深海會聚區(qū)目標(biāo)強(qiáng)度特性分析

楊 剛，韓樹平，黃 銳

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266100)

深海會聚區(qū)目標(biāo)強(qiáng)度特性分析

楊 剛，韓樹平，黃 銳

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266100)

深海中當(dāng)聲源位于海表面附近時(shí)，在遠(yuǎn)離聲源處會形成高聲強(qiáng)焦散的會聚區(qū)。在現(xiàn)代水聲技術(shù)應(yīng)用中，可以利用水下聲道中的會聚區(qū)來實(shí)現(xiàn)深海目標(biāo)的遠(yuǎn)程探測。本文對會聚區(qū)的形成條件和會聚區(qū)目標(biāo)相對聲強(qiáng)的特性進(jìn)行分析，結(jié)果表明：只有當(dāng)聲速極小值存在并且聲線出射角滿足一定條件時(shí)才會形成會聚區(qū)效應(yīng)；會聚區(qū)中相對聲強(qiáng)水平分布具有雙峰結(jié)構(gòu)；當(dāng)接收深度與目標(biāo)深度相同時(shí)相對聲強(qiáng)會出現(xiàn)峰值，這為深海目標(biāo)的深度判定提供了一種方法。

深海會聚區(qū)；相對強(qiáng)度；目標(biāo)深度

0 引 言

與表面聲道相比，深海聲道（SOFAR）受季節(jié)變化的影響較小，聲道效應(yīng)更加趨于穩(wěn)定[1]。深海中當(dāng)滿足一定條件時(shí)會形成會聚區(qū)，Hale[2]較早地在海上實(shí)驗(yàn)中觀察到會聚區(qū), 并對會聚區(qū)進(jìn)行了一系列研究。Urick[3]分析了不同聲源深度時(shí)會聚帶的變化情況。A.O.Williams[4]指出會聚現(xiàn)象是大量同相簡正波疊加的結(jié)果。范培勤等[5]分析了深海會聚區(qū)現(xiàn)象的形成機(jī)理，給出了會聚區(qū)距離計(jì)算模型。郭李等[6]將會聚區(qū)效應(yīng)應(yīng)用于定位，給出了一種基于會聚區(qū)聲強(qiáng)匹配的聲源定位方法, 張仁[7]和利用簡正波理論討論了反轉(zhuǎn)點(diǎn)會聚區(qū)，前人對會聚區(qū)進(jìn)行了一定的研究，但針對會聚區(qū)目標(biāo)相對強(qiáng)度的特征研究還較少。

本文分析深海會聚區(qū)的形成條件，為充分利用會聚區(qū)效應(yīng)實(shí)行遠(yuǎn)程探測提供了基礎(chǔ)，同時(shí)研究一定深度目標(biāo)的相對強(qiáng)度在會聚區(qū)中的分布特性，為通過會聚區(qū)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)深度判定提供了一種方法。

1 深海會聚區(qū)形成條件

1.1 SOFAR 聲道的上限與下限

深海聲道的上下限定義為聲速剖面中在聲道軸上下兩側(cè)的 2 個相等最大聲速所對應(yīng)的深度，在圖 1中，上下限分別對應(yīng)于 A 和 B 點(diǎn), C 點(diǎn)對應(yīng)的深度稱為聲道軸深度。

圖 1 聲源位于 75 m 時(shí)對會聚區(qū)有貢獻(xiàn)的聲線Fig. 1 Rays contribute to the convergence zone when the sound source is located at 75 m

1.2 會聚區(qū)的形成條件

要形成深海會聚區(qū)，首先要存在聲速極小值，即C 點(diǎn)，只有這樣從聲源處發(fā)射的聲線才能夠經(jīng)過折射在近海底處發(fā)生反轉(zhuǎn)在遠(yuǎn)距離處聚焦。其次發(fā)射聲線需要滿足一定條件，將圖 1 中聲速分布分為 n 層，每層深度為 d，上界面聲速為下界面聲速為其中，由 Snell 定律[7]：

c?n

圖 1 為利用 BELLHO

P 模型 仿真得到的對會聚區(qū)有貢獻(xiàn)的聲線分布，仿真采用 Munk 聲速剖面[9]，聲源深度 75 m，仿真水深為 5 000 m，從圖中可以看出，聲道中有的區(qū)域聲線不經(jīng)過海面或海底反射，這樣的結(jié)果是聲道中有的部分出現(xiàn)聲線密集區(qū)，如 DE 區(qū)（第一會聚區(qū)）、FG 區(qū)（第二會聚區(qū)），有的部分只有有限的從海面和海底反射來的能量，如 H1和 H2區(qū)（聲影區(qū)），從圖 1 中可以明顯看出，隨著距離的增加，會聚區(qū)寬度也隨之增加（第二會聚區(qū)寬度大于第一會聚區(qū)寬度）。

2 會聚區(qū)目標(biāo)相對強(qiáng)度計(jì)算方法

根據(jù) Kraken 模型[8]，頻率為的簡諧波聲壓場可以表示為一系列簡正波的疊加：

若目標(biāo)信號為單頻時(shí)，

3 仿真分析

仿真海區(qū)水深 5 000 m，水平范圍取第一會聚區(qū)大致所處距離范圍約為 5.1～6.3 km，采用圖 1 中所示Munk 聲速剖面，聲源頻率取 1 000 Hz，仿真聲源深度分別取 35 m，50 m，60 m，70 m，75 m，105 m，接收深度取 60 m，85 m，110 m，160 m。

圖 2 所示為第一會聚區(qū)不同深度聲源對應(yīng)的傳播損失圖，縱軸為水深，截取深度范圍 0～400 m，橫軸為距離，取第一會聚區(qū)范圍，圖中由上至下，由左至右依次對應(yīng)聲源深度 35 m，50 m，60 m，70 m，75 m，105 m 處的傳播損失，從圖中對比我們可以看出，隨著聲源深度的增加，會聚區(qū)寬度總體上也隨之增加，整體聲強(qiáng)逐漸減弱。

圖 3 為第一會聚區(qū)聲源深度為 35 m，50 m，60 m，70 m，75 m，105 m，對應(yīng)接收 60 m，85 m，110 m，160 m 的目標(biāo)相對聲強(qiáng)的分布圖。從圖中可看出，相對強(qiáng)度隨距離的分布總體存在 2 個峰值，這是由于聲源形成會聚區(qū)將使會聚區(qū)中強(qiáng)度分布形成 4 個峰：第1 個峰是由聲源發(fā)出，向下在足夠深處反轉(zhuǎn)，到達(dá)接收點(diǎn)而形成的。第 2 個峰由聲源發(fā)出，先經(jīng)過海面反射，而后在水層深處反轉(zhuǎn)，到達(dá)接收點(diǎn)而形成的。第3，4 峰是由形成第 1，2 峰的聲線，經(jīng)過海面反射，而后到達(dá)接收點(diǎn)而形成的。形成 4 個峰的典型聲線如圖 4 所示，分別標(biāo)以 1，2，3，4。由圖 4 可看出，當(dāng)聲源深度確定時(shí)，第 1，3 峰和第 2，4 峰之間的間隔則決定于接收器的深度，當(dāng)接收深度并不深時(shí)，第1，2 峰及第 3，4 峰之間間隔很短，當(dāng)?shù)?1，3 峰剛剛下降的時(shí)候，第 2，4 峰已經(jīng)開始出現(xiàn)，1，2 峰與 3，4 峰分別互相疊加，最終形成了 2 個峰值。

圖 2 第一會聚區(qū)不同深度聲源對應(yīng)的傳播損失Fig. 2 TL corresponding to different sound source depths in the first convergence zone

圖 3 第一會聚區(qū)不同接收深度處的目標(biāo)相對強(qiáng)度Fig. 3 The relative sound intensity corresponding to different receiving depths in the first convergence zone

圖 4 第一會聚區(qū)相對強(qiáng)度峰值形成示意圖Fig. 4 Forming principle of the peak of the relative sound intensity in the first convergence zone

圖 5 聲源深度為 40 m 時(shí)第一會聚區(qū)相對強(qiáng)度Fig. 5 The relative sound intensity of the first convergence zone when the source depth is 40 m

同時(shí)，從圖 3 中可看出，當(dāng)接收深度接近聲源深度時(shí)，目標(biāo)的相對強(qiáng)度相較于其他接收深度要高得多，為了進(jìn)一步分析確定深度的目標(biāo)相對聲強(qiáng)與接收深度的關(guān)系，取一個個例，將接收深度的間隔取小，如圖 5 所示，聲源深度為 40 m，會聚區(qū)內(nèi)接收深度依次為 25～55 m，間隔 5 m，從圖 5 可看出，接收深度向聲源深度靠攏時(shí)，相對強(qiáng)度增大，在聲源深度處相對強(qiáng)度達(dá)到最大值，這樣可通過分析聲吶在不同深度接收到的聲信號的相對聲強(qiáng)，獲取目標(biāo)聲源的深度信息。

4 結(jié) 語

本文分析了深海會聚區(qū)的特性以及一定深度目標(biāo)的相對強(qiáng)度在會聚區(qū)中的分布特征，得出了以下結(jié)論：

2）會聚區(qū)目標(biāo)相對強(qiáng)度分布具有雙峰結(jié)構(gòu)。

3）當(dāng)接收深度與目標(biāo)深度相同時(shí)，目標(biāo)相對強(qiáng)度會出現(xiàn)峰值，這為通過會聚區(qū)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)深度判定提供了 1 種方法，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

[1]劉伯勝, 雷家煜. 水聲學(xué)原理[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2006.

[2]HALE f E. Long-range sound propagation in the deep ocean[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1961, 33(4): 456–464.

[3]URICK R J. Principles of underwater sound[M]. New York: McGraw-Hill, 1983.

[4]WILLIAMS JR A O, HORNE W. Axial focusing of sound in the SOFAR channel[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1967, 41(1): 189–198.

[5]范培勤, 笪良龍, 李玉陽. 深海會聚區(qū)特征參數(shù)計(jì)算方法研究[J]. 海洋技術(shù), 2012, 31(4): 23–25.

[6]郭李, 宋志杰, 王良. 基于深海會聚區(qū)聲強(qiáng)匹配處理的聲源定位方法[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2012, 31(3): 277–281.

[7]張仁和. 水下聲道中的反轉(zhuǎn)點(diǎn)會聚區(qū)(Ⅰ)簡正波理論[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào), 1980(1): 28–42.

[8]汪德昭, 尚爾昌. 水聲學(xué)[M]. 2版. 北京: 科學(xué)出版社, 2013.

[9]艾特. 水聲建模與仿真[M]. 蔡志明, 譯. 3版. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2005.

Analysis of the target sound intensity characteristic in the deep ocean

YANG Gang, HAN Shu-ping, HUANG Rui
(Navy Submarine Academy, Qingdao 266100, China)

When the sound source is located near the surface in the deep ocean, there will be strong caustics convergence zone far away from the sound source. In modern underwater acoustic technology applicationwe can use the underwater channels convergence zone to achieve the goal of long-range detection of target in the deep ocean. In this paper, we analysis the formation conditions of convergence zones and the target relative sound intensity characteristic in convergence zones, the results shows: only when the minimum speed of sound exist and the exit angle of ray satisfies certain conditions can there be a convergence zone effect. Relative sound intensity level distribution has a bimodal structure in the convergence zone. When the receiving depth and the target depth are of the same, the relative sound intensity peak appears, and this provides a method for determining the depth of the deep target.

deep sea convergence zone；relative sound intensity；target depth

TB566

A

1672–7619(2016)12–0131–04

10.3404/j.issn.1672–7619.2016.12.026

2016–03–29；

2016–04–25

楊剛(1988–)，男，博士研究生，研究方向?yàn)槁晠妊b備及軍事應(yīng)用。