海洋环境对反潜巡逻机声纳浮标搜潜装备的作战保障*

吴 铭，吴 芳，高青伟

（1.海军航空兵学院，辽宁 葫芦岛 125001；2.海军航空工程学院，山东 烟台 264001）

海洋环境对反潜巡逻机声纳浮标搜潜装备的作战保障*

吴 铭1，吴 芳2，高青伟2

（1.海军航空兵学院，辽宁 葫芦岛 125001；2.海军航空工程学院，山东 烟台 264001）

反潜巡逻飞机具有快速反应能力强、航程远、留空时间长、可装备多种搜潜设备和攻潜武器以及不易受潜艇威胁的优势，已成为世界海军强国竞相发展的装备。海洋环境对航空兵反潜作战的影响巨大，能否充分利用海洋环境条件，关系到搜潜器材能否及时、有效地发现潜艇目标。主要分析了海洋环境噪声对反潜巡逻机浮标搜潜装备的作战保障问题。

反潜巡逻机，海洋环境，浮标，作战保障

0 引言

反潜巡逻机作为海军反潜体系的重要组成部分，是实施反潜作战的重要力量。反潜巡逻机载重量大，携带搜潜设备和攻潜武器种类多，具有全天候反潜作战能力。既可遂行反潜作战任务，也可用于海区巡逻、监视等任务；既可用于战时作战行动，也可用于平时遂行非战争军事行动；可单独遂行任务，也可与其他兵力协同完成作战任务。

水文、地理及气象条件对固定翼反潜飞机的飞行安全、反潜设备及武器的使用影响极大，需要掌握任务海区的气象、水文情况，如气温、湿度、风速，水温、水声梯度分布情况等等，并针对武器设备特点，充分利用水文气象条件。能否掌握和有效利用作战海区的海洋环境信息，直接关系到反潜作战的成败。反潜巡逻机装备有气象水文剖面测量仪、海洋环境噪声测量浮标、海水温度深度测量浮标等设备，可对任务海区进行快速的水文气象测量，获取实时水文气象参数，以保障搜索和攻击潜武器设备使用的需要，并可将测量的数据进行记录和下载。因此，海洋环境保障的重点通常是任务前保障，在制定反潜作战方案、计划阶段，及时提供相关预报数据和历史数据。基于上述分析，本文重点分析了海洋环境噪声对反潜巡逻机浮标搜潜装备的作战保障问题。

1 海洋环境噪声

浅海环境噪声比较强，它是多种因素的集合，与潮汐、湍流、海面的风浪和雷雨都有关系，船舶噪声也是重要的噪声源。与深海的噪声比较确定的情形不同，浅海，特别是近海、海湾和港口，环境噪声会随时间和地点的不同而显著变化。噪声主要由船舶和工业噪声、风成噪声和生物噪声组成。

式中：

SL为声源级：指沿声轴距发射换能等效中心1 m处，换能器所产生的声压级或声强级，单位为dB；

TL为传播损失：距声源1 m处的声强级与传递到目标所在位置的声强级之差，单位为dB；

NL为噪声级：指接收水听器输入的噪声声强级，单位为dB；

DL为检测阈：指在水听器输出端完成特定职能所需要的最小信号和干扰功率级差，单位为dB。

1.1 声源级SL

将发送节点当作一个无指向性的发射器，则采用如下公式：

式中，Pr为节点最大发射功率；r为计量点到发送节点处的等效中心距离；Ir为距发送节点r处的声强值。距离发送节点1 m处的声强级，即r=1，可得：

按照声学中常用声强定义，SL还可以表示为：

式中，I0=0.67×10-22W/cm2为参考声强。

由式（3）和式（4）可得出：

1.2 传播损失TL

在水声学中，常采用传播损失来概括海洋中信号能量损失的效应，它定量地描述海洋中距声源1 m处的声能量到远处某一点时衰减的大小，表示为距离声源1 m处的声强I0和远处任一点处声强Ir的比值：

传播损失可以认为是由于声能扩展和衰减所引起的损失之和，即：

式中，Dr为声道轴与信道下边界的距离，单位m；cmax为信道中的最大声速，单位m/s；Δc为信道中最大声速与最小声速的差值，单位m/s。

其中，扩展损失是声信号从声源向外传播时声强有规律减弱的几何效应。对于无限均匀介质空间，扩展是球面扩展，声强随距离的平方减少，扩展损失则随距离的平方而增加；但对非均匀有限空间，则是非球面扩展，损失的大小与介质中声速分布和界面条件有关。由于折射和界面反射，海洋的声传播信道大都呈现波导效应，这时的扩展损失近似呈柱面扩展的特点，扩展损失随距离的一次方增加。衰减损失包括吸收、散射和声能泄漏。声能量的吸收表现为海水介质吸收和界面介质（如海底）的吸收，它包含着声能量转变成热能的过程，因而它代表了真正声能量在传播介质中的损失。海水介质吸收实际上是由于介质粒子的相对运动所产生的粘滞摩擦和化学离子的驰豫效应的结果；与扩展损失一样，吸收损失也随距离变化，它通常用吸收系数α（dB/km）来定量描述，α意味着由于吸收，每传输1 km，声强衰减α dB。吸收系数与海水中的化学成分及其离解度有关，特别是与声波频率有密切的关系，它随频率的增加而显著地增加，对于窄带信号，介质的吸收仅引起声信号幅度或能量的衰减；但对于宽带信号，吸收和频率的关系可使信号波形产生畸变（色散效应）。海底的吸收损失与海底介质、声波入射方向以及频率等也都有关，而且海底的吸收损失远大于海水中的吸收。目前，工程上多使用，将其带入式（8），可得：

声能量的吸收和扩展都与传输距离和信号频率有关，从而使得传播损失与距离和频率有关，并随距离和频率的增加而增加，如图1、图2所示。传播损失的这一特性会使高频信号在远距离传输时有很大的衰减，从而大大降低了信道的可用带宽。

图1 传输损失与传输距离的关系

图2 传输损失与传输距离和工作频率的关系

1.3 环境噪声级NL

环境噪声是影响信噪比的另一个重要因素。在海洋中有许多噪声源，包括潮汐、湍流、海面波浪、风成噪声、生物噪声、航船及工业噪声等，噪声的性质与噪声源有密切的关系，在不同的时间、深度和频段有不同的噪声源。在水声学中，通常用环境噪声级来描述环境噪声。水声信道的噪声是准高斯分布的。不同的声源有着不同的带宽和噪声级，且随时间和空间变化。因此，要给出噪声的统计表达式是很困难的。实验观察可以发现，如图3所示，频率在10 Hz以下的噪声主要来源于海洋的扰动，频率在50 Hz～500 Hz之间的噪声主要来源于航船并和地理位置密切相关，对于较高频率噪声，即频率在500 Hz～50 kHz的噪声，主要来源于海面的风浪，而对于超过50 kHz的噪声，则主要来源于海水中的分子热骚动。在浅海信道，生物活动和沿岸工业也是信道的噪声来源。而且，噪声随着时间、日期、季节、地理位置、行船密度和天气的变化将产生一个很大的变化范围。所有的这些，将使浅海信道成为一个严重的时变、空变噪声信道。对于远程水声通信系统，频率选择一般都集中在1 kHz～10 kHz之间。

海洋环境噪声仿真模型可以使用4个噪声源：湍流、船舶噪声、海浪及热噪声。以下是上述4种环境噪声源的噪声谱级：

图3 不同频率的噪声分布

其中，f频率，单位kHz，w风速，单位m/s，D为船舶活动因子，根据活动频繁程度由低到高在0～1之间取值。

可得出总噪声谱级为：

由图4、图5仿真结果可见：海洋环境噪声谱与海面风浪的关系最为密切，可由海面风浪的噪声谱近似总海洋环境噪声谱，而且随着浮标节点工作频率的升高，海洋环境噪声谱随着先逐渐增大再逐渐减小。

图4 环境噪声谱与4种环境噪声源的关系

图5 环境噪声谱与工作频率的关系

2 海洋环境因素对声纳浮标装备的工作影响分析

反潜巡逻机上所装备的声纳浮标搜潜系统，主要用于对敌潜艇进行搜索、跟踪和定位，并可测量作战海区的海洋环境噪声和温度深度剖面。其中，声纳浮标分系统由5型声纳浮标组成：被动全向浮标、被动定向浮标、主动全向浮标、海洋环境噪声测量浮标和温度深度测量浮标。

基于上节对影响浮标设备工作性能的海洋环境因素分析，并考虑海洋环境噪声级NL与频率f和海况HK的影响的经验公式：

本节仿真分析了海况等级、海洋环境噪声对主被动声纳浮标作用距离的影响，如图6所示。

图6 海况等级、海洋环境噪声与主被动声纳作用距离的关系

3 结论

海洋环境对航空兵反潜作战的影响巨大，能否充分利用海洋环境条件，关系到搜潜器材能否及时、有效地发现潜艇目标。要做到充分利用海洋环境，必须做好以下几个方面的工作：一是作战指挥人员、机组人员应充分掌握必要的海洋环境知识，特别是水声环境知识，掌握海洋环境对潜艇活动、对浮标探测器材的影响；二是加强海洋环境数据保障，利用各种渠道，充分收集、持续更新不同作战海域在不同季节的海洋环境数据，掌握各海区的海洋环境特点；三是建立海洋环境数据挖掘和分析系统，基于海洋环境数据库，针对任务需求，分析海洋环境的影响情况，给出有利的搜攻潜武器设备的使用方案或建议，提高反潜行动的科学性。

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Study of Marine Environment Impacting on Battle Safeguard of Sonar of ASW Patrol Aircraft

WU Ming1，WU Fang2，GAO Qing-wei2
（1.Naval Aviation Arms University，Huludao 125001，China；
2.Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001，China）

ASW patrol aircraft is a rapidly developing field in the great navy power，because of its fast reactivity，far flight course，long flight time，and equipped with many kinds of searching facilities and attacking weapons.Marine environment has very graet effect on ASW.So if making the best of marine environment，it can find submarine timely and effectively.This paper mainly analyzes theproblem of marine environment impacting on the battle safeguard of sonar of ASW patrol aircraft.

ASW patrol aircraft，marine environment，sonar，battle safeguard

TN915

A

1002-0640（2015）05-0017-04

2014-03-20

2014-04-28

国家自然科学基金（61271444）；航空科学基金（20055184005）；泰山学者建设专项基金资助项目（61271444）

吴 铭（1976- ），男，辽宁葫芦岛人，讲师。研究方向：航空兵战术。