深海水声探测特性研究

　　0 引言

　　水下反潜战和海洋开发是引领水下远程探测发展的源动力[1]。随着隐身技术的发展与安静型潜艇的出现,潜艇辐射噪声越来越低,无源检测和识别潜艇越来越困难。从解决问题的途径考虑,一是深入研究潜艇辐射噪声的特点,充分利用其中蕴含丰富目标特征信息的瞬态信号实现目标检测[2];二是有针对性地研究水声信号检测算法;三是改善水声探测环境来提高水声探测系统的信号检测性能。大量文献的研究都集中在前2个方面,本文从第3个方面出发,研究深海环境下水声探测的特性。

　　实际海洋环境中的水声信号十分复杂,存在复杂的水声信道畸变和各种环境的综合干扰,这种现象在浅海环境中尤为严重,因此在浅海环境中水声探测系统的信号检测性能会受到强烈干扰。现代潜艇技术的发展,已使得潜艇的活动范围和下潜深度越来越大,而且出于战略和战术的需要,潜艇越来越多地在深海海域执行作战任务。为获得更为优良的水声探测性能,实现对安静型潜艇的隐蔽探测和识别,将水声探测系统置于2 000 m左右的深海环境中,充分利用深海优良安静的水文环境和易于远距离声传播的深海波导,达到提高水声探测系统的信号检测性能的目的。

　　1 深海声传播的优越性分析

　　1.1 浅海声传播特性

　　为了阐明深海声传播的优越性,有必要先分析浅海声传播特性。

　　从地理学的意义上说,浅海只限于考虑深度不超过200m的海洋环境[3]。在有限水深的情况下,浅海在海面和海底之间形成浅海声道,当声波在其中传播时,要受海面和海底反复作用的影响。研究表明,水声探测系统在浅海中的探测距离严重地受2方面的限制:高衰减和有限水深,前者由声波与海面、海底相互作用引起,后者造成了无法提供远距离声传播的路径。在分析浅海声场时,除考虑直达声以外,还必须考虑经过一次或多次经海面和海底的反射声,总声场等于直达声和这些反射声的迭加[4]。

　　海面是浅海水声信道上界面,当声波由水中射向空气时要发生反射、折射和投射。在海底的地壳上面覆盖着一层非凝固态的沉积层,在水声学中,海底界面是指海水与沉积层的分界面。由于海底表面的凸凹不平和地质层结构,海底的反射和散射比海面复杂得多[5],特别是在浅海地区,是引起多途效应的主要原因。浅海里还有大量海洋生物的活动、强烈的介质随机不均匀性以及海风、湍流的影响,由此引发的海洋环境噪声也很明显[6-7]。

　　浅海中的声传播损失依赖于海面、海水介质和海底的许多物理参数。由于声场显著地依赖于这些参数,因而在这些参数不甚了解的情况下(尤其是海底的声速和密度结构),只能近似地估算浅海传播损失[8]。