蔣志忠，楊日杰，楊祥紅，桑春龍

(海軍航空工程學院，山東 煙臺 264001)

有效作用距離是評價各種用途的水聲設備作戰(zhàn)效能的最主要參數(shù)之一。主動聲納浮標可以實現(xiàn)對潛艇的精確定位，直接為對潛攻擊提供確定的位置信息，是航空搜潛的主要設備，其有效作用距離除受限于自身設備性能的優(yōu)劣外，海洋環(huán)境特性、潛艇的航速、航深等運動參數(shù)對其都有很大影響。近年來，國內(nèi)外對航空搜潛裝備范圍的建模與仿真已開展了一些工作，并取得了一定成果[1-5]。然而，其建立的模型過于簡化，對海洋環(huán)境考慮不足或者不太符合實際作戰(zhàn)環(huán)境。為此，本文從潛艇機動和海洋混響入手，分析其對主動聲吶浮標作用距離的影響。

1 主動聲納浮標作用距離估計

根據(jù)參考文獻[6]，可知主動聲納方程為：

式中，SL為發(fā)射聲源級，NL為接收機背景噪聲級，DI為接收指向性指數(shù)，DT為檢測閾值，TS為目標強度，TL為聲源到目標的傳播損失。

當聲源與目標相距r（km）時，根據(jù)參考文獻[3]，對于航空搜潛而言，通常認為適合遠場條件（r＞8D），在距聲源r處的傳播損失為：

式中，α為海水吸收系數(shù)，其表達式為：

其中，f為聲信號頻率； D ＝ ( H / 3 + L )1/2，H表示水深，L表示混合層深度；Tα為淺海有效衰減系數(shù)；KL為近場異常衰減。

將式（2）代入式（1），可求解主動聲納浮標的有效作用距離：

2 潛艇航行深度對主動聲納浮標作用距離的影響

當潛艇航行深度發(fā)生變化后，聲傳播損失 TL將發(fā)生變化，從而會直接影響浮標對潛艇的檢測效果。聲傳播損失具有深度變化結(jié)構，這個結(jié)構的變化既與海區(qū)的聲學參數(shù)及聲速剖面有關，又與聲源的深度及距離有關。根據(jù)實際情況，設海區(qū)為淺海負躍層模型，上部均勻?qū)雍穸葹閔1，聲速為c1；下部均勻?qū)雍穸葹閔2，聲速為c2；躍變層厚度為h3。海面為平表面，其反射系數(shù)為 1，Vb為海底的相干反射系數(shù)。假定小掠射角的海底反射損失正比于海底掠射角α，即

其中，B為比例系數(shù)。海水為分層介質(zhì)，聲速是深度的緩變函數(shù)，z1、z2為發(fā)射與接收深度。0＜ z1＜z2＜H，c ( z)＝ c0(1 + az )，H為海深，a為聲速梯度，α1和α2為本征射線在上、下均勻?qū)又械穆咏?，則聲強計算公式[7]為

式中，S(α1)為本征射線一個循環(huán)的水平距離，β( α1)為界面發(fā)射損失引起的指數(shù)衰減系數(shù)。

代入式（5），并令 z1=h，z2=z1+h，化簡得到一定深度、距離時的聲強近似計算公式：

式中，A=I(1)10-(SL-NL-DT+DI+TS)/20。

3 海洋混響對聲納浮標作用距離的影響

對于主動聲納，海洋混響是聲納系統(tǒng)最主要的干擾背景之一，共有三種類別：體積混響、海面混響和海底混響。根據(jù)參考文獻[8-9]，可知其理論計算公式。

式中，SL是發(fā)射聲信號的聲源級；SV是體積混響散射強度；r是散射體到接收器之間的距離；c是聲速；τ是脈沖寬度；ψ是收發(fā)換能器的等效合成束寬。

式中，SS是界面散射強度(包括海面散射強度和海底散射強度)；φ是收發(fā)換能器指向性束寬。

由式（8）和式（9）可以看出，海洋混響級與其散射強度、發(fā)射聲源級、脈沖寬度和換能器束寬成正比，因此為了減小混響，應在不影響聲納作用距離的前提下適當減小發(fā)射信號的聲功率，盡量采用尖指向性的收發(fā)換能器和窄脈沖寬度的發(fā)射信號。其中，散射強度的計算是關鍵，從實測結(jié)果來看，海底散射強度遠大于海水體積散射強度，也大于海面散射強度[9]。所以，對于工作在淺海的主動聲納來說，海底混響就成為主要背景干擾。

海底混響散射強度的經(jīng)驗公式主要是與掠射角和海底介質(zhì)有關，符Lambert定律，即

4 仿真分析

4.1 潛艇航行深度對聲納浮標作用距離的影響

仿真條件： SL=200 dB， DT=12 dB， DI=8 dB，TS=20 dB， NL=50dB。海區(qū)聲學特性為淺海負梯度，最小聲速 c0=1500m/s，a=10-4/m，B=4，潛艇進行變深機動，根據(jù)式(7)可得主動聲納浮標作用距離變化曲線如圖1所示。

圖1 主動聲納浮標作用距離隨潛艇航行深度變化曲線

由圖1可知，隨著潛艇航行深度的增加，主動聲納浮標的探測范圍明顯下降。這說明潛艇在發(fā)現(xiàn)主動聲吶浮標后，增加下潛深度會明顯降低浮標的探測性能。由于沒有相關實測數(shù)據(jù)，該仿真結(jié)果沒有考慮深度變化對潛艇目標強度的影響，若再考慮到深度不均勻?qū)β曀俚挠绊?，實際上潛艇在航深增加時主動浮標發(fā)現(xiàn)潛艇的概率會更低。對于潛艇來說，在變深時還可以根據(jù)當時的水文條件和聲速曲線尋找躍變層，使自己處于隱蔽深度，可大大降低主動聲納浮標的搜潛效果。

4.2 海洋混響對主動聲納浮標作用距離的影響

仿真條件：SL=230dB，發(fā)射頻率為 2kHz，DT=12dB，DI=8dB，TS=20 dB，水深150m，混合層深度50m，Tα的取值為每反射一次衰減3dB，聲速梯度0.017/s，聲速1500m/s，KL的取值為4dB，當海底混響級從45dB～110dB變化時，主動聲納的有效作用距離變化曲線如圖2所示。

圖2 主動聲納浮標作用距離隨海況變化曲線

5 結(jié)束語

本文定性討論了潛艇航行深度和海洋混響對主動聲納浮標作用距離的影響，為航空反潛戰(zhàn)中聲吶浮標的作戰(zhàn)使用提供了參考依據(jù)。除此之外，聲納浮標的作用距離與諸如海況、海水介質(zhì)的聲速梯度、海底地質(zhì)以及海中生物的存在狀況等海洋條件也密切相關，這些因素具有復雜的時空多變特性，很難用一個通用的模型來表征，它們是交叉影響聲納浮標作用距離的，如何把這些因素綜合起來考慮，對聲納浮標的作用距離進行實時預報，尚需進行深入研究。

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