海底底质对声纳探测性能的影响分析∗

徐 妍 王英志 黄佳维 范培勤

（1.海军参谋部电子对抗雷达声纳局 北京 100841）

（2.海军工程大学 武汉 430033）（3.海军潜艇学院 青岛 266019）

海底底质对声纳探测性能的影响分析∗

徐 妍1王英志1黄佳维2范培勤3

（1.海军参谋部电子对抗雷达声纳局 北京 100841）

（2.海军工程大学 武汉 430033）（3.海军潜艇学院 青岛 266019）

海底底质参数对水下声学传感器的性能发挥具有显著的影响，论文从海底沉积层物理特性的主要参数出发，结合水声传播模型，通过仿真计算，分析了海底底质参数对在不同声速剖面类型下的声纳探测性能的影响。

海底底质；声纳探测；影响

1 引言

海底作为海洋声信道的下界面，海底结构、地形和沉积层等要素对水下声传播有着重要影响，在浅海环境下，这种影响尤为显著［1］。了解海底沉积物的物理特性以及它与声学参数的关系，对声纳作用距离的预报以及水声环境效应方面的研究及其重要。理论上讲，要精确地描述海底底质对水下声传播产生影响，需要精确的获取所有的海底底质参数，这在实际应用中不可能做到，本文主要从海底沉积层物理特性的主要参数出发，分析了海底底质参数对声纳探测性能的影响。

2 海底底质及其对声纳性能的影响

2.1 海底底质分类

海底沉积层声学参数主要包括：厚度、密度、声速和吸收系数等［1～3］。目前，对于沉积物物理特性究竟怎样影响声速，至今还未能取得一致公认的令人满意的理想结果，大量的科研人员通过实验室测量和海上现场测量，已积累了大量的海底底质数据，并总结出了一些规律［4～11］。Hamilton 把声速按陆架和陆坡、深海丘陵和深海平原三类，分别给出由平均颗粒度、孔隙度、密度和粘土含量预报声速的经验公式，并给出了海底沉积层的分类标准［6］，如表1所示。

2.2 海底反射损失

海底沉积层厚度差别很大，在零米到数千米的范围内变化。沉积层的物理性质对声传播的影响是水声环境效应研究所关心的问题。海底反射损失是海底沉积层的重要物理量，是水声环境仿真分析与声纳性能预报的重要环境参数。海底的声反射性能取决于海底沉积物的密度ρ，声速C以及吸收系数α。对于均匀液态海底可以得到瑞利反射系数［12］：

表1 海底沉积层Hamilton分类

由公式可见，海底反射性能与折射率n的关系极大，对于“高声速”海底（n＜1），有全反射，对于“低声速”海底（n＞1），则无全反射，但有一个全透射角。因此，在小掠射角时，“高声速”海底具有较好的反射性能，而“低声速”海底则较差。海底反射系数与掠射角关系较大，我国水声工作者根据大量实验数据得出，沉积层的反射系数与掠射角的关系有如下特性［3］：

式中：Q为小掠射角时反射损失斜率，φ*为“显著反射区”及“弱反射区”的分界角，-ln ||Vb为大掠射角时的常数反射损失。

2.3 海底地声参数对声纳探测性能的影响分析

为了研究海底地声参数对声纳探测效能的影响，在不同声速剖面下，对表1给出的9种海底底质下声纳作用距离的影响进行了统计分析（传播模型：BDRM，频率：1000Hz；声源深度、目标深度：0～100m，间隔：5m，求平均值），图1～4分别给出了正声速梯度、负声速梯度、均匀层声速梯度、声道形声速梯度下不同海底地质类型的声纳探测性能仿真结果。

从图中可以看出，声纳作用距离随海底底质的变化呈规律性的变化，具体为：

1）随海底底质类型的变化，声纳作用距离呈现增加，减小，再增加的变化规律，且同样的条件下，第一种海底底质下声纳作用距离最小，第九种海底底质下声纳作用距离最大。

2）靠近海底的声速呈正梯度变化时，不同海底底质下声纳作用距离的变化不大，呈负梯度变化时，不同海底底质下声纳作用距离的变化较大。

图1 正梯度声速剖面不同海底底质声纳作用距离统计

图2 负梯度声速剖面不同海底底质声纳作用距离统计

图3 声道型声速剖面不同海底底质声纳作用距离统计

图4 均匀层声速剖面不同海底底质声纳作用距离统计

这主要是由于当靠近海底的声速剖面是正梯度时，声线向海面方向反转，接触到海底的声线数减少，从而海底对声场的影响减小。反之，当靠近海底的声速剖面呈负梯度时，声线向海底方向反转，接触到海底的声线数增加，从而海底对声场的影响增加。

3 结语

本文从海底沉积层物理特性的主要参数出发，通过仿真统计，分析了海底底质参数对声纳探测性能的影响。通过仿真分析发现，浅海环境下，海底底质对负声速梯度下的声纳探测性能具有较大的影响。海底地质对水下声传播的影响机理非常复杂，本文仅考虑了海底沉积层物理特性的主要参数对声纳探测性能的影响，海底底质对水下声传感器的精细化影响还需加强研究。

［1］刘伯胜，雷家煜.水声学原理（第二版）［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2009.8.

［2］汪德昭，尚尔昌.水声学（第二版）［M］.北京：科学出版社，2013.

［3］尤立克.水声原理［M］.哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社，1990.

［4］Hampton L L.Physics of sound in marine sediments［M］.Springer，1974.

［5］Hampton L L.Acoustic properties of sediments［J］.JASA，1967，42（4）：1993.

［6］Hamilton E L.Compressional-wave attenuation in marine sediments［J］.Geophy，1972，37（04）：620-645.

［7］尚尔昌.海底反射参数对平均场强结构的控制［J］.海洋学报，1979.1（1）：58-64.

［8］关定华.均匀层浅海声场域海底反射损失的关系［J］.海洋学报1979.1（1）：54-59.

［9］彭临慧，赵燕鹏，郁高坤.声波在水—多孔介质海底截面上的反射与投射［J］.中国海洋大学学报（自然科学版），2007，37（4）：671-675.

［10］赵敏，胡长青，屈科.浅海海底单参数模型分析与研究［J］.声学技术，2014，33（6）：494-498.

［11］周鸿涛，魏仕俨，杨燕明，洪涛.用定深爆炸声源反演海底声学参数［J］.应用海洋学报.2015，34（4）：586-593.

［12］刘孟庵，连立民.水声工程［M］.杭州：浙江科学技术出版社，2002.

Influence of Seabed Sediment on Sonar Detection Performance

XU Yan1WANG Yingzhi1HUANG Jiawei2FAN Peiqin3
（1.Bureau of EW Radar and Sonar，Staff Department of PLA Navy，Beijing 100841）
（2.Naval University of Engineering，Wuhan 430033）（3.Navy Submarine Academy，Qingdao 266199）

The performance of underwater acoustics sensor is notable impacted by the seabed sediment parameters，this paper from the major parameters of seabed deposit physical characteristic，combines underwater acoustics travelling model，through simulation and calculate，analysises the impact of seabed sediment parameters to sonar detect performance.

seabed sediment，sonar detec，impact analysis

P715

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.029

Class Number P715

2017年5月20日，

2017年6月21日

徐妍，女，硕士，工程师，研究方向：水声工程。王英志，男，博士，参谋，研究方向：水声工程。黄佳维，男，硕士，讲师，研究方向：计算机应用技术。范培勤，男，博士，高级工程师，研究方向：海洋环境效应。