“浅海”条件下声纳浮标最佳入水深度

郁红波，鞠建波，杨少伟

(1.海军航空大学，山东 烟台 264001；2.解放军91388部队，广东 湛江 524000)

0 引言

被动声纳浮标在航空搜潜过程中扮演着十分重要的角色。反潜巡逻机在检查/巡逻反潜过程中，通常布设浮标阵对潜艇目标进行包围和拦截，而浮标的作用距离直接影响浮标包围阵的搜潜概率。研究发现浮标的作用距离与入水深度有很大的关系，因此研究浮标作用距离最大时的最佳入水深度对后续反潜至关重要。

文献[1—3]研究了反潜巡逻机利用双基地的原理布设浮标阵，并且对双基地浮标包围阵进行了效能评估，得出了双基地的搜潜概率，但文献在对浮标包围阵进行效能评估时假设浮标的作用距离是个定值，没有考虑声速剖面和浮标入水深度对浮标作用距离的影响；文献[4]研究了近浅海浮标最佳入水深度，得出了不同声速剖面下浮标的最佳入水深度，有一定的军事价值，但文献中只是固定了潜艇的航行深度，没有考虑潜艇在深度上的散布规律；文献[5]研究了浮标最佳入水深度，并且考虑了不同声速剖面下潜艇在海域深度上的散布规律，以探测概率作为衡量标准选择浮标的最佳入水深度。综合以上文献的研究，本文在考虑声速剖面和潜艇在深度上散布规律的情况下，用平均作用距离作为衡量标准选择浮标的最佳入水深度。

1 潜艇的辐射噪声

潜艇辐射噪声源来源于许多方面，主要包括机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声。但在舰船辐射噪声信号仿真中，一般将机械噪声和螺旋桨噪声当做主要噪声源进行仿真，水动力噪声在强度上往往会被以上的两个噪声信号所掩盖。本文对噪声的计算仿真模型如下式[6]：

(1)

(2)

式(1)中：Vc为潜艇航行的临界速度；V为潜艇的航行速度；H为潜艇航行的深度，m；Vc100为潜艇在航行深度为100 m时的临界速度，kn;p为海平面上标准大气压，Pa;ρ为海水密度，kg/m3;pd为潜艇航行处水的饱和蒸汽压力，由于其值远小于标准大气压，计算时忽略不计，pd100为100 m深度时水的饱和蒸汽压力，计算时亦可忽略；g为重力加速度,m/s2;b表示潜艇速度超过临界航速后辐射噪声随航速的变化，按潜艇类型取1.5～2；Δ为潜艇速度超过临界航速后辐射噪声声源级的增量，按潜艇类型取25～50 dB。

本文中潜艇为安静潜艇，取a=2，b=1.5。

表1 临界速度公式中参数表Tab.1 Parameters of critical velocity

对式(2)中潜艇辐射噪声信号进行仿真,如图1所示。

图1 潜艇的辐射噪声随航行速度和深度的关系Fig.1 Relation of radiated noise of submarine withspeed and depth

从图1可以发现：潜艇在不同航行深度时，潜艇的临界速度也不相同，当潜艇的航速超过临界速度时，潜艇的辐射噪声将急剧增加；因此潜艇为了减少辐射噪声的大小，需要根据自身的航行深度来确定最大的航行速度。

2 典型声速剖面下浮标作用距离模型仿真

在海洋环境噪声下声纳的被动方程表达式为:

SL-TL-(NL-DI)=DT

(3)

根据式(3)可以得出优质因数表达式为：

FOM=SL-(NL-DI)-DT

(4)

在搜潜过程中，当

FOM≥TL

(5)

认为检测到了目标。本文中设定浮标的检测阈DT=10 dB；由于浮标工作时是全向的，因此指向性指数DI=0 dB；海洋环境噪声NL为:

NL=10lg(f1-0.7-f2-0.7)+6S+56.5

(6)

式(6)中：S为海况，本文假设为3级海况；f为频率，被动浮标的工作频带为10 Hz～10 kHz。

浮标被动工作状态时，声源级SL为潜艇的辐射噪声。我国近海海域海水深度均在200 m以内，潜艇航行在20 m以上容易被反潜设备发现，航行在150 m以下容易受到海底地形的威胁，造成事故，因此潜艇在海洋中一般在20～150 m的安全区域中航行。

2.1 带有跃层的声速梯度分布

在我国南中国海域常见的声速剖面为带有跃变层的声速梯度分布。该声速的特点为：在0～60 m为微弱正声速梯度，在60～200 m为负声速梯度。该声速梯度下，声线在0～60 m向上传播，在60～200 m向下传播，如图2所示。

图2 带有跃层的声速剖面和声传播损失Fig.2 Sound velocity profile with thermocline and sound propagation loss

仿真条件：本文利用Actup软件计算水声场[7]；假设浅海海域水深为200 m，声线发射的初始掠射角为±10.3°；假设接收器均匀地布设在深度0～200 m上100个点和水平方向0～20 km的200个点上，声束柱数为20；海底为泥沙底(海底压缩波速1535 m/s,密度1.43 g/cm3,海底吸收系数0.5 dB/波长,海底是平整的。利用式(5)仿真当潜艇处在不同深度时被动声纳浮标的作用距离曲线，如图3所示。

图3 带有跃层的声速剖面下被动声纳浮标作用距离仿真图Fig.3 Simulation diagram of the action distance of passive sonobuoys under acoustic velocity profile with a looping layer

从图3可以看出，当被动浮标的入水深度为30 m以上时，对航行在100 m以下的潜艇存在探测盲区，被动浮标入水深度为170 m以下时，对航行在40 m以上的潜艇存在作用盲区。声速剖面为带有跃层的声速分布时，当潜艇航行在跃层以上时，声线在跃层以上传播，跃层以上浮标的作用距离较远，当潜艇航行在跃层以下时，大部分声线在跃层以下传播，跃层以下浮标的作用距离较远。

2.2 正声速梯度分布

正声速梯度分布情况下，声线向上弯曲，如图4所示。

图4 正声速剖面和声传播损失Fig.4 Sound propagation loss of positive sonic velocity profile

仿真原理与2.1节相同，得到正声速剖面下被动声纳浮标随潜艇深度变化的作用距离曲线，如图5所示。

图5 正声速剖面下被动声纳作用距离与潜艇航行深度的关系Fig.5 Relation of passive sonar operating distance with submarine’s voyage depth under positive sound velocity profile

根据图5被动声纳作用距离曲线可以看出：声速剖面为正声速梯度时，声线向上传播，所以被动声纳浮标对航行在深度较小的潜艇具有更长的作用距离，并且无论浮标的入水深度是多少，对航行在任何深度的潜艇都有探测距离，没有盲区。

2.3 负声速梯度分布

负声速梯度分布情况下，声线向下弯曲，如图6所示。

图6 负声速剖面和声传播损失Fig.6 Negative sound velocity profile and sound propagation loss

仿真原理与2.1节相同，得到负声速剖面下被动声纳浮标随潜艇深度变化的作用距离曲线，如图7所示。

图7 负声速剖面下被动声纳作用距离与潜艇航行深度的关系Fig.7 Relation of passive sonar range with submarine’s voyage depth under negative sound velocity profile

根据图7可知：声速剖面为负声速梯度分布时，浮标工作深度为20 m以上时，对航行在深度为110 m以下的潜艇存在盲区，作用距离几乎为零；当浮标工作深度为160 m以下时，对航行在30 m以上的潜艇存在盲区，作用距离几乎为零。声线向下传播，所以在该声速剖面下，被动浮标对航行深度较深的潜艇具有较大的作用距离。

3 被动浮标最佳入水深度

3.1 潜艇航行深度概率建模与分析

(7)

式(7)中：TLmax表示声纳浮标探测到目标的最大单程传播损失；N表示矩阵A所有元素A(i)>TLmax的个数。

根据式(7)可以得出不同的声速剖面下潜艇在hi深度航行的概率，如图8所示。

图8 潜艇不同深度下航行的概率Fig.8 Probability of submarine sailing at different depths

3.2 确定被动浮标的最佳入水深度

以往研究被动浮标最佳入水深度时，均采用固定潜艇的下潜深度，不断改变浮标的入水深度，然后选择出作用距离最长的深度作为浮标的最佳入水深度，这种做法存在不合理性，因为反潜过程中潜艇的航行深度是未知的，通过假设潜艇的航行深度得出的数据不具有普遍性。本节通过将浮标的作用距离和潜艇在深度上的散布规律结合起来，计算浮标的平均作用距离，根据平均作用距离确定浮标的最佳入水深度。

(8)

通过式(8)，分别计算出三种声速剖面下浮标深度为0～200 m时的平均作用距离。

仿真条件：潜艇安全航行区域为[20,150],每隔h=10 m作为潜艇的航行深度，得出图9三种声速剖面下浮标平均作用距离随入水深度变化的仿真图。

图9 声纳浮标入水深度对平均作用距离的影响Fig.9 Influence of water entry depth of sonobuoy on average operating distance

经过对三种声速剖面下声纳浮标平均作用距离的仿真，得出如下结论：

1) 带有跃层的声速剖面下，跃层以上声线向上弯曲，浮标入水深度越靠近海面作用距离越远；跃层以下，声线向下弯曲，浮标入水深度越靠近海底作用距离越远，但由于跃层以下范围较大，因此声纳浮标最佳入水深度在跃层以下。根据图9(a)可知，随着声纳浮标的入水深度的增加，其平均作用距离也不断增加，当声纳浮标的入水深度超过180 m时，其平均探测距离不断减少，因此声纳浮标最佳入水深度为180 m,最远可以达到1.22 km。

2) 正声速梯度剖面下，声线向上弯曲，浮标入水深度越靠近海面，其作用距离越大，潜艇散布的规律越小，但潜艇散布规律随深度变化不大，因此声纳浮标最佳入水深度在海深中点以上。根据图9(b)可知，当浮标的入水深度为40 m时，具有最大的作用距离，最远可以达到1.69 km。

3) 负声速剖面下，声线向下弯曲，浮标的入水深度越靠近海底，其作用距离越大，同时潜艇的散布规律变小，因此在海中心附近位置浮标的平均作用距离最长。根据图9(c)可知，当浮标的入水深度为140 m时，其具有最大的平均作用距离，最远可以达到0.98 km。

4 结论

本文提出了确定浅海条件下声纳浮标最佳入水深度的方法。该方法通过BELLHOP 模型仿真了带有跃层声速剖面、正声速剖面和负声速剖面三种剖面下声传播特性和声传播损失，得出了不同声速剖面下不同浮标入水深度对浮标作用距离的影响。利用声传播损失得出了不同声速剖面下潜艇在深度上的散布规律，将潜艇的散布规律与浮标作用距离随深度变化曲线相结合，通过仿真得出浮标的平均作用距离曲线，根据平均作用距离曲线得出浮标的最佳入水深度，为后续反潜作战提供数据和理论支撑。本文研究过程中，假设海底为平坦地形，复杂海底地形下浮标的最佳入水深度是下一步研究的重点。