海洋环境对声呐使用性能的影响.pdf

第期气 象 水 文 海 洋 仪 器 年月 ，收稿日期：作者简介：刘艳（），女，大学，高级工程师从事海洋环境声呐方面的研究工作海洋环境对声呐使用性能的影响刘艳，潘文良（部队 分队，大连 ）摘要：针对声呐装备在使用过程中受海洋环境影响比较大的实际情况，研究不同海洋环境条件下对声呐装备使用性能的影响，探讨了声呐装备与海洋环境相适应的方法，并在环境自适应声学处理技术、测量体制和模式等方面提出了建议，为最大限度地发挥声呐装备的作战使用效能提供参考。关键词：声呐装备；海洋环境；环境适应性中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；引言声呐是水声传输和探测的主要技术装备。它是在水媒质环境中利用声波对水中目标进行探测、定位、识别、跟踪以及实现水下导航和通信、水声对抗等各种装备的总称。声呐的研制和使用离不开海洋环境，海洋是一个复杂的动态系统，海洋下的水声信道是一个极其复杂的时空频域随机传输信道。其特征主要表现为传播损失（吸收和衰减）；多径效应（声速变化和海面、海底反射造成的折射和多路径）；频散效应（由介质不均匀、多路径干涉、界面反射和多普勒效应引起波形失真）；混响、环境噪声和运载平台自噪声产生掩盖作用。各种水声装备在良好水文条件下所具有的技术和战术性能，在复杂海洋环境下均将会产生或强或弱的不稳定变化，甚至导致声呐装备出现盲区或弱视区，严重影响声呐的作战使用性能。因此，分析海洋环境对声呐装备的影响，探寻不同使用环境下声呐技术的改进和提高，旨在发挥声呐装备的最大使用效能，。声呐装备的特点声波是海水介质中能够远距离传输信息的最佳载体。电磁波和光波在海水中传播都要受到严重的衰减，雷达、无线电和光电设备在海洋下无法完成远距离测量任务，获取水下信息的最佳途径是水声装备。声呐装备在使用过程中，有其自身的特点。主要表现在以下的方面：第期刘艳，等：海洋环境对声呐使用性能的影响（）声呐性能受环境影响比较大。声呐性能受外界环境因素的影响特别严重。由于声呐使用环境多变，各项环境因素繁多，使得影响声呐性能的因素不确定。多途效应、频散效应、海面海底的不平整等均会引起声呐信号的畸变，不仅使信号处理复杂，而且降低声呐的工作性能。（）声呐性能受安装平台的限制和影响。声呐不仅受安装平台位置、尺寸的限制，而且受安装平台自噪声的干扰。由于安装平台的限制，不能一味地增大换能器的尺寸来提高声呐的性能。同时，平台的自噪声通过水介质传播出去构成辐射噪声，又成为声呐的背景噪声，影响声呐的探测性能。（）声呐目标信息的复杂性。声呐目标的回波特性与目标的类型、尺寸、结构、入射波的方位角、工作频率、脉冲宽度及声呐与目标的相对距离、相对运动速度等诸多因素有关。同时，目标的辐射噪声特性也与目标类型、结构以及运动参数有关。受海洋环境和水声信道的起伏多变，使声呐目标信息特别复杂，从而使声呐探测目标变得十分困难。海洋环境对声呐使用性能的影响海洋环境下声呐系统的使用性能是根据所承载的战术使命任务进行设计的。在满足使用要求的前提下，利用声呐技术，合理设计各分系统的技术指标。声呐系统的技术性能决定着声呐系统的最大作用距离、最小作用距离、距离分辨率、搜索速度和定向精度，决定着接收系统对最小信号的接收能力、处理能力。声呐系统的技术性能是影响声呐作战使用的内在因素，海洋环境是影响声呐使用性能的外在因素。海洋环境是由海空、海表、海体和海底三维、多种海洋要素及其多变和人为现象组成。主要包括海洋水文环境、海洋气象环境、海洋生物环境等因素，。海洋水文环境要素对声呐使用性能的影响在动态海洋环境中，海洋水文环境要素时空变化极其复杂。海洋水文环境主要是指海水物理、化学性质及海洋动力过程引起的海面、海水介质内部动态结构特征。其现象主要包括海浪、海流、潮汐、海冰等。在实际应用中，海浪和海流对声呐的影响比较大。（）海浪对声呐装备性能的影响 海浪引起航行平台颠簸、摇摆会导致声呐姿态的变化，直接导致声呐探测性能的不稳定；不同海况条件下，海洋环境噪声会发生明显的变化，影响声呐的性能；海浪引起的海面粗糙会改变海面的反射或散射特性，引起信号幅度和相位的剧烈起伏，海面运动会对单频信号产生频移效应和频率展宽；海浪引起的海面粗糙使得洛埃镜效应或虚源干涉效应减弱或变得模糊；高海况下海洋表层一般会出现气泡，气泡的共振散射会引起海水声速、密度的改变，对高频声传播产生更大的损失。（）海流对声呐装备性能的影响 海流会带来运动平台、水雷、声呐浮标等姿态的不稳定，会导致声呐基阵姿态、平台各部位应力的变化，从而导致声呐探测性能的不稳定；海流会产生额外的多普勒频移效应，一定程度上改变声场相干特性，影响声呐的探测性能；海流作用于平台表面所引起的水动力噪声变化，影响声呐的探测性能。海洋气象要素对声呐使用性能的影响影响声呐装备性能的海洋气象要素主要有风场、降水和空气湿度。海面风场和降水是间接因素，空气湿度是导致声呐干端设备形成腐蚀的主要因素。海面风场是通过海浪来影响声呐的性能的。降水主要影响海水的盐度，同时产生风雨噪声，风雨噪声是降水条件下声呐系统海洋环境噪声干扰的重要组成部分。海洋生物要素对声呐使用性能的影响海洋生物可分为浮游生物、自游生物、底栖生物和藻类四大类。这些海洋生物对声呐装备的影响主要表现在以下几个方面：（）产生噪声。某些海洋动物产生的声音可极大地提高海洋背景噪声。（）产生声衰减和声散射。鱼群、密集的浮游生物以及漂浮的巨藻对声波的传播出现散射层。（）污损声呐的导流罩和声呐换能器，增大平台的湍流噪声，间接降低声呐的性能。声呐装备与海洋环境相适应的途径在复杂海洋环境下对远距离、弱信号目标的气 象 水 文 海 洋 仪 器 检测、定位、识别与跟踪是声呐装备在一定时期的技术要求。声波在海洋信道的传播过程中，受各种条件海洋环境的影响极其复杂，要求声呐装备必须具有环境声学适应性，具有环境声学的适应处理能力。因此，在未来的声呐装备使用过程中，充分发挥声呐装备的最大使用效能，发挥其水下测量的优势是急需解决的问题。（）利用环境自适应声学处理技术，解决声呐装备自身与环境相适应的问题。随着水声建模技术和计算机技术的发展，减弱环境效应对声呐探测影响的新技术应运而生。环境自适应声学处理技术主要解决复杂海洋环境下的信道匹配处理、环境自适应宽容处理、非高斯、非平稳、非线性处理等式问题。主要采取的技术有：采用复杂信道非平面波、非高斯、非平稳信号处理技术。利用噪声实际特性和高阶统计量，以解决经典的基于均匀传播媒质、各向同性噪声场和单个平面波信号的声呐信号处理问题；采用复杂海洋环境条件下的声场建模技术和声呐基阵宽容性声场匹配处理技术，解决信道变异性、信息采集不充分的问题，实现远程目标的主动和被动三维定位；发展低频宽带、大功率水声换能技术。解决声呐低频工作时的高分辨问题；（）突破现有测量体制和模式，形成适应未来作战需求的声学测量方法。各种海洋环境下测量方法受传输介质、安装平台、工作方式、目标特性等内外因素的影响，制约着海洋环境下测量方法在工程上的应用。而测得准、测得精，反应快，实时性强是海洋环境下测量迫切的需求。其中任何部分在技术上的突破将影响海洋环境下测量的发展。在重大需求牵引下，结合国内外现有的海洋环境下测量技术，形成适应未来作战需求的声学测量方法，。采用新的水声探测体制。以往的声纳大多采用单基地方式工作。主动工作时，收发基地都在同一位置，这种方式下接收端受平台噪声和混响的影响，难于提高性能。若收发分置，即采用双基地或多基地工作方式，接收点可设在背景较为安静的区域，从而使探测能力大大增强。采用带有合作目标的声学测量方法。在被测目标上加装声学的合作目标，将合作目标相对被测目标质心的位置进行标定。通过对合作目标的声学测量，完成目标的海洋环境下运动参数精确测量。带有合作目标的海洋环境下测量方法是靶场解决精准测量的有效途径，有利于目标的运动轨迹和运动姿态的测量。（）引进国外先进测量技术，构建海洋环境下声学测量网络中心。国外海洋环境下测量起步早，发展快。各种测量方法和测量技术已经应用。构建海洋环境下测量网络中心是新形势下海洋环境下测量的发展要求。海洋环境下测量网络中心不在依赖平台内自身的测量设备，而是依靠平台间的信息综合和共享，实现互通、互连、互操作，成为试验指挥中海洋环境下测量的中心。按照这种概念，海洋环境下测量体系中要布置机动或固定的水声和海洋环境下成像设备。国外常采用多基地定位、环境自适应和数据融合等技术，对海洋环境下目标精确定位和测量。多基地、多平台联合探测系统构成海洋环境下测量网。要求各海洋环境下测量设备之间信息传递网络化、宽带化，各海洋环境下测量设备信息处理高速数字化、实时化，逐步实现可靠、实时海洋环境下测量数据和图、文、声像信息的传递与共享，。结束语海洋环境对声呐的影响具有普遍性，是不同功能的声呐装备在使用过程中不可回避的、具有共性的环境因素。对于水声探测和传输来说，主要影响声呐装备的功能、性能、作战效能、隐蔽性、适应性、可靠性和使用寿命。为了充分发挥声呐探测水下目标的能力和提高对目标的分辨力，必须着眼于声呐环境适应性的研究。一是建立海洋环境综合数据库，通过大量反演试验，探索出海洋背景对水声探测和传输的影响；二是大力发展环境适应性技术，通过各种新技术的应用，探索出水声装备适应水下信道传输的方法，克服海洋环境对水声装备的影响。参考文献：刘孟 庵 水 声 工 程 杭 州：浙 江 科 学 出 版 社，汪德昭 水声学 北京：科学出版社，江学华 自然环境试验技术 北京：航空工业出版社，祝耀昌 产品环境工程概论（下转第 页）第期薄文波，等：我国近邻海域海平面气压变化特征分析梯度相对稳定，波动较小。中南部海域，纬向气压梯度的最大值出现在 月份、其中中部海域 月份达到了全年全海域纬向气压梯度的最大值，为 ，最小值出现在夏季，月份南部海域纬向气压梯度达到全年全海域 的最小 值，为 ，说明月份气压呈现明显的北低南高形势。从图可以看出，北部、中部、南部海域月平均经向气压梯度变化曲线非常相似，经向气压梯度的最大值出现在冬季，最小值出现在夏季，从月份经向气压梯度总体呈现递减走势，月份气压梯度变化平稳，月份经向气压梯度总体呈现递增走势。月份，中、南部海域经向气压梯度出现了明显的负值区，说明气压东高西低的形势比较稳定，其中南部海域月份达到了全年全海域经向气压梯度的最小值：。综合考虑纬向、经向气压梯度曲线走势发现，各海域纬向、经向气压梯度（北部海域纬向气压梯度全年取值较小除外）极大值均出现在冬季，而极小值均出现在夏季，上半年气压梯度呈现递减走势，下半年气压梯度递增走势，冬季、夏季气压梯度稳定，波动较小，。结束语综观我国近邻海域全年气压场及气压梯度变化存在以下几个特点：（）气压变化呈现周期性，冬季气压总体呈纬向分布，北高南低；夏季气压呈经向分布，东高西低。春、秋季是气压经向、纬向型变化的过渡时期。（）冬季、夏季月平均气压形势稳定，秋季、春季月平均气压形势活跃，变化较快。（）北部海域纬向气压梯度全年变化平稳，中、南部海域纬向气压梯度呈现明显季节变化，冬季纬向气压梯度达到最大值，夏季达到最小值，春季、秋季纬向气压梯度变化较快，为气压变化的过渡期。（）北部、中部、南部海域全年经向气压梯度曲线走势非常相似，经向气压梯度随时间变化的规律性较强。月份经向气压梯度总体呈现递减走势；月份气压梯度变化相对平稳；月份经向气压梯度总体呈现递增走势。参考文献：罗晓玲，王德贵 型压力式验潮仪海洋技术，（）：段福楼 便携式验潮仪应用中的几个问题海洋测绘，（）：阮锐潮汐测量与验潮技术的发展海洋技术，（）：张淑芝压力式验潮仪的精密基准控制海洋技术阮锐压力式验潮仪的技术探讨成都：第十一届海洋测绘综合性学术讨论会论文集，孟德润海洋潮汐学北京：海潮出版社，陈宗镛海洋潮汐学北京：科学出版社，田光耀现代海洋潮汐测量海洋测绘，（）：军用设备海洋气候、水文极值 金巍 年东北三省地面气压变化特征研究第 届中国气象学会年会应对气候变化分会场人类发展的永恒主题论文集，伍荣生低纬度风压场变化的特点南京大学学报（自然科学版），（）：章基嘉中长期天气预报基础北京：气象出版社，（上接第页）北京：航空工业出版社，实用水声工程北京：电子工业出版社，张永刚军事海洋学概论北京：海潮出版社，周士弘 水下声目标匹配场定位方法 北京：中国科学院声学所年会论文集，中国船舶重工集团公司 海军武器装备与海战场环境概论北京：海洋出版社，冯士笮，李凤歧，李少菁海洋科学导论北京：高等教育出版社，杨殿荣海洋学北京：高等教育出版社，中国大百科全书编委会中国大百科全书大气科学、海洋科学、水文科学卷 北京：中国大百科全书出版社，国家海洋局 应用海洋学基础 北京：海洋出版社，