聲?shù)據(jù)統(tǒng)一等于最淺的水聽器獲取的數(shù)據(jù)，使得本文計算被動聲納檢測概率存在一定的誤差。

根據(jù)(3)式，并設(shè)定參數(shù)如下:拖曳聲源頻率f=580 Hz，聲源級 SL=200 dB。水聽器帶寬為B=19880 Hz，積分時間 T=500 ms，接收指向性指數(shù)DI=0，虛警概率Pf=10－4。以各航線所有的傳播損失數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得到搜索水下目標(biāo)物的概率如圖6所示。

首先，從圖6不難發(fā)現(xiàn)計算得到的檢測概率場與上文分析中的傳播損失場(圖4)存在明顯的反相位關(guān)系。計算過程中將檢測閾≤0的數(shù)據(jù)點進(jìn)行剔除。并利用二次多項式擬合各層次被動聲納檢測概率隨距離的變化趨勢。由于隨距離增加，水文環(huán)境發(fā)生變化;同時，水聽器接收到的信號點減小，偶然性加大。導(dǎo)致部分?jǐn)M合線條末端出現(xiàn)不同程度的上升趨勢?？偟膩碚f，隨著距離增加，檢測概率逐漸減小。

春季，逆溫躍層存在17m～38 m左右，如圖6(a)被動聲納深度分布于逆溫躍層的上、中、下層。隨水平距離的增加，深層和淺層檢測概率之間的差異相應(yīng)增大，這說明逆溫躍層對被動聲納檢測概率的影響隨目標(biāo)物與聲納距離的增加而增大。同時不難發(fā)現(xiàn)深層次3聲納檢測概率明顯小于淺層3聲納，根據(jù)聲線總是彎向聲速較小的方向原理，春季逆躍層條件下，表層聲速較小，深層聲速增大，使得從表層向下傳播損失逐漸增大，檢測概率逐漸減小。Jensen等[12]指出正躍層海洋環(huán)境中，聲能向海底方向匯聚。Song等[4]基于淺海聲學(xué)調(diào)查，指出夏季正溫躍層類似于垂向某個深度處聲傳播的障礙層，聲能趨于向正溫躍層下界匯聚，溫躍層下界信噪比相對較大。本文研究得出逆溫躍層環(huán)境中聲能向海表方向匯聚，與正溫躍層聲能匯聚方向相反。

受實測數(shù)據(jù)的限制，夏季受海表為一定厚度的混合層，正溫躍層上界深度約在33 m左右，而被動聲納最大分布深度為32.2 m(如圖6(b))，分布于正溫躍層上層。因此，重點分析溫躍層上界被動聲納檢測變化規(guī)律。隨著目標(biāo)物與被動聲納距離增大，各層次檢測概率差異逐漸減小。這說明正躍層對被動聲納檢測概率的影響隨目標(biāo)物與聲納距離的增大而減小。Jensen和Song指出正躍層聲能向海底匯聚，可以得出檢測概率在垂向總的變化趨勢向下增大。然而，溫躍層上界檢測概率并不是單純地向下增加的。上文分析夏季海洋環(huán)境中，位于正溫躍層上界10.2 m處的水聽器接收到的傳播損失最大，22.5 m處最小。對應(yīng)于圖6(b)中，22.5 m被動聲納檢測概率最大，10.2 m檢測概率最小。對比圖6(b)各層次檢測概率擬合曲線，發(fā)現(xiàn)在正溫躍層上界被動聲納檢測概率向下先減小后增大。這說明檢測概率最小值出現(xiàn)在正躍層上界某一水層，而不是海表。同時，作者分析夏季其它調(diào)查航線，同樣發(fā)現(xiàn)這個現(xiàn)象。

5 結(jié)論

本文將中國近海聲學(xué)調(diào)查中使用的水聽器陣比作被動聲納陣，拖曳聲源看成水下發(fā)射聲波的目標(biāo)物，綜合考慮水文環(huán)境、傳播損失、環(huán)境噪聲，得出春、夏季節(jié)躍層對被動聲納探測水下目標(biāo)物的概率。

(1)春季逆溫躍層海洋環(huán)境中，躍層對聲能的上下傳播產(chǎn)生屏障作用，使得被動聲納在躍層以上部分的檢測概率明顯要大于躍層以下部分。

(2)夏季正溫躍層海洋環(huán)境中，檢測概率總趨勢向海底逐漸增加。在躍層以上水層，檢測概率先減小后增加，最小值并非出現(xiàn)在海表，而是躍層以上水層某一深度。

(3)逆溫躍層環(huán)境中，各水聽器檢測概率差異隨目標(biāo)物與聲納距離的增大而增大，逆溫躍層的影響距離的增大而增大;正溫躍層中，各水聽器檢測概率差異隨目標(biāo)物與聲納距離的增大而減小，正溫躍層的影響距離的增大而減小。

由于不同頻率信號水下傳播特性存在差異，本文用580 Hz的聲信號代替被動聲納接收信號的傳播損失，與被動聲納實際工作時必然存在一定的誤差。

致謝感謝東海聲學(xué)調(diào)查團(tuán)隊提供數(shù)據(jù)支持和中科院聲學(xué)研究所在傳播損失和噪聲數(shù)據(jù)處理方面給予的支持。

[1]田坦，劉國枝，孫大軍.聲納技術(shù)[M].哈爾濱工程大學(xué)出版社，1999:6－7.

[2]侍茂崇.物理海洋學(xué)[M].濟(jì)南:山東教育出版社，2004，49－61，73－74.

[3]MARTIN S，MICHAEL B P，PAUL H，et al.Effects of ocean thermocline variability on nonecoherent underwater acoustic communications[J].J.Acoust.Soc.Am.，2007，12(4):1895－1908.

[4]SONG A J，BADIEY M，SONG H C，et al.Impact of ocean variability on coherent underwater acoustic communications during the Kauai experiment(KauaiEx)[J].J.Acoust.Soc.Am.，2008，123，856－865.

[5]張旭，張永剛.淺海溫躍層對聲信道影響的仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2012，24(10):2167－2171.ZHANG Xu，ZHANG Yonggang. Simulation for Acoustic Channel Influenced by ShallowWater Thermocline[J].Journal of System Simulation，2012，24(10):2167－2171.

[6]MOESTAMR，DAVIDSON L.Numerical simulations of a thermocline in a pressure－driven flow between two infinite horizontal plates[J].Physics of fluids，2005，17:101－109.

[7]于松標(biāo).潛艇與魚雷對抗中躍變層的利用[J].聲學(xué)學(xué)報.1995，20(4):289－297.YU Songbiao.Impacts of thermocline in the confront between submarine and sonar[J].Atca Acoustica.1995，20(4):289－297.

[8]高學(xué)強(qiáng)，楊日杰，周旭，等.躍變層對主動聲納搜潛概率影響仿真研究[J].測試技術(shù)學(xué)報.2008，22(1):55－58.GAO Xueqiang，YANG Rijie，ZHOU Xu，et al.Simulation research on the effects of thermocline on active sonar search submarine[J].Journal of Test and Measurement Technology.2008，22(1):55－58.

[9]高學(xué)強(qiáng)，楊日杰，楊春英.潛艇規(guī)避對被動聲納浮標(biāo)作戰(zhàn)效能的影響[J].測試技術(shù)學(xué)報.2007，21(6):476－480.GAO Xueqiang，Yang Rijie，YANG Chunying.Research on the Influence of Submarine Evasion on Combat Effectiveness of Passive Sonobuoy[J]. Journa of Test and Measurement Technology.2007，21(6):476－480.

[10]URICK R J.Principles of Underwater Sound(Third Edition)[M].Los Altos，California，USA:Peninsula Pub，1983.

[11]高東華，章新華.艦艇規(guī)避策略對魚雷捕獲概率影響的仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2001，13(3):348－349.GAO Donghua，ZHANG Xinhua.Simulations of the effects of decision of vessel evasion on torpedo capture probability[J]. Journal of system simulation.2001，13(3):384－349.

[12]JENSEN F B，KUPERMAN W A，PORTER MB，et al.ComputationalOcean Acoustics.2nd[M].NewYork:Springer，2001:489－519.