中尺度涡对潜艇通信与探测的影响分析

马雨薇，韩 东，魏尚飞

（1.海军大连舰艇学院学员一大队，辽宁 大连 116018；2.海军大连舰艇学院 信息系统系，辽宁 大连 116018；3.海军大连舰艇学院学员五大队，辽宁 大连 116018）

0 引言

随着信息技术的高速发展，军事通信技术蓬勃发展。然而，当前以潜艇通信为主的水下通信领域发展相对落后。以无线电波或光波作为载体进行信息传输的传统通信方式，在海水中的通信距离非常有限，远远不能满足当前海洋活动的需要。采用声波作为信息传输的载体是目前实现水下中远距离无线通信的唯一手段。然而，作为信息传输通道的水声信道复杂多变，具有明显的地区性和季节性，会对声信号产生许多不同的影响。从通信角度看，它主要的物理效应是声能量的传播损失、声传播的多径效应以及声信号的起伏效应等，对具有高速、大容量及高可靠需求的水声通信提出了挑战。从探测角度看，任何声呐系统都需要有接收机来接收声信号。对于潜艇隐蔽来说，改变声波传输路径可使声呐探测错误，也可以利用声波折射和反射使得被动声呐和主动声呐接收不到回波声信号和潜艇辐射噪声，达到潜艇隐蔽奇袭的效果。因此，多变的水声信道使得潜艇在战术上实现隐蔽成为可能。

除去水声信道自身性质的影响，一些中尺度结构也会对水声通信和探测产生极大影响，如中尺度涡。20 世纪70 年代，海洋环境学者发现海洋中的中尺度环境后，中尺度涡对深海声传播的影响引起了国内外学者的极大兴趣。各国学者使用不同声学理论模型，掀起了中尺度涡与深海声传播间关系的研究热潮。Vastnao 和Owens［1］使用射线声学研究当声源位于涡旋中且不考虑射线绕射效应时，冷涡环境造成的一处低声速水域对深海声道声传播的影响，通过计算Sargasso Sea 涡旋中的声线轨迹和不同深度处的传播损失，表明涡旋的存在会形成深海声道轴。Hardin 和Tappert［2］于20 世纪70 年代早期首先将抛物线方程法（Parabolic Equation，PE）引入水声学，利用实验提取的环境数据构造了一个包括中性浮力侵入引起的声速波动和内波的声速场，并将此声速场作为仿真模型的输入，给出了在低拐点焦散线下相干场和深度散射的模拟结果。从20 世纪90 年代开始，Mellberg［3-4］等人采用数值模拟的方法研究了25 Hz 声传播在径向不对称湾流涡中的方位变化，提出了海洋声学耦合模式，研究声信号穿过中尺度涡和湾流时在方向上的变化。20 世纪90 年代以后，国内学者也开始研究海洋中尺度涡结构对声传播的影响。尚尔昌［5］等提出一种MOSPEF 算法，能够计算强烈耦合模式环境下的声传播。康颖［6］采用抛物线方程模型计算程序FOR3D 计算南海海域的声速场，并进行了特征参数的灵敏度分析。结果表明，涡对低频声的传播大于高频声传播，而暖涡能引起涡区信号强烈的声衰减。

声场仿真存在多种模型，典型的有射线模型、简正波模型及抛物线方程模型等。射线理论是几何声学的近似理论。声线图可给声场以直观和形象的理解，是解算声场的一种重要方法［7］。本文利用Bellhop 射线模型对冷水涡和热水涡分别进行仿真，针对每种涡将声源分别放在涡前端和涡中进行仿真，生成传播损失图和传递函数图，进而分析得出中尺度涡对潜艇通信和探测的影响。

1 理论分析

1.1 中尺度涡结构

涡旋是海洋中的一种不断旋转和平移的水体，可以将它类比为大气中的气旋或风暴。中尺度涡是涡旋的一种，其水平尺度一般在100～500 km，持续时间为几天到几个月不等，常伴随着大的洋流，蕴含着大量能量［8］。根据旋转方向，中尺度涡可以分为冷水涡（在北半球为逆时针旋转的气旋式涡旋）和热水涡（在北半球为顺时针旋转的反气旋式涡旋）两大类。典型的冷水涡声速场模拟结构如图1 所示，热水涡声速场模拟结构如图2 所示。

中尺度涡对海洋的扰动一般发生在海洋的表层，而下层水体几乎不受影响。中尺度涡主要扰动水平等温线高度，冷水涡能够抬升等温线，热水涡则能够下沉水平等温线。海洋中存在这种中尺度结构会显著改变声线的传播方向和会聚区的宽度。不同性质的涡旋产生的改变不尽相同，给远距离定位和测距增加了难度。除了使介质参数非均匀分布外，中尺度涡在不断运动，还会破坏声传播的“互易性”。目前，海上实验己经观测并证实了洋流引起的声传播时间差异。

研究中尺度涡对水声通信和声呐探测造成的影响，对潜艇达成隐蔽有效通信和提高战场生存能力具有重要作用，对我军反潜战术的发展具有重要的推动意义［9］。

1.2 射线模型基本理论

经典射线声学范畴对声场的描述是由射线（声线）来传递声能量，从声源出发的声线按一定的路径到达接收点，接收到的声能是所有到达声线（也称本征声线）的叠加结果。由于声线都有一定的路径，相应地有一定的到达时间和强度［10］。因此，在射线声学范围内有两个基本方程，一个是用于确定声线行走规律的程函（Eikonal）方程式，一个是用于确定声线强度的强度方程式，分别表示为：

汪德昭给出了射线声场在分层介质中的表示：

在1804年《法国民法典》中，授权与委任契约是一回事，被界定为委任人向受委任人授予以其名义并为其利益而为某事的权力的行为(第1984条)；该契约非为要式契约，可通过信件、口头和默示的方式缔结(第1985条)；然后还就概括委任契约的内容与限度、受委任人之行为的法律效果立即而直接地对委任人发生、受委任人就超越委任范围的行为承担责任，以及本人在未作出委任或者受委任人超越委任限度行事时的追认做了若干具体规定。所有的这些规则显然忠实地遵循了罗马法传统，并对1865年旧《意大利民法典》和现今依然有效的1889年《西班牙民法典》产生了深远影响。1811年《奥地利普通民法典》的相关规则与此并无重大差异。

式中，W为单位立体角辐射功率；θ0为声源处声线的掠射角；θz为任一深度z处的掠射角；n(z)为折射率；ε为分离常数；R为距离。

传统射线模型在计算声影区和焦散区声场时会失效［11］。基于高斯束射线跟踪算法的Bellhop 模型，把声束内的每根声线与垂直于该声线的高斯型强度剖面联系起来，对决定声束宽度和曲率的两个积分方程与标准射线方程一起积分，可计算出声束内中心声线附近的声束场。这个方法成功解决了失效问题，使得结果更加精确。

1.3 Snell 定律

射线理论最重要的实用结果是Snell 定律［12］。它描述了声线在声速变化的介质中的折射规律。已知射线声学所遵循的Snell 定律为：

式中，α为声传播方向与水平坐标ox的夹角，称为掠射角；c为该处声速；α0和c0为声线出射处的对应值；d为常数。若α0和声速的垂直分层分布c(z)已知，可以按照Snell 定律求出海洋中任意深度处声线的掠射角，也就确定了任意深度处声波传播方向。根据不同的起始掠射角α0，求出不同的α值，对应于不同的声线轨迹。

图3显示了声速负梯度垂直分布时的声线走向。声速随深度增加而下降，掠射角α随深度增加而增加，声线aa弯向海底。图4 显示了声速正梯度垂直分布时的声线走向。声速随深度增加而增加，掠射角α随深度增加而减小，声线bb弯向海面。

2 射线模型仿真及对通信和探测影响的分析

本文的探讨方向为潜艇通信和探测两个方向。潜艇在水下潜航时，为了保证行动的隐蔽，一般不会主动用声呐发信，因此主要研究潜艇作为收信方的通信。潜艇探测也分为两种，即其他兵力运用水声探测手段搜潜和潜艇运用声呐探测敌方兵力。从本质上说，两者只是将敌我进行对调，因此只对潜艇使用声呐探测敌方兵力进行仿真，并从两个角度分析得到的结果。潜艇使用声呐进行探测分为主动声呐探测和被动声呐探测。被动声呐探测和其他兵力对潜艇通信从声信号传播的角度是一样的，因此借助潜艇通信的仿真图像进行分析即可，这里不单独对此种情况进行仿真。

本文使用射线模型基于Bellhop 进行仿真，仿真环境设置为深海5 000 m，声源深度1 000 m，接收器与声源水平距离200 km，频率为50 Hz（经计算，此仿真环境满足使用射线模型的要求），声线数量1 000 根，发射角度-25°～+25°，每1 m 设置一处接收，水平方向每20 m 计算一次，海底海面均做理想化处理。为不考虑起伏的平面，以深海无表面声道为标准声速剖面［13］。首先，对深海标准环境进行仿真；其次，对中间存在中尺度涡结构的情况仿真（分别对冷水涡和热水涡仿真），生成深海声速剖面图、射线传播图、传播损失图及传递函数图，其仿真环境架构如图5 所示。最后，对声源在中尺度涡内部进行仿真（分别对冷水涡和热水涡仿真），生成深海声速剖面图、射线传播图及传播损失图等，其仿真环境架构如图6 所示。

2.1 标准深海环境仿真

图7 为本文仿真使用的标准深海声速剖面图，图8 为此标准环境中声信号的传播损失情况，图9为此标准环境中声线传播情况，图10 为此标准环境中声信号多径时延与传播损耗的关系。

2.2 中尺度涡位于声源和接收机中间时的分析

2.2.1 冷水涡位于声源和接收机中间

声信号在中间存在冷水涡的环境中的传播损失如图11 所示，声线传播如图12 所示，传递函数如图13 所示。中间存在冷水涡的深海声速剖面图如图14 所示。经过与标准海洋环境仿真图对比可知，存在冷水涡时，声速剖面存在一块声速小的区域，使这一区域中声线弯向冷水涡处产生汇聚作用，形成了类似于深海声道一样的声线传播通道，因此声能量在这一通道中的传播损失较小。通过传递函数的对比可以直观看到，中间存在冷水涡时传输时延较大，但传播损失较小。

2.2.2 热水涡位于声源和接收机中间

中间存在热水涡的深海声速剖面图如图15 所示。声信号在此环境中的传播损失如图16 所示，声线传播如图17 所示，传递函数如图18 所示。经过与标准海洋环境的仿真图对比，在存在热水涡时，可以看到声速剖面存在一块声速较大的区域，使声线在经过这一区域时向外发散，形成一片声线传播的盲区。声线绕过这片区域，并在此区域后继续传播。通过传递函数的对比可以直观看到中间存在热水涡时传播损失增大，但传输时延减小。

2.3 声源位于中尺度涡内部时的分析

2.3.1 声源位于冷水涡内部

声源在冷水涡内部的深海声速剖面图如图19所示。声信号在此环境中的传播损失如图20 所示，声线传播如图21 所示。经过与标准海洋环境的仿真图对比，声源处于冷水涡时，声源处于一块声速小的区域中，在发射伊始便受声速剖面的影响发生声线汇聚，形成一条明显的声线通道。声线涡内损耗较小，当传出涡后随传播发生衰减。

2.3.2 声源位于热水涡内部

声源在热水涡内部的深海声速剖面图如图22所示。声信号在此环境中的传播损失如图23 所示，声线传播如图24 所示。经过与标准海洋环境的仿真图对比，声源处于热水涡时，声源处存在一块声速大的区域，使声线一开始便向外发散，与海底海面发生反射，并继续大尺度地在海中反复折射反射向前传播，其中一部分声线形成大尺度弯曲的传播通道。由于不与海底海面发生反射，它的衰减较小。

传播损失在3 种环境下（深海标准环境、含冷水涡及含热水涡）随距离的变化如图25 所示。可以看出，当声源位于中尺度涡中时，热水涡使声信号产生了极大衰减，在涡的位置尤为明显，而冷水涡产生的衰减效果和正常海洋环境相近但略小。

可见，冷水涡有利于潜艇接收水声通信信号，但不利于潜艇使用主动声呐的探测；热水涡不利于潜艇接收通信信号，但有利于扩大主动声呐探测精度，且在探测精度和距离上有所限制。

3 结语

针对中尺度涡对水声信号传播造成的极大影响，本文以射线模型为理论基础，借助Bellhop 对深海中中尺度涡存在于声源和接收机中间和声源位于中尺度涡内部两种情况分别对冷水涡和热水涡进行仿真，得到冷水涡和热水涡对潜艇通信和潜艇主动利用声呐进行探测的具体影响效果，可为未来战场上潜艇在复杂海洋环境下执行任务提供借鉴。