南北乱世情作者：高焘 陶智
来源：《科技资讯》 2012年第12期
高焘 陶智
(1.海军驻武汉四三八厂军事代表室 武汉 海字第144386号; 2.海军装备部驻沈阳地区军事代表局 沈阳 海字第110031号)
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摘 要:通过对海洋环境和声纳探测原理的分析,使我们了解到海洋环境的复杂性和多变性,认识到水声探测的原因和目的。
关键词:声纳 声速剖面 内波
中图分类号:TB5 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)04(c)-0001-02
声纳是指实现水下声能与电能之间的转换的水声换能器。它最早是被设计用于协助水面舰艇在恶劣天气下导航的,后来装备于潜艇上,到今天已经成为定位潜艇的主要手段。声呐可根据探测方法分为两种类型:
主动和被动。主动声呐安装有一个发射机发出声脉冲和一个接收机记录返回的回声;被动声呐收听其他船只和潜艇的噪声。应当注意,声波在传播中被散射和吸收后造成的能量损失,也就是衰减。
1 声纳探测原理
声纳探测分为主动探测和被动探测两种形式。被动探测是探测目标本身所发出的噪声,然后根据被测信号的大小和方位来计算得到目标的方位和距离。主动探测是本艇向目标发出探测脉冲信号,然后根据目标反射回的信号计算出目标的方位和距离。 1.1 被动探测原理
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被动探测原理如图1所示。设声速为c,则目标到达各个阵元的时延差分别为:
τ12=τ1-τ2=1/c(L1-L2)
(1)
τ23=τ2-τ36=1/c(L2-L3)
(2)
τ13=τ12+τ23
(3)
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其中,τ12为阵元1、2接收信号的时间差;τ23为阵元2、3接收信号的时间差;τ13为阵元1、3接收信号的时间差。可求得目标方位为:
α=cos-1{[cd2-c3τ12τ23τ13]/[2d3-c2d(τ232+τ122)]}
(4)
目标距离为:
L=d2/c(τ12-τ23)-c(τ232+τ122)/2(τ12-τ23)
(5)
1.2 主动探测原理
主动探测原理如图2所示。设声速为c,脉冲波前沿到达目标时的距离为L1,所用时间为t1,脉冲波后沿到达目标时的距离为L2,所用时间为t2。若t1=t2,则L1=L2,目标为静止的。若t1不等于t2,则:
L1=ct1
(6)
L2=ct2
(7)
目标源移动速度为:
c目=(L1-L2)/(t1-t2)
(8)
2 影响声纳探测性能的水下环境因素
2.1 海洋声速剖面
海洋中声速分布是多变的,既有地区性变化,又有季节性变化。但是,局部区域声速在水平方向变化不明显,而在深度方向变化很大。大多数海洋其水平声速梯度是垂直声速梯度变化的1‰左右。因此,垂直声速梯度对声纳影响很大,图3显示的是深海典型的声速分层剖面图。
从图3中看出,分层的海洋中,各层的声速不同,表层和跃变层之间的声速差别很大。因此,声纳设备工
作在不同的水层,其性能有异,对目标的探距离也有差别。实际作战的水下探测设备,在不同的海区和深度,作战效果或许截然不同。
不同海层的水温、盐度、压力等对声速有不同的影响,由Wilson公式可以证明其中温度影响最大,因此,各平台安装的声纳设备首先要考虑水下环境对声速的影响。
2.2 洋流琼斯皇
四大海洋都有洋流的存在,这些洋流的流向和流速也不尽相同。而且有的是暖流,有的是寒流,温度也不尽相同。各洋流的流量、宽度和长度也不同,声速通过这些洋流时,引起强烈的声波起伏,能使声纳信号造成数个dB的声级变化,显著地改变了声速的传播方向,从而给远距离定位和测距增加了难度。
2.3 内波
海洋中在重力作用下不同密度的海水界面间受扰动或是海流流经海山、大陆架波折的边缘地形时引起的波动叫内波。低频内波波长达数十公里至数百公里,波高10m～100m。高频内波波高较小,波长也短。由于内波的存在能严重地干扰声波的走向,使声线紊乱。使声波传播过程中的强度和相位产生很大起伏。
2.4 锋面
所谓锋面是指海洋中能显著改变声传播途径和传播损失的突变面。锋面区域内的声级变化有时可达25dB。它可以把温度和盐度不同的水域分开。海洋生物通过锋面时会改变环境噪声和混响。
2.5 海底地形和地质
海洋地形可划分为三大部分,即大陆架、深海平原和深海海沟。大陆架的海底相对较浅,海底地质结构多为泥沙或岩石,坡度较缓,但有的海底斜坡陡峭,如台湾东部海域,这种地形能严重影响声波的传播。在深海平原中,存在海底山和海底盆地,它们能使汇聚区的位置发生变化,使声波的传播损失值发生改变,从而使声场汇聚增益显著减小,这对于数百米深度作战的潜艇和潜水器探测目标都是不利的。深海平原中也同样存在许多海沟,构成超深渊带,沟深数千米,沟长达数万公里,这是地球海洋环境条件极端区域。
除了上述五种海洋环境因数能严重影响声纳探测性能外,还有一些因数也是不可忽视的。如浅海和深海存在声道效应;如海洋深处安静,近岸、滨海噪音大等。这些也是影响声纳探测的因数。
3 结语
本文主要简述了水声探测的基本原理和海洋环境对水声探测的制约。海洋环境的多变性和时变性,大大制约着人们对海洋的探索。随着海洋资源的开发和利用以及陆地资源的日益减少,水声探测变得越来越重要了。我们要一面研究海洋环境变化的规律,使声纳探测适应环境变化的规律;另一面我们要研究声纳探测的新技术,使其减少对环境的依赖性。
斗形纹 参考文献
[1] 刘伯胜,雷家煜.水声学原理[M].哈尔滨工程大学出版社,1993.
[2] 刘孟庵.水声工程[M].浙江科学技术出版社,2002.
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