高　飞，潘长明，李胜全，孙　磊，陈符森，2

（1.海军海洋测绘研究所，天津，300061；2.解放军理工大学 气象海洋学院，江苏 南京，211101）

基于HMG法的被动声呐浅海探测距离预报

高飞1，潘长明1，李胜全1，孙磊1，陈符森1，2

（1.海军海洋测绘研究所，天津，300061；2.解放军理工大学 气象海洋学院，江苏 南京，211101）

基于HMG法并将实测数据与模型仿真相结合，以评估海洋“水声环境效应”对声呐探测距离的影响。文章首先基于声呐方程阐述 HMG法预报原理，给出其声呐参数组合表达式；然后结合东海浅水区域水声调查构建海洋环境背景场，分析其水体及边界声学参数分布；最后，利用实测数据验证Kraken水声传播数值模型及风生噪声经验模型，并根据HMG法模拟预报海面风速、声速剖面对被动声呐探测距离的影响。研究结果表明: HMG法可较好模拟“水声环境效应”对声呐探测距离的影响；传播损失和环境噪声随海面风速增加而增大，从而降低了声呐探测距离；声速剖面通过影响声能边界损失作用于探测距离，垂向均匀的声速剖面环境中探测距离最大。文中研究可为被动声呐水下探测及水下航行器的隐蔽航行研究提供参考。

水下航行器；HMG法；被动声呐探测；水声环境效应；水声调查；声速剖面

0　引言

声波在水下环境中所表现出的普遍、异常变化特征和规律及其影响即水声环境效应［1］。“水声环境效应”对声信道声能传输特征、声呐系统水下探测影响显著，且已被大量研究所证实［2-7］。HMG（hydrology meteorology geology）法［8］用于系统评估“水声环境效应”对声呐工作效能的影响，适用于模拟预报时空多变的海洋环境中被动声呐探测距离。

海洋环境影响着水下声传播特征规律进而作用于声呐探测效能。分析常见的海洋中尺度现象（中尺度涡［9］、内波［10］、温跃层［11-12］等）及海洋环境不确定性［13-14］多是从传播损失角度研究其对声呐探测效能的影响；对海面风、浪［15-16］的研究则是分析海洋环境噪声探索背景干扰级对声呐检测水下目标信号的影响；对海底底质分类［17］、地形［18］、粗超度［19］的研究则是从传播损失、散射的角度评估其对声呐工作效能的影响。

有关探测海洋环境对声呐工作效能影响的研究也大量展开，Alec［20］以水声信号处理为切入点，仿真分析海洋环境参数扰动对声呐水听器能量接收机波动峰值所造成的变化；Paul［21］、Wei［22］、Li［23］等通过构建不确定海洋环境变化规律模型，与声呐水下探测相结合，用以研究海洋环境不确定性对声呐检测精度确定性的影响；李玉伟［24］、岳雷［25］从信号处理模拟研究海洋环境噪声对声呐水下检测概率、方位角偏离的影响；赵志允［26］、He［27］通过构建声呐检测概率模型，综合利用已有的水声传播、环境噪声级、混响级预报模型综合评估海洋环境背景场对声呐探测距离和预报精度的影响；杨小小［28］、戴明强［29］则是从声呐本身性能参数及人为因素，利用 ADC（application dependability capability）法、蚁群算法、层次分析法等对声呐探测进行评估。

HMG法侧重评估“水声环境效应”对声呐探测效能的影响，文章从声呐方程出发阐述HMG法原理，并以东海某一浅水调查海域为研究区域，采用实测数据构建海洋环境背景场，进而利用实测传播损失数据、环境噪声数据验证水声模型，并模拟预报单因子环境参数（风速、声速剖面等）变化对被动声呐探测距离的影响。

文中的研究贴近真实海洋环境，结果可靠性强，可为被动声呐水下探测及水下航行器的隐蔽航行研究提供参考。

1　HMG法预报原理

声呐方程通常可分为主/被动形式［30-31］

式中:TL，BL，SL，TS，AG，DT和NL分别表示传播损失、背景干扰级、声源级、目标强度、声呐阵列的增益、检测阈和环境噪声级。其中，BL取值与NL和RL（混响干扰级）相关

式中: SL，TS，AG和DT为声呐及水下目标的固有属性，不受海洋环境影响；TL和BL则反映水声信道声波传输能力，受海洋环境影响巨大，是“水声环境效应”的集中体现。当声呐系统性能已知，能否探测到水下目标物取决于“水声环境效应”的影响，即TL和BL的大小。

水声信道传输介质通常可分为水体、海底及海面，三者时空特征差异造成TL和BL的不同分布特征，进而影响声呐有效探测距离。故可将“水声环境效应”概括为水文环境效应（hydrology）、气象环境效应（meteorology）及海底环境效应（geology）之和，分别利用声学模型定量研究3种具体环境中TL和BL的分布特征，即 HMG法整体构成。用组合声呐参数表示如下

式中: 对于被动声呐，l=1，m=1，n=0；对于噪声干扰背景的主动声呐，l=2，m=1，n=0；对于混响干扰背景的主动声呐，l=2，m=0，n=1。

结合式（2）、式（4）可得被动声呐检测域

下文分析中，假设 AG=0。当声源级已知时，利用水声传播数值模型、噪声模型分别模拟具体海洋环境中的传播损失和环境噪声谱级，则基于式（4）可得被动声呐HMG值，进而利用式（5）预报其有效探测距离。

2　海洋环境背景场

文章选取东海浅水海域水声调查中某一实测调查航线为海洋环境背景场［12，32］（见图1）。

图1　水声调查航线位置及边界要素分布Fig.1　Location of underwater acoustic survey route and distribution of boundary parameters

2.1水声调查概况

水声调查以走航观测与定点观测相结合的方式进行。调查项目含声传播损失、海洋环境噪声、GPS数据、温度、盐度、密度、水深、海流、海面气象和海表风浪等。

水声探测浮标系统通过海面浮标下挂水听器阵（含 8个不同深度的水听器），下端以铅鱼固定。调查船拖曳近似无指向性人工声源沿调查航线航行，并发射不同频率的声信号，其中580 Hz声信号宽度为500 ms，声源级约为200 dB。

水声探测浮标系统与调查船均配备 GPS定位系统，可实时观测两者位置及相对距离。实时控制拖曳声源，使其保持在1/2倍水深的深度处。

2.2海洋环境背景场

以图1所示的调查航线为例进行分析。天气晴，海面浪高2～3 m，东北风5～6级。海底底质以粉砂质粘土为主，水深变化在53～65 m之间。

调查航线长约 50 km，在其起点、终点处利用CTD （conductive temperature depth）进行温、盐、深剖面观测，走航调查过程中利用XBT（expendable bathythermograph）观测温、深剖面。基于Akima插值法［33］、GDEM（generalized digital environment model）声速计算法［34］可得调查航线声速断面如图2。

图2　海洋环境背景声速场Fig.2　The sound speed field of ocean environment background

声速场整体呈现3层结构，可分为浅层、中层和深层，浅层和深层声速垂向变幅较小；中层为声速跃层，声速大小向下迅速减小，分布于32～40 m深度间。

3　被动声呐浅海探测距离预报

首先，基于文中构建的海洋环境背景场，采用实测数据验证水声模型模拟效果，进而模拟预报海洋环境背景场单因子变化时被动声呐的探测距离。

3.1模型配置及验证

分析文中的海洋环境背景场，调查航线水深较小，且海底地形变化缓慢，故可采用水平不变的 Kraken简正波理论模型［35］模拟其传播损失分布特征。简正波理论采用快速有限差分法精确解算实数本征值，精度高、速度快，适于工程应用。

海表风、浪对传播损失场的影响主要考虑海表粗糙度，忽略水体不均匀性的作用。文章参考文献［36］海面粗糙度的计算公式

式中:κ为 vonkarman常数；z0为海面粗糙度，通常取0.35；C10为阻力系数，且

式中，U10为海面 10 m高处风速，经计算可得海底粗糙度计算参照文献［37］。

水体声吸收系数αw=0.000 1dB/λ。设粉砂质粘土厚度10 m，ρs=1.650g/cm3，cs=1 700 m/s，往下为无限大基底层，

浅海水声传播损失垂向差异小，声能汇聚特征不明显，故将其垂向平均，得到的平均传播损失随水平距离的变化曲线与实测数据对比如图3。分析图3中实测数据可知，传播损失随距离变化总趋势逐渐增加，局部存在波动现象，同一距离不同水听器观测结果声强差异在20 dB，Kraken模型输出结果与实测数据基本吻合。

图3　模型输出与实测传播损失对比Fig.3　Transmission loss comparison between acoustic model and experiment

浅海环境噪声源多样，主要由海表风浪、海流、船舶和海洋生物等混合形成，难以用一个“全能”数学模型来精确表述［38-39］。声呐探测过程中可预先根据感兴趣的水下目标物辐射噪声信号频带分布，选择影响该频带区间的主要环境噪声源，并基于对应的噪声源经验公式进行预报。

100～10 000 Hz频带内的主要噪声源为船舶、海上施工及刮风下雨。以下预报仿真中主要考虑风生噪声，故文章引用 Hamson［40］提出的经验公式，李整林等［41］对其进行了修正，使其更适合于国内近海风生噪声源级预报，则

式中: f为频率；ν为风速。

图4为6级风情况下的实测海洋环境噪声谱级与经验公式（8）、（9）计算结果对比，两者基本相符，实测数据微弱偏大，这可能源于水声调查海域有往来船舶影响。

图4　模型输出与实测环境噪声谱级对比Fig.4　Spectral level of ambient noise comparison between acoustic model and experiment

3.2探测距离预报

设水下目标物为155 dB的窄带信号（400 Hz）水下航行器，置于航线起点30 m深度处（见图1）。设检测域 DT≥6 dB时，被动声呐可成功检测到水下航行器。则基于第2节构建的海洋环境背景场，下文分析单因子（风速、跃层）变化时对声呐探测距离预报的影响。

3.2.1不同风速时被动声呐探测距离预报

图5为风速变化时被动声呐探测距离预报曲线，可知风速对被动声呐影响巨大，风速微弱时，探测距离可达近百公里；风速为 15 m/s时（7级风），理论上探测距离仅约为10 km。

图5　被动声呐探测距离随风速变化曲线Fig.5　Curve of passive sonar detection range versus wind speed

事实上，风速通过作用于传播损失与海洋环境噪声共同影响被动声呐的工作效能，图6为海表不同风速大小时，传播损失随距离的变化曲线，海表风力级改变海面粗糙度，同时改变海洋浅层水体介质的均匀性，进而改变水声信道的声波传输能力。 风速增长，海洋环境噪声级迅速增加（见图7），掩盖水下目标物的声信号，导致被动声呐有效探测距离减小。

图6　不同风速时传播损失随距离变化曲线Fig.6　Curves of transmission loss versus range at different wind speed

图7　不同风速时400 Hz环境噪声级Fig.7　Ambient noise level at 400 Hz with different wind speed

3.2.2不同跃层时被动声呐探测距离预报

文中研究海域位于东海大陆架近海区域，该区域冬季出现逆温跃层，春末夏初温度垂向混合较均匀，夏秋季节为典型的浅海正温跃层［42］。故设模拟跃层类型如图8所示，分别为类型1（强负跃层型，即声速向下迅速减小）、类型2（弱负跃层型）、类型3（无跃层型）、类型4（弱正跃层型）、类型5（强正跃层型）。

图8　5种类型声速剖面Fig.8　Five sound speed profiles

跃层类型通过影响传播损失作用于被动声呐探测距离。水下声传播中，声线总是弯向声速减小的方向，在深海可导致汇聚区与声影区的形成。浅海跃层越强，对声线传播方向作用越大，导致声波与边界作用次数越多，边界损失越大。图 9所示，跃层类型 3声呐有效探测距离最远，约47 km，传播损失最小（见图10），该类型声速剖面（均匀声速剖面）中，声能边界损失最小；类型1、类型5声速剖面环境中被动声呐探测距离最小，传播损失最大（图10）；类型2、类型4为弱跃层型，被动声呐探测距离与传播损失居中。

图9　被动声呐探测距离随跃层类型的变化曲线Fig.9　Curve of passive sonar detection range versus different thermocline

图10　不同跃层时传播损失随距离变化曲线Fig.10　Curves of transmission loss versus range at different thermocline

已有的研究工作认为，负跃层声呐探测距离最小，正跃层探测距离最大，与文中研究结论存在一定偏差。源于其将海表假设为弹性释放界面，不考虑表层声能衰减较小所致。文中模拟的是海表5～6级风时不同跃层类型对声呐探测距离的影响，海面风速较大导致上边界传播损失增大，形成与底边界相当的衰减作用，故类型3被动声呐探测距离最大。

3.2.3其他因素对被动声呐探测距离的预报

当被动声呐工作海域内存在往来船舶时，应根据其噪声源级经验公式计算其噪声源级，并结合风生噪声级解算背景噪声干扰级

式中，SLW，SLS分别为风生噪声、船舶噪声源级。

海底底质类型、沉积层厚度对传播损失影响较大，利用HMG方法预报被动声呐探测距离时，应基于其具体分布情形，调整水声传播模型内的边界参数。

海洋流噪声影响频率通常不超过100 Hz，文中模拟400 Hz窄带水下目标物，故不考虑其影响。

4　结束语

被动声呐水下探测效能受“水声环境效应”影响显著，其有效探测距离与背景噪声干扰级、传播损失紧密相关。文章利用东海水声调查某一航线，构建海洋环境背景场；在此基础上，结合水声数据处理及声呐方程进一步阐述HMG法预报原理，给出声呐组合参数表达式；最后，基于水声调查实测数据对声学模型模拟效果进行验证，并模拟预报不同海面风速、水体声速剖面时的声呐有效探测距离，给出其相应的物理形成机制。文章研究内容紧密集合实际海洋环境，理论性强、可靠性高，对被动声呐水下探测及水下航行器的隐蔽航行具有应用价值。

由于海洋水声环境的不确定性及时空多变性等特点，对模拟真实海洋环境中被动声呐探测效能提出重大考验，也对水声模型的选配及其适用性提出很高要求，该领域的工作还有待于进一步深化。

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（责任编辑: 杨力军）

Detection Range Prediction of Passive Sonar in Shallow-water Area Based on the HMG Method

GAO Fei1，PAN Chang-ming1，LI Sheng-quan1，SUN Lei1，CHEN Fu-sen1，2
（1.Naval Institute of Hydrographic Surveying and Charting，Tianjin 300061，China；2.College of Meteorology and Oceanography，PLA University of Science and Technology，Nanjing 211101，China）

A research is conducted by combining experiment data and simulation model based on the hydrology meteorology geology（HMG） method to evaluate the influence of the underwater acoustic environment effect on sonar detection range.Firstly，the HMG prediction theory is discussed based on the sonar equation，and a sonar parameters combination expression is proposed.Then，the ocean environment background field is constructed combining with shallow-water acoustic survey in the East China Sea，and its acoustic parameters distribution of the water and boundary are analyzed.Finally，the Kraken's numerical acoustic transmission model and the empirical model of wind-generated noise are verified with measured data，and the passive sonar detection range is simulated for different wind speeds and sound speed profiles with the HMG method.The results show that: 1） the HMG method can simulate the effect of the underwater acoustic environment effect on sonar detection range；2） the transmission loss and ambient noise increase with wind speed at sea surface，which decreases the sonar detection range；and 3） the sound speed profile influences detection range by affecting acoustic boundary loss，and the detection range gets the biggest in vertically uniform sound speed environment.This research may provide a reference for the underwater passive sonar detection and the stealth of an underwater vehicle.

underwater vehicle；hydrology meteorology geology（HMG） method；passive sonar detection；underwater acoustic environment effect；underwater acoustic survey；sound speed profile

TJ630.34；P733.23

A

1673-1948（2016）03-0177-07

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.03.004

2016-02-29；

2016-04-21.

国家自然科学基金项目（41276088）；国家海洋公益性行业科研项目（2012050007-7）.

高飞（1988-），男，硕士，主要研究方向为海洋水声环境效应.