馬雨薇，韓 東，魏尚飛

（1.海軍大連艦艇學(xué)院學(xué)員一大隊(duì)，遼寧 大連 116018；2.海軍大連艦艇學(xué)院 信息系統(tǒng)系，遼寧 大連 116018；3.海軍大連艦艇學(xué)院學(xué)員五大隊(duì)，遼寧 大連 116018）

0 引言

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，軍事通信技術(shù)蓬勃發(fā)展。然而，當(dāng)前以潛艇通信為主的水下通信領(lǐng)域發(fā)展相對(duì)落后。以無線電波或光波作為載體進(jìn)行信息傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)通信方式，在海水中的通信距離非常有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前海洋活動(dòng)的需要。采用聲波作為信息傳輸?shù)妮d體是目前實(shí)現(xiàn)水下中遠(yuǎn)距離無線通信的唯一手段。然而，作為信息傳輸通道的水聲信道復(fù)雜多變，具有明顯的地區(qū)性和季節(jié)性，會(huì)對(duì)聲信號(hào)產(chǎn)生許多不同的影響。從通信角度看，它主要的物理效應(yīng)是聲能量的傳播損失、聲傳播的多徑效應(yīng)以及聲信號(hào)的起伏效應(yīng)等，對(duì)具有高速、大容量及高可靠需求的水聲通信提出了挑戰(zhàn)。從探測角度看，任何聲吶系統(tǒng)都需要有接收機(jī)來接收聲信號(hào)。對(duì)于潛艇隱蔽來說，改變聲波傳輸路徑可使聲吶探測錯(cuò)誤，也可以利用聲波折射和反射使得被動(dòng)聲吶和主動(dòng)聲吶接收不到回波聲信號(hào)和潛艇輻射噪聲，達(dá)到潛艇隱蔽奇襲的效果。因此，多變的水聲信道使得潛艇在戰(zhàn)術(shù)上實(shí)現(xiàn)隱蔽成為可能。

除去水聲信道自身性質(zhì)的影響，一些中尺度結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)水聲通信和探測產(chǎn)生極大影響，如中尺度渦。20 世紀(jì)70 年代，海洋環(huán)境學(xué)者發(fā)現(xiàn)海洋中的中尺度環(huán)境后，中尺度渦對(duì)深海聲傳播的影響引起了國內(nèi)外學(xué)者的極大興趣。各國學(xué)者使用不同聲學(xué)理論模型，掀起了中尺度渦與深海聲傳播間關(guān)系的研究熱潮。Vastnao 和Owens［1］使用射線聲學(xué)研究當(dāng)聲源位于渦旋中且不考慮射線繞射效應(yīng)時(shí)，冷渦環(huán)境造成的一處低聲速水域?qū)ι詈Ｂ暤缆晜鞑サ挠绊?，通過計(jì)算Sargasso Sea 渦旋中的聲線軌跡和不同深度處的傳播損失，表明渦旋的存在會(huì)形成深海聲道軸。Hardin 和Tappert［2］于20 世紀(jì)70 年代早期首先將拋物線方程法（Parabolic Equation，PE）引入水聲學(xué)，利用實(shí)驗(yàn)提取的環(huán)境數(shù)據(jù)構(gòu)造了一個(gè)包括中性浮力侵入引起的聲速波動(dòng)和內(nèi)波的聲速場，并將此聲速場作為仿真模型的輸入，給出了在低拐點(diǎn)焦散線下相干場和深度散射的模擬結(jié)果。從20 世紀(jì)90 年代開始，Mellberg［3-4］等人采用數(shù)值模擬的方法研究了25 Hz 聲傳播在徑向不對(duì)稱灣流渦中的方位變化，提出了海洋聲學(xué)耦合模式，研究聲信號(hào)穿過中尺度渦和灣流時(shí)在方向上的變化。20 世紀(jì)90 年代以后，國內(nèi)學(xué)者也開始研究海洋中尺度渦結(jié)構(gòu)對(duì)聲傳播的影響。尚爾昌［5］等提出一種MOSPEF 算法，能夠計(jì)算強(qiáng)烈耦合模式環(huán)境下的聲傳播?？捣f［6］采用拋物線方程模型計(jì)算程序FOR3D 計(jì)算南海海域的聲速場，并進(jìn)行了特征參數(shù)的靈敏度分析。結(jié)果表明，渦對(duì)低頻聲的傳播大于高頻聲傳播，而暖渦能引起渦區(qū)信號(hào)強(qiáng)烈的聲衰減。

聲場仿真存在多種模型，典型的有射線模型、簡正波模型及拋物線方程模型等。射線理論是幾何聲學(xué)的近似理論。聲線圖可給聲場以直觀和形象的理解，是解算聲場的一種重要方法［7］。本文利用Bellhop 射線模型對(duì)冷水渦和熱水渦分別進(jìn)行仿真，針對(duì)每種渦將聲源分別放在渦前端和渦中進(jìn)行仿真，生成傳播損失圖和傳遞函數(shù)圖，進(jìn)而分析得出中尺度渦對(duì)潛艇通信和探測的影響。

1 理論分析

1.1 中尺度渦結(jié)構(gòu)

渦旋是海洋中的一種不斷旋轉(zhuǎn)和平移的水體，可以將它類比為大氣中的氣旋或風(fēng)暴。中尺度渦是渦旋的一種，其水平尺度一般在100～500 km，持續(xù)時(shí)間為幾天到幾個(gè)月不等，常伴隨著大的洋流，蘊(yùn)含著大量能量［8］。根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向，中尺度渦可以分為冷水渦（在北半球?yàn)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)的氣旋式渦旋）和熱水渦（在北半球?yàn)轫槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)的反氣旋式渦旋）兩大類。典型的冷水渦聲速場模擬結(jié)構(gòu)如圖1 所示，熱水渦聲速場模擬結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

中尺度渦對(duì)海洋的擾動(dòng)一般發(fā)生在海洋的表層，而下層水體幾乎不受影響。中尺度渦主要擾動(dòng)水平等溫線高度，冷水渦能夠抬升等溫線，熱水渦則能夠下沉水平等溫線。海洋中存在這種中尺度結(jié)構(gòu)會(huì)顯著改變聲線的傳播方向和會(huì)聚區(qū)的寬度。不同性質(zhì)的渦旋產(chǎn)生的改變不盡相同，給遠(yuǎn)距離定位和測距增加了難度。除了使介質(zhì)參數(shù)非均勻分布外，中尺度渦在不斷運(yùn)動(dòng)，還會(huì)破壞聲傳播的“互易性”。目前，海上實(shí)驗(yàn)己經(jīng)觀測并證實(shí)了洋流引起的聲傳播時(shí)間差異。

研究中尺度渦對(duì)水聲通信和聲吶探測造成的影響，對(duì)潛艇達(dá)成隱蔽有效通信和提高戰(zhàn)場生存能力具有重要作用，對(duì)我軍反潛戰(zhàn)術(shù)的發(fā)展具有重要的推動(dòng)意義［9］。

1.2 射線模型基本理論

經(jīng)典射線聲學(xué)范疇對(duì)聲場的描述是由射線（聲線）來傳遞聲能量，從聲源出發(fā)的聲線按一定的路徑到達(dá)接收點(diǎn)，接收到的聲能是所有到達(dá)聲線（也稱本征聲線）的疊加結(jié)果。由于聲線都有一定的路徑，相應(yīng)地有一定的到達(dá)時(shí)間和強(qiáng)度［10］。因此，在射線聲學(xué)范圍內(nèi)有兩個(gè)基本方程，一個(gè)是用于確定聲線行走規(guī)律的程函（Eikonal）方程式，一個(gè)是用于確定聲線強(qiáng)度的強(qiáng)度方程式，分別表示為：

汪德昭給出了射線聲場在分層介質(zhì)中的表示：

在1804年《法國民法典》中，授權(quán)與委任契約是一回事，被界定為委任人向受委任人授予以其名義并為其利益而為某事的權(quán)力的行為(第1984條)；該契約非為要式契約，可通過信件、口頭和默示的方式締結(jié)(第1985條)；然后還就概括委任契約的內(nèi)容與限度、受委任人之行為的法律效果立即而直接地對(duì)委任人發(fā)生、受委任人就超越委任范圍的行為承擔(dān)責(zé)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時(shí)的追認(rèn)做了若干具體規(guī)定。所有的這些規(guī)則顯然忠實(shí)地遵循了羅馬法傳統(tǒng)，并對(duì)1865年舊《意大利民法典》和現(xiàn)今依然有效的1889年《西班牙民法典》產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。1811年《奧地利普通民法典》的相關(guān)規(guī)則與此并無重大差異。

式中，W為單位立體角輻射功率；θ0為聲源處聲線的掠射角；θz為任一深度z處的掠射角；n(z)為折射率；ε為分離常數(shù)；R為距離。

傳統(tǒng)射線模型在計(jì)算聲影區(qū)和焦散區(qū)聲場時(shí)會(huì)失效［11］?；诟咚故渚€跟蹤算法的Bellhop 模型，把聲束內(nèi)的每根聲線與垂直于該聲線的高斯型強(qiáng)度剖面聯(lián)系起來，對(duì)決定聲束寬度和曲率的兩個(gè)積分方程與標(biāo)準(zhǔn)射線方程一起積分，可計(jì)算出聲束內(nèi)中心聲線附近的聲束場。這個(gè)方法成功解決了失效問題，使得結(jié)果更加精確。

1.3 Snell 定律

射線理論最重要的實(shí)用結(jié)果是Snell 定律［12］。它描述了聲線在聲速變化的介質(zhì)中的折射規(guī)律。已知射線聲學(xué)所遵循的Snell 定律為：

式中，α為聲傳播方向與水平坐標(biāo)ox的夾角，稱為掠射角；c為該處聲速；α0和c0為聲線出射處的對(duì)應(yīng)值；d為常數(shù)。若α0和聲速的垂直分層分布c(z)已知，可以按照Snell 定律求出海洋中任意深度處聲線的掠射角，也就確定了任意深度處聲波傳播方向。根據(jù)不同的起始掠射角α0，求出不同的α值，對(duì)應(yīng)于不同的聲線軌跡。

圖3顯示了聲速負(fù)梯度垂直分布時(shí)的聲線走向。聲速隨深度增加而下降，掠射角α隨深度增加而增加，聲線aa彎向海底。圖4 顯示了聲速正梯度垂直分布時(shí)的聲線走向。聲速隨深度增加而增加，掠射角α隨深度增加而減小，聲線bb彎向海面。

2 射線模型仿真及對(duì)通信和探測影響的分析

本文的探討方向?yàn)闈撏ㄐ藕吞綔y兩個(gè)方向。潛艇在水下潛航時(shí)，為了保證行動(dòng)的隱蔽，一般不會(huì)主動(dòng)用聲吶發(fā)信，因此主要研究潛艇作為收信方的通信。潛艇探測也分為兩種，即其他兵力運(yùn)用水聲探測手段搜潛和潛艇運(yùn)用聲吶探測敵方兵力。從本質(zhì)上說，兩者只是將敵我進(jìn)行對(duì)調(diào)，因此只對(duì)潛艇使用聲吶探測敵方兵力進(jìn)行仿真，并從兩個(gè)角度分析得到的結(jié)果。潛艇使用聲吶進(jìn)行探測分為主動(dòng)聲吶探測和被動(dòng)聲吶探測。被動(dòng)聲吶探測和其他兵力對(duì)潛艇通信從聲信號(hào)傳播的角度是一樣的，因此借助潛艇通信的仿真圖像進(jìn)行分析即可，這里不單獨(dú)對(duì)此種情況進(jìn)行仿真。

本文使用射線模型基于Bellhop 進(jìn)行仿真，仿真環(huán)境設(shè)置為深海5 000 m，聲源深度1 000 m，接收器與聲源水平距離200 km，頻率為50 Hz（經(jīng)計(jì)算，此仿真環(huán)境滿足使用射線模型的要求），聲線數(shù)量1 000 根，發(fā)射角度-25°～+25°，每1 m 設(shè)置一處接收，水平方向每20 m 計(jì)算一次，海底海面均做理想化處理。為不考慮起伏的平面，以深海無表面聲道為標(biāo)準(zhǔn)聲速剖面［13］。首先，對(duì)深海標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境進(jìn)行仿真；其次，對(duì)中間存在中尺度渦結(jié)構(gòu)的情況仿真（分別對(duì)冷水渦和熱水渦仿真），生成深海聲速剖面圖、射線傳播圖、傳播損失圖及傳遞函數(shù)圖，其仿真環(huán)境架構(gòu)如圖5 所示。最后，對(duì)聲源在中尺度渦內(nèi)部進(jìn)行仿真（分別對(duì)冷水渦和熱水渦仿真），生成深海聲速剖面圖、射線傳播圖及傳播損失圖等，其仿真環(huán)境架構(gòu)如圖6 所示。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)深海環(huán)境仿真

圖7 為本文仿真使用的標(biāo)準(zhǔn)深海聲速剖面圖，圖8 為此標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中聲信號(hào)的傳播損失情況，圖9為此標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中聲線傳播情況，圖10 為此標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中聲信號(hào)多徑時(shí)延與傳播損耗的關(guān)系。

2.2 中尺度渦位于聲源和接收機(jī)中間時(shí)的分析

2.2.1 冷水渦位于聲源和接收機(jī)中間

聲信號(hào)在中間存在冷水渦的環(huán)境中的傳播損失如圖11 所示，聲線傳播如圖12 所示，傳遞函數(shù)如圖13 所示。中間存在冷水渦的深海聲速剖面圖如圖14 所示。經(jīng)過與標(biāo)準(zhǔn)海洋環(huán)境仿真圖對(duì)比可知，存在冷水渦時(shí)，聲速剖面存在一塊聲速小的區(qū)域，使這一區(qū)域中聲線彎向冷水渦處產(chǎn)生匯聚作用，形成了類似于深海聲道一樣的聲線傳播通道，因此聲能量在這一通道中的傳播損失較小。通過傳遞函數(shù)的對(duì)比可以直觀看到，中間存在冷水渦時(shí)傳輸時(shí)延較大，但傳播損失較小。

2.2.2 熱水渦位于聲源和接收機(jī)中間

中間存在熱水渦的深海聲速剖面圖如圖15 所示。聲信號(hào)在此環(huán)境中的傳播損失如圖16 所示，聲線傳播如圖17 所示，傳遞函數(shù)如圖18 所示。經(jīng)過與標(biāo)準(zhǔn)海洋環(huán)境的仿真圖對(duì)比，在存在熱水渦時(shí)，可以看到聲速剖面存在一塊聲速較大的區(qū)域，使聲線在經(jīng)過這一區(qū)域時(shí)向外發(fā)散，形成一片聲線傳播的盲區(qū)。聲線繞過這片區(qū)域，并在此區(qū)域后繼續(xù)傳播。通過傳遞函數(shù)的對(duì)比可以直觀看到中間存在熱水渦時(shí)傳播損失增大，但傳輸時(shí)延減小。

2.3 聲源位于中尺度渦內(nèi)部時(shí)的分析

2.3.1 聲源位于冷水渦內(nèi)部

聲源在冷水渦內(nèi)部的深海聲速剖面圖如圖19所示。聲信號(hào)在此環(huán)境中的傳播損失如圖20 所示，聲線傳播如圖21 所示。經(jīng)過與標(biāo)準(zhǔn)海洋環(huán)境的仿真圖對(duì)比，聲源處于冷水渦時(shí)，聲源處于一塊聲速小的區(qū)域中，在發(fā)射伊始便受聲速剖面的影響發(fā)生聲線匯聚，形成一條明顯的聲線通道。聲線渦內(nèi)損耗較小，當(dāng)傳出渦后隨傳播發(fā)生衰減。

2.3.2 聲源位于熱水渦內(nèi)部

聲源在熱水渦內(nèi)部的深海聲速剖面圖如圖22所示。聲信號(hào)在此環(huán)境中的傳播損失如圖23 所示，聲線傳播如圖24 所示。經(jīng)過與標(biāo)準(zhǔn)海洋環(huán)境的仿真圖對(duì)比，聲源處于熱水渦時(shí)，聲源處存在一塊聲速大的區(qū)域，使聲線一開始便向外發(fā)散，與海底海面發(fā)生反射，并繼續(xù)大尺度地在海中反復(fù)折射反射向前傳播，其中一部分聲線形成大尺度彎曲的傳播通道。由于不與海底海面發(fā)生反射，它的衰減較小。

傳播損失在3 種環(huán)境下（深海標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境、含冷水渦及含熱水渦）隨距離的變化如圖25 所示?？梢钥闯?，當(dāng)聲源位于中尺度渦中時(shí)，熱水渦使聲信號(hào)產(chǎn)生了極大衰減，在渦的位置尤為明顯，而冷水渦產(chǎn)生的衰減效果和正常海洋環(huán)境相近但略小。

可見，冷水渦有利于潛艇接收水聲通信信號(hào)，但不利于潛艇使用主動(dòng)聲吶的探測；熱水渦不利于潛艇接收通信信號(hào)，但有利于擴(kuò)大主動(dòng)聲吶探測精度，且在探測精度和距離上有所限制。

3 結(jié)語

針對(duì)中尺度渦對(duì)水聲信號(hào)傳播造成的極大影響，本文以射線模型為理論基礎(chǔ)，借助Bellhop 對(duì)深海中中尺度渦存在于聲源和接收機(jī)中間和聲源位于中尺度渦內(nèi)部兩種情況分別對(duì)冷水渦和熱水渦進(jìn)行仿真，得到冷水渦和熱水渦對(duì)潛艇通信和潛艇主動(dòng)利用聲吶進(jìn)行探測的具體影響效果，可為未來戰(zhàn)場上潛艇在復(fù)雜海洋環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)提供借鑒。