海洋锋对潜艇水声通信与探测的影响分析

海洋锋对潜艇水声通信与探测的影响分析
MA Y W，HAN D，WEI S F.The Influence of Ocean Front on Submarine Acoustic Communication and Detection[J].Audio
DOI：10. 16311/j. audioe. 2021. 01. 005
海洋锋对潜艇水声通信与探测的影响分析
马雨薇1，韩 东2*，魏尚飞
大连 116018；2.海军大连舰艇学院
海军大连舰艇学院学员五大队，辽宁
海洋锋会对水声信号的传播产生极大的影响，并能削弱潜艇水声通信和声呐探测效果。

只有掌握海洋锋对声信号的具才能在实际作战中有效规避其带来的不利影响。

利用射线模型对深海水声环境进行仿真，
传播损失图及多途效应的仿真结果，通过与标准深海环境对比，
海洋锋的存在将削弱潜艇通信和探测的效果，
声场仿真
The Influence of Ocean Front on Submarine Acoustic Communication and Detection
MA Yuwei1, HAN Dong2*, WEI Shangfei
(1.Midshipmen Group One, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China;
2.Department of Information System, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China;
3.Midshipmen Group Five, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)
The ocean front will have a great influence on the propagation of underwater acoustic signal, and can weaken the underwater acoustic communication and sonar detection effect of submarine. Only by knowing the specific influence of ocean front on acoustic signal, can we avoid the adverse effect effectively in actual combat. The deep sea acoustic environment is simulated by using the ray model, and the simulation results of acoustic propagation, propagation loss and multipath effect of the acoustic source in the cold and hot water areas on both sides of the front are given. Through the analysis of the simulation images, it is concluded that the presence of ocean front will weaken the submarine communication and detection effect, but the underwater acoustic communication and detection at the depth of the front can make up for this kind of bad effect to some extent, and obtain a relatively good effect.
oceanic front; submarine; underwater acoustic communication; sonar detection; acoustic field simulation
分析研究海洋锋对声传播的影响进而总结其对潜艇通信与探测的影响具有重要战略价值和实用意义。

国外一些学者早
年代便开始研究海洋锋对声信号传
发现因温度不同形成
对于声速值
小的甚至不足
通过研究东格陵兰极地与周围海区过渡区的海洋锋对声信
总结出海洋锋对于声信号传播的影
Robinson[3]研究了冰岛至法罗群岛存在海洋锋的地区的声传并将地形变化纳入考虑范围。

国内学者在年左右开始研究海洋锋对声传播的影响。

南
分析了海洋锋中的三维声线轨迹，总结
且随距离增加偏角
通过海洋锋的实测数
建立适合于海
PE模型，
比对不同接收深度传
数据资料融合处
建立海洋声场数值预报系 对典型声场进行声线路径模拟和传播损失计算
简正波模多途展开模型及快速场模型等。

射线理论是几
它通过直观的声线图更为形象。

本文
着重分析传播损失和多径时
进行仿真，
分别仿真不存在的。

本文的研究对象是因温度剧烈变化而形成的海洋锋，
速变化的剧烈程度可分为强锋和弱锋。

温度的急剧变化导致声速的剧烈变化，
面，使声线随之弯折。

当声线触及海面和海底或者穿过锋面时，
改变可能导致汇聚区长度和广度发生变化，
响水声探测的效果。

图1 海洋锋结构模拟图
1.2 射线理论模型
经典射线声学认为，声场的能量是由声线来传递的。

从声源出发的声线按一定的路径到达接收点，接收到的声能是所有到达声线也称本征声线的叠加结果。

射线模型可以描绘出发射机与接收机之间的信号传输路径，并给出每条路径的传播损失和传播时间，因此对多径信道的传播特性进行分析和仿真时，射线模型是一种常用的分析工具[7]。

由于具有物理图像清晰、计算速度快以及适用范围广等诸多优点，射线声学理论在水声学中有着广泛的应用[8]。

伴随水声研究的深入发展，利用射线理论模型执行计算的性能也在不断完善和提高，其应用将更为广泛。

利用Bellhop声场计算软件进行仿真。

文献
指出，基于高斯束射线跟踪算法的Bellhop模型，声束内的每根声线与垂直于该声线的高斯型强度剖面联系起来，有效解决了传统射线理论在声影区和焦散区声场的计算困难问题。

射线模型仿真及对通信和探测影响的分析
本文研究的海洋锋面由两种温度差异较大的水体形成，因此在锋面两侧分别为冷水区和热水
区。

分别对声源在冷水区和热水区的情况进行仿
将声源置于锋面所处高度下等不同位置进行仿真研究。

为了得到
需要关注声信号的
要保持通信
同时希望接收到
迅速地联络，这就
因此在分析海洋锋对通信
从探测角探测设备捕获目标需要目标回波信号电平满
目标才有可能被发现，
更加关注声信号
水平距离
100 m、
个声源
位于海洋锋影响范围以上，
处，2 200 m位于
位于海洋锋影
发射角
设置一个水听器，
计算一次。

具体仿真环境构设如
图2 声源在冷水区的仿真环境构设
本文2.1、2.2及2.3章节是基于不同海洋环境的仿真。

首先，给出３种环境（标准深海环境、存在海洋锋且声源位于冷水区、存在海洋锋且声源位于热水区）的声速剖面；其次，将声源置于不同深度得到对应的声线传播图和传播损失图；最后，将该情况下的传播损失与标准海洋环境的传播损失作差得到传播损失的差异图。

章节2.4是基于相同声源深度、单一接收机（深度5 000 m）对于不同海洋环境产生多径效应的仿真，生成传递函数图（即信号相对幅度与多径时延的关系）。

章节2.5对仿真结果进行分析，并阐述海洋锋对潜艇通信和探测的影响结论。

2.1 声源在标准深海环境的仿真
标准深海环境的声速剖面如图4所示。

声源位于100 m、600 m、2 200 m及3 600 m时的标准深海声传播仿真分别如图5、图6、图7及图8所示。

1500650
声速/（m·s-1）
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
深
度
/
m
（a）不同距离的声速剖面
距离/m
声速/（m·s）
00.20.40.60.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
×105 0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
深
度
/
m
1550
1545
1540
1535
1530
1525
1520
1515
1510
1505
（b）深海整体声速分布
图4 标准深海声速剖面
2.2 声源在冷水区的仿真
存在海洋锋且声源位于冷水区的声速剖面如图3 声源在热水区的仿真环境构设
传播距离/m
0.2
0.4
0.6
0.8 1.0 1.2 1.4
1.6
1.8
2.0×105
50010001500200025003000350040004500
110
1051009590857075706560
深度/m
声源位于100 m 时的标准深海声传播仿真图
传播距离/m
00.20.40.6
0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
2.0×105
50010001500
200025003000350040004500
100
95908570757065605550
深度/m
声源位于600 m 时的标准深海声传播仿真图
传播距离/m
0.2
0.4
0.6
0.8 1.0 1.2
1.4
1.6
1.8
2.0×105
0.2
50010001500200025003000350040004500
100
95908570757065605550
深度/m
2 200 m 时的标准深海声传播仿真图
传播距离/m
00.20.40.6
0.8 1.0 1.2
1.4 1.6 1.8
2.0×105
00.20.40.6
0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
2.0100
95908570757065605550
传播距离/m
00.20.40.6
0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
2.0×1051101051009590858075706560
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 1.2 1.4
1.6
1.8
2.0×105
×10
距离/m
0.2
0.4
0.6
0.8 1.0 1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
×10604020（c）传播损失与标准环境的差异
10 声源位于冷水区深100 m 时的标准深海声传播仿真图
传播距离/m
0.20.40.6
0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
2.0
×100500100015002000250030003500400045005000
深度/m
1101051009590858075706560
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 1.2 1.4
1.6
1.8
2.0500
10001500200025003000350040004500
深度/m
距离/m
0.2
0.4
0.6
0.8 1.0 1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
×10500100015002000失变化量/d B
（c）传播损失与标准环境的差异
11 声源位于冷水区深600 m 时的标准深海声传播仿真图
声速声速/（m ·s -1）
1500550
0500
10001500200025003000350040004500
5000
×10
声速声速/（m 0500100015002000250030003500400045005000
深度/m
1550154515401535153015251520151515101505
海洋锋（冷水区在左）声速剖面
传播距离/m
0.2
0.4
0.6
0.8 1.0 1.2 1.4
1.6
1.8
2.0×105×10
10095908580757065605550×105距离/m
0.2
0.4
0.6
0.8 1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
×1056040200-20-40
-60
×10
（c）传播损失与标准环境的差异
声源位于冷水区深2 200 m 时的标准深海声传播仿
真图
传播距离/m
00.20.40.6
0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
2.0×105
0500100015002000250030003500400045005000
深度/m
10095908570757065600
500
10001500200025003000350040004500
深度/m
距离/m
0.2
0.4
0.6
0.8 1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
×1050010001500200025003000350040004500
传播损失变化量/d B
（c）传播损失与标准环境的差异
图13 声源位于冷水区深3 600 m 时的标准深海声传播仿
真图
声速声速/（m ·s -1）
1500550
500
1000150020002500300035004000
45005000
距离/m
声速声速/（m ·s ）
0500100015001550154515401535153015251520151515101505
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0×105
（a）不同距离上的声速剖面 （b）深海整体声速分布
图14 海洋锋）声速剖面
声源在热水区的仿真
存在海洋锋且声源位于热水区的声速剖面如所示。

声源位于热水区深100 m、600 m、 2 200 m 及3 600 m 时的标准深海声传播仿真分别
15、图16、图17及图18所示。

传播距离/m
0.2
0.4
0.6
0.8 1.0 1.2 1.4
1.6
1.8
2.0×105
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 1.2
1.4
1.6
1.8
2.0×105
11010510095
90858075706560距离/m
0.2
0.4
0.6
0.8 1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0×105
100
806040200-20-40-60
（c）传播损失与标准环境的差异15 声源位于热水区深100 m 时的标准深海声传播
仿真图
0500100015002000250030003500400045005000
深度/m
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0×10传播距离/m
1101051009590858075706560
500
10001500200025003000350040004500
深度/m
50010001500200025003000350040004500
传播损失变化量/d B
距离/m
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 1.2
1.4
1.6
1.8
2.0×10（c）传播损失与标准环境的差异
图16 声源位于热水区深600 m 时的标准深海声传播仿真图
不同声源深度多径效应的仿真
不同声源深度（100 m、600 m、2 200 m 及 3 600 m）多径效应的仿真如图19、图20、图21及所示。

分析与结论
当声源位于冷水区时，声线在一段较短的水平距离上正常传播；出现海洋锋时，声线被剧烈地向海底陷获；随着传播距离增加，声线越来越多地汇聚到热水区下方，声源深度越深，声线越早触及海产生了很大的传播损失。

当声源位于热水区时，从发射伊始声线便剧烈波动向深海陷获，进入冷水区后便逐渐向浅层分散，由于在近距离处便触及海传播损失同样增大。

从不同深度传播损失的对比来看，各种海洋环
境产生的不同深度接收声信号的传播损失整体趋
势相似，但由于声线剧烈弯折，使得存在海洋锋时传播损失增大，当声源在锋面上边界深度之上时尤为明显。

同时发现，当声源处在100 m、600 m 3 600 m 时，海洋锋的存在使声信号在接收端电平大小随深度变化波动变大，而对应于锋面所在深度2 200 m 波动相对较小，整体传播损失相对其他的声源发射深度较小，且传播损失比标准海洋环境中的小。

综合4幅传递函数图可以直观地看出，随声源深度增大，多径效应影响变大；存在海洋锋时，部分接收信号强度比标准海洋环境小。

当声源在处，声源在热水区的时延大于声源在冷水区的时延大于标准海洋环境中的时延，而在冷水区的
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0×105
传播距离/m
×105
×101101051009590858075706560
距离/m
0.2
0.4
0.6
0.8 1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0×10
5
100
806040200-20-40-60-80-100
（c）传播损失与标准环境的差异
声源位于热水区深2 200 m 时的标准深海声传播仿
真图
传播距离/m
00.20.40.6
0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
2.0×105
0500100015002000250030003500400045005000
深度/m
500
10001500200025003000350040004500
10095908570757065605550深度/m
距离/m
0.2
0.4
0.6
0.8 1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0×105
50010001500200025003000350040004500
传播损失变化量/d B
（c）传播损失与标准环境的差异
图18 声源位于热水区深3 600 m 时的标准深海声传播仿
真图
图19 声源位于100 m 深时传递函数图
图20 声源位于600 m深时传递函数图图21 声源位于2 200 m深时传递函数图图22 声源位于3 600 m深时传递函数图
接收信号强度高于标准海洋环境和声源处于热水
存在海洋锋时的时延
600 m
存在海洋锋
2 200 m时，
存在一个信号强度较大的信而声源从热水区发射时没有这种现象；当声源
声源从冷水区发射时仍存在一路信
时接收到的强度声源从热水区发射时拥有最短的时延，且
但幅度相对于冷水区的
存在海洋锋时，
且衰减程度
不论在冷水区还
通信双方潜艇应尽
此时可能较为及时地达成信号质量较高的通信联络。

当潜艇使用主动声海洋锋的存在将大大削弱探测效果和精
选择锋面深度处
应避免在深度较
针对温度跃变导致的海洋锋存在的普遍性及
Bellhop计
热水区及不同深度的情况得到传播损失图和传递函数图等仿真结
海洋锋的存在将削弱潜艇通信和探但在锋面所处的深度进行水声通信和探 可以在一定程度上弥补这种不良影响，获得相对较好的效果。

本研究可为潜艇在复杂环境海区或执行远洋任务时保障通信和探测需求提供初步的借鉴。

参考文献：
[1] ROUSSEAU T H
propagation through a model of shallow fronts in the deep ocean[J].The Journal of the Acoustical Society of America
1982
[2] MELLBERG
N，
Sea frontal zone[J].The Journal of the Acoustical Society of America
[3] CARMAN J C
interactions in acoustic propagation in the Iceland-Faeroes front
America
[4] 南明星，
析
[5] 菅永军，
其在声传播影响研究中的应用
（2）
[6] 郭婷婷
国海洋大学，
[7] 张歆，
大学出版社，
[8] 朴胜春，
用
[9] 许天增，
2010.
基金项
（No.2019
（No.11374001
通信作者：
韩
号处理。

E-mail：******************。