非均匀温盐场潜艇声隐蔽效能仿真研究

秦锋 赵志允 于振涛

摘要：  针对现有水下作战环境中潜艇声隐蔽效能评估方法的不足，尤其是三维非均匀温盐场对潜艇声隐蔽性的影响，采用重构三维温盐场和BELLHOP3D模型，计算声场传播损失数值，结合不同艇型、海况等级和敌方声纳类型等辅助信息，利用概率论和被动声纳方程，构建指定海区不同位置处不同工况条件下潜艇的声隐蔽效能仿真模型，在输入某一海区三维温盐场数值的基础上，仿真获取该海区给定工况条件下的潜艇声隐蔽效能数值分布伪彩图。仿真结果表明，由于海水介质中温度和盐度分布不均匀，影响海区内潜艇的声隐蔽能力。潜艇在某些位置有非常好的声隐身效果，而在某些位置存在较大的暴露概率，潜艇声隐蔽效能是非均匀分布，与温度和盐度水平分布呈现弱正相关性，该方法能有效评估潜艇在不同海区和工况条件下的声隐蔽能力。该研究对于潜艇利用海洋环境达到隐蔽航行的目的以及任务海区的潜艇航路规划具有重要的理论意义和实际应用价值。

关键词：  非均匀温盐场; 潜艇; 声隐蔽效能; 被动声纳方程; 建模; 仿真

中图分类号： TP391.9; TN972+.1  文献标识码： A

未来海上战争更加依賴于对海洋环境的把握，战场环境在时间和空间组成的四维空间上影响海军在多维空间作战行动的成败，尤其是潜艇作战是在不同介质交叉转换和连续变换的四维空间展开，更加依赖于水下作战环境，而水下作战环境对声纳探测目标的效能有显著的影响。由于海水介质中温度和盐度的分布不均匀，造成了声速垂直和水平分布的不均匀性，并间接造成海区的声传播特性发生改变，引起声能在某一距离和方向上的分布不均匀性，从而影响到潜艇噪声经过海水介质被敌方声纳探测到的概率，即潜艇的声隐蔽能力。保持声隐蔽性是潜艇发挥其战斗力的有力保障，而声隐蔽效能受到自身噪声大小、潜艇航深、敌方的探测声纳性能以及海洋水文环境等影响。目前，许多研究者就声纳对目标的探测过程进行了深入研究，结合实际和模拟的海洋水文环境，基于不同声传播模型[1 2] 、依据声纳方程的功能模拟方法以及基于信号处理的检测方法，给出声纳对目标的探测距离仿真数值[3 9] ，并建立探测概率模型[10] ，仿真得出典型温跃层条件下潜艇不同航深的声隐蔽能力[11] 。但是这些方法都没有从潜艇战术需求出发，基于海洋三维环境的时空变化特性给出潜艇的声隐蔽效能量化参数。因此，针对三维非均匀温盐场对潜艇声隐蔽性的影响，本文在获取任务海域温盐密和声速分布数据的基础上，对非均匀温盐场潜艇声隐蔽效能进行研究，仿真获取潜艇的声隐蔽效能图，作为执行有利于保持潜艇隐蔽战斗能力的航线决策参考依据。该研究具有重要的理论意义和实际应用价值。

1 声隐蔽效能建模

根据输入的声场传播损失数值，结合不同艇型、海况等级和敌方声纳优质因子等辅助信息，利用概率论和被动声纳方程进行隐蔽效能的评估分析，生成指定海区不同位置处不同航深潜艇的声隐蔽效能数值。此时某一点处潜艇的声隐蔽效能应该与艇型s、所在位置（x，y）、航深h、海况k以及敌方声纳分布情况有关。

首先将指定海区三维笛卡尔空间以潜艇所在位置和海深（x，y，H）为坐标原点转换为柱坐标（r，θ，z），取一个小空间微元Δ i=（ri+Δr，θi+Δθ，zi+Δz），在这个微元上，敌方声纳分布概率为

P m（ i）=p（ i）Δ i （1）

其中， i为在小空间微元上任取的某一个敌方声纳位置矢径;p（ i）为敌方声纳分布密度函数，可认为均匀分布，有

Pm（ i）=Δ i 1 Hmax -Hmin  1 2π 1 R drdθdz   zi∈ Hmin ，Hmax   0  zi Hmin ，Hmax   =  Δz Hmax -Hmin  Δθ 2π Δr R       zi∈ Hmin ，Hmax   0          zi Hmin ，Hmax    （2）

其中，[Hmax ，Hmin ]为敌方声纳工作深度范围，由敌方声纳类型确定;R为计算设置的最远声场传播距离。

评价敌方声传感器性能的一个重要客观标准是探测概率，即在给定的环境中，某一传感器在某一距离上探测到我方潜艇的概率，这种概率称为瞬时探测概率[12] 。如果用声纳方程[13] 来预测探测概率，则声纳方程中的参数均为随机变量，相互独立，满足正态分布。对于声纳系统，在给定的中心频率上，如果SE大于或等于0，那么原则上就能探测到潜艇，当SE=0时，瞬时探测概率达到50%。因此，依据大数定律，在这个微元上定义敌方探测我方潜艇这个事件A的概率为[14]

p（A| i）=∫ SE σ -∞ 1 2π e- t2 2 dt SE=SL s -TL x，y，h -NL k +DI-DT  （3）

其中，SE为声纳信号余量，dB;SL为与潜艇艇型有关的辐射噪声声源级，dB;NL为与海况有关的海洋背景噪声，dB;DI为声纳指向性指数，dB;DT为声纳检测阈，dB;TL 为指定位置和深度上的传播损失值，dB。潜艇水下辐射噪声的声源级反映了潜艇被被动声纳发现并识别的几率。潜艇向外辐射的噪声功率谱呈现非定常随机变化的谱线，其中包含短时线谱和长时宽谱分量，潜艇执行航渡任务时，其噪声功率是毫瓦级，线谱噪声谱级比宽带高10～25 dB，假定此类潜艇在500 Hz频段处存在线谱谱级为120 dB。本文使用基于射线理论的BELLHOP3D模型，计算具体的传播损失值[15] 。

BELLHOP3D模型需要当前区域声速值，结合海区水体的三维温盐密数值，计算水体中三维声速场[16] 为

c=1 449.30+ΔcP+ΔcT+ΔcS+ΔcTPS  （4）

其中

ΔcP=1.584 8×10-1 P+1.572×10-5 P2-3.46×10-12 P4

ΔcT=14.857T-5.356×10-2 T2+2.604×10-4 T3

ΔcS=1.19（S-35）+9.6×10-2 （S-35）3

ΔcTPS =1.35×10-5 T2P-7.19×10-7 TP2-1.2×10-2 （S-35）T

式中，T为温度，℃，适用范围为[0，35];S为盐度，‰，适用范围为[0，45];P为静压力，kg/cm2。P与深度z（m）的关系为

P=1.033+1.028 126×10-1 z+2.38×10-7 z2-6.8×10-17 z4

在整个选取空间上，潜艇被每个小空间微元上的敌方声纳探测到的事件是完备事件组，因此依据空间划分全覆盖性和全概率公式，得到在整个空间上潜艇被敌方探测的概率为

S=∑ N i=1 p（A| i）Pm（ i） （5）

其中，N为柱坐标敌方可能位置离散点数量。

由于潜艇被敌方探测和其隐蔽性为对立事件，依据概率的可列可加性，定义潜艇在某一位置的隐蔽效能为

T=1-∑ N i=1 p（A| i）Pm（ i） （6）

在离散空间内，利用式（6）计算隐蔽效能时，注意到某一微元敌方声纳的分布概率是瞬时探测概率的权重值，因此将分布概率在离散空间内简化为

Pm（ i）= 1 M    zi∈ Hmin ，Hmax  0    zi Hmin ，Hmax   （7）

其中，M为敌方声纳工作深度范围内离散点数量。

2 海洋背景噪声

海洋背景噪声的大小与声纳所处的海区位置、声纳接收的频率段以及频段内包含的海区噪声源种类有关。为预报当前海区海洋背景噪声级，必需获取不同噪声源功率谱，采用最平凡的Wenz曲线[17] ，模拟不同航运等级和海况条件下深海区域的噪声功率谱。因此，定义海洋背景噪声的求取方法为选择适当航运和海况噪声强度曲线，并将两者在中心频率上进行联合叠加。

船运噪声在30～1 200 Hz占主导地位，预测方法是结合单艘船的平均噪声级以及船运的分布情况，即

SLship =230-35.94log10 f+9.17log10 1+ f/340 2  （8）

NLship =10log10 Nship +SLship  （9）

其中，SLship 为单艘舰船航速为12 kn时平均辐射噪声级，dB;f为频率，Hz;NLship 为船运噪声级，dB;Nship 为船运密度，m-2 。船运密度等级划分如表1所示。

风噪声在100～10 000 Hz占主导地位，预测方法为

NLwind =10log10 πKwind  （10）

其中，NLwind 为风噪声级，dB;Kwind 为风压， μ Pa2Hz-1 。风压为

Kwind = 104.12 v2.24 APL  1.5+F1.59 100.1δ  （11）

式中，F為频率，kHz;vAPL 为高频风速，m/s。;δ为幂系数，与空气温度Tair （℃）和水温Twater （℃）有关。幂系数为

δ= 0        Tair -Twater <1 0.26 Tair -Twater -1.0 2 Tair -Twater ≥1  （12）

高频风速为

vAPL =max v10 ，1  （13）

式中，v10 为海平面10 m高度风速，和海况有关。风速与海况的关系如表2所示。总的背景噪声场是所有风成噪声和航运噪声之和，采用平均谱级功率求和的形式，得到有效噪声背景的求取方法为

NL=10log10 10NLship /10 +10NLwind /10  （14）

3 声隐蔽效能仿真流程及实例

3.1 声隐蔽效能仿真流程

对位于某一位置的潜艇声隐蔽能力进行仿真计算，首先获取以该位置点为圆心一定范围内的三维温盐场，利用式（4）将其转换为三维声速场，并利用BELLHOP3D模型[19 20] 求取三维传播损失TL，再根据式（14）估算当前海洋环境噪声NL，最后利用式（6）计算潜艇的声隐蔽效能。潜艇声隐蔽效能计算流程示意图如图1所示。

3.2 声隐蔽效能仿真实例

获取西太平洋区域范围内的三维温盐密场HYCOM模式数据，三维温盐密场和声速海表面数值分布如图2所示。通过式（4）计算得到三维声速场，网格分辨率为0.25°，然后提取其中16°-30°N至131°-145°E的声速场（图2d中黑框所示部分），供BELLHOP3D模型仿真计算三维声传播场时使用。

根据声隐蔽效能计算流程仿真，得到该区域的间隔为0.25°的不同位置潜艇声隐蔽效能分布，潜艇某区域声隐蔽效能分布如图3所示。其中，潜艇噪声声频为500 Hz，航深假定为100 m，海况为3级，海区航运等级为轻度，TL计算距离R=200 km。由图3可以看出，由于海水介质中温度和盐度分布不均匀，影响海区内潜艇的声隐蔽能力。潜艇在某些位置有非常好的声隐身效果，而在某些位置存在较大的暴露概率，潜艇声隐蔽效能也是非均匀分布，将图3中的声隐蔽效能分布分别与图2a和图2b中黑框所示区域的温度和盐度分布趋势进行对比，可以看出，两者的等值线分布规律基本一致，因此潜艇声隐蔽效能与温度和盐度水平分布呈现弱正相关性。

4 結束语

潜艇依赖的水下作战环境是非均匀分布的三维温盐场，保持隐蔽战斗能力亟需评估其在任务海区的声隐蔽效能，结合海水声传播特性和全概率公式，构建声隐蔽效能评估模型，并利用三维温盐数据，恰当地预报声传播损失，计算潜艇给定工况条件下的声隐蔽效能，逐步应用到潜艇战术决策和航路规划当中，使其更好的利用海洋环境达到隐蔽航行的目的，具有重要的理论意义和实际应用价值，尤其是根据声隐蔽效能的大小，可以为潜艇的隐蔽航路规划提供技术支持。

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Simulation of Submarine′s Acoustic Concealment Effectivenessin Heterogeneous Temperature Salt Field

QIN Feng， ZHAO Zhiyun， YU Zhentao

（Naval Submarine Academy， Qingdao 266042， China）

Abstract：  In view of the shortcomings of the existing evaluation methods of submarine acoustic concealment in underwater combat environment， especially the influence of three-dimensional non-uniform temperature and salt field on submarine acoustic concealment， the acoustic field propagation loss value is calculated by reconstructing the three-dimensional temperature salt field and bellhop3d model， and combining with the auxiliary information of different types of boats， sea state grades and enemy sonar types， the probability theory and passive sonar equation are used to construct the model. The simulation model of submarine′s acoustic concealment efficiency under different working conditions at different positions in the designated sea area is established. Based on the input of the three-dimensional temperature and salt field value of a certain sea area， the pseudo color map of the submarine′s acoustic concealment efficiency value distribution under the given working conditions in the sea area is obtained by simulation. The simulation results show that due to the uneven distribution of temperature and salinity in seawater， the submarine′s acoustic concealment ability is affected. The results show that the submarine has a very good acoustic stealth effect in some locations， but there is a large exposure probability in some locations. The submarine acoustic concealment efficiency is non-uniform distribution and has a weak positive correlation with the horizontal distribution of temperature and salinity. This method can effectively evaluate the acoustic stealth ability of submarine in different sea areas and working conditions. The research has important theoretical significance and practical application value for submarine to achieve the purpose of covert navigation by using marine environment and submarine route planning in mission sea area.

Key words： inhomogeneous temperature andsalt field; submarine; acoustic concealment efficiency; passive sonar equation; modeling; simulation