海洋环境对声纳系统的影响研究

佟宏伟

摘 要：声纳系统对海洋中目标的探测依赖于海面、水下和海底等海洋环境，声纳系统作用的距离也与海洋的水文环境密切相关，举个例子来说同样一部声纳在不同的海域、不同的海洋环境中的探测性能相差十分悬殊。因此，面对复杂多变的海洋环境，我们要想正确熟练的操作声纳装备就必须充分了解海洋环境和海洋环境对声纳系统的具体影响，这样才能在深海环境中占据有利的位置。文章作者根据工作经验，介绍了海洋中水声环境的复杂性以及声纳装备的各种特点，并阐述了海洋环境对声纳系统使用性能的影响，最后总结了声纳系统与海洋环境相适应的具体方法和对策以期为相关人员提供一定的借鉴。

关键词：海洋环境；声纳系统；影响；研究

中图分类号：X834 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）30-0056-02

Abstract： The detection of targets in the ocean by sonar system is dependent on the ocean environment such as sea surface， underwater and seabed. The range of sonar system is also closely related to the hydrological environment of the ocean. For example， the detection performance of the same sonar in different sea areas and different marine environments is very different. Therefore， facing the complex and changeable marine environment， if we want to operate sonar equipment correctly and skillfully， we must fully understand the marine environment and the specific impact of the marine environment on sonar system， in order to occupy a favorable position in the deep-sea environment. From the author's working experience， the complexity of underwater acoustic environment in the ocean and various characteristics of sonar equipment are introduced， and the influence of marine environment on the performance of sonar system is expounded. Finally， the specific methods and countermeasures to adapt sonar system to the marine environment are summarized in order to provide some reference for related personnel.

Keywords： marine environment； sonar system； impact； research

海洋中海面、水下與海底一同形成了一个对声波传播十分复杂的信道，海洋中内部复杂的结构以及其上、下表面，对声音的传播会产生巨大的影响。另外海洋中海水介质是一种非均匀介质，由于海水本身对声波的吸收、声音传播中声波不断的扩散以及各种其他原因，导致声波在传播过程中强度随着时间和距离的扩散逐渐减弱。由于海洋环境的复杂多变，致使声音信号在海洋中传递存在巨大的涨落和畸变，声纳作用的距离和效果与实际海洋环境以及目标等密切相关，因此研究声纳系统是如何根据海洋环境进行声音传递和目标探测的，对于提高声纳系统的传递性和探测性具有极其重要的意义。

1 水声坏境的复杂性

1.1 季节性特点

季节因素对海洋中水声传播具有一定的影响，由于各个季节海洋中日照程度、气温、海流方向和海洋中风浪大小各不相同，因此声音的传播和声速的变化具有强烈的季节性特点。在这些影响因素中，气温对声音传播的影响程度最大。通常来说，在冬季海洋中海水表面的温度较低，声速分布上看呈正梯度分布，声线向海面方向弯曲，因此在冬季声纳的探测距离相对较远，探测效果相对较好。在夏季，白天海面的日照时间较长海水的温度变化较大，海水的水温情况较复杂；具体形容为海水表层的温度较高，但随着水深的增加海水的温度逐渐下降，此时温度分布由上至下呈现倒梯形分布，声速的传播同样也是由上向下呈现倒梯形分布，声线传播的路径由海面弯向海底，因此相对于冬季来说，夏季声纳的探测距离较近，探测效果相对较差。第二，不同的季节风向和风力程度不同，举个例子海水表层如果受到台风的影响，台风会在短时间内将一定深度以内的海水搅拌成为等温层，这导致在一定深度之内海水的温度都是相同的，而在等温层以下海水的温度会大幅度下降出现温度的极度跳跃，这个温度跳跃层可能很薄但是会将海水划分为两个区域，这个温度的跳跃对高频声波有极强的屏蔽作用，声波穿越的时候声线会发生急剧的弯曲对声波的传递造成严重影响。第三，一些时候遇到昼夜温差较大的海域，对声音的传播也会造成较大的影响进而影响声纳的探测效果；在白天海洋的日照时间较长日照较充分，海水表面的温度较高，上文已经说过，这时候温度的变化由上至下成为倒梯形，而在夜晚海水表层的温度下降，温度低于深海温度这时温度由上至下形成正梯形分布，这就是我们知道的“午后效应”，根据季节性的特点，夏季的这种“午后效应”要比冬季的更为明显。

1.2 区域性特点

在海洋上划分可以将海域分为深海区域和浅海区域，这两种区域对水声的传播也具有不同的影响。在深海区域，声音传播的声速可以分为表面层、跃变层、主跃层和深海等温层，其中主跃层和深海等温层构成了深海声道，这时候声道附近的声波在声道轴上下反复传播，声波主要被聚集在这一范围内传播，很少的一部分能够经过海面和海底的反射，因此声波的聚集程度较高损失量较小，声波可以在这一范围之内传播很远。而在浅海海域，海面会反射大量的声波同时海面也是声散射体，遇到海面不平静时其对声波的影响程度就更大；另外，海底也是较大的声反射体和散射体，海底存在大量的泥沙、岩石且这部分物质的密度大不相同，因此造成在海底声音的反射应难以预估，由于在浅海海域，海面与海底之间的距离较小通常只有二三百米，声音在这段距离内经过多次的反射和散射造成声波的损失程度较大，而且有很多因素也会造成声波发生畸变，因此在浅海，声波的传递以及声纳系统的探测效果就要比深海区域差得多。

2 海水中声音传播的特性

海洋声学环境主要包括海洋中的噪音、声速梯度的分布，声音传播的特性和海底声学特性等因素。声音传播速度低是海水声学传播的特性之一，在海水中声音的传播速度一般为1500米每秒。第二点，在海水中声音的传输并不是按照直线进行传播的，因此海水的环境较为复杂，存在温度、压力和密度差距等因素，这些会造成声波在传播的过程中形成弯曲，其中影响程度最大的是温度因素。第三，在浅海海域，海洋边界即海面和海底对声音传播造成的影响是不可忽略的，海面和海底都会不同程度的让声波形成反射和散射，这些现象的合成效果较为复杂且影响程度较大。

3 声纳装备的特点

在水下获取信息的最佳方式就是通过水下声纳系统，声纳装备在具体的使用过程中具有以下特点：

3.1 声纳性能受到环境的影响比较大

声纳系统的特性受到周围环境的影响程度较大，由于海洋中环境复杂多变各种不确定因素较多，使得海水中声纳系统的性能不确定，折射效应、散射效应以及海面和海底的不平整都會对声音的传播以及声纳信号造成影响，影响声纳系统的性能。

3.2 声纳性能受安装平台的限制和影响

声纳系统的性能同样会受到安装平台的影响，声纳系统安装平台的大小，地理位置等都是有限制的，无法随意的增大换能器的尺寸去提高声纳装备的性能，同时平台自身还会在工作中产生噪声，噪声传播出去形成背景噪声对声纳的探测性能形成一定程度的影响。

4 海洋坏境对声纳使用性能的影响

4.1 温度对声纳使用性能的影响

由上文可知温度是对海洋声纳系统使用性能影响最大的因素之一，海洋各层温度不同形成的温度梯层会严重的妨碍水下的探测距离和效果，对于等温的海水来说声纳的作用距离可以达到3500米，但是对于介质是负跃层的海水来说声纳的作用距离大概只有1000米左右。

4.2 海洋中各层对声纳使用性能的影响

海洋中存在表层声道、深海层声道，并且有远程传播区和海面海底反射等现象的存在，这些现象造成声音声阵倾角和接收扇面之间的变化相对复杂。在理论上来说如果知道发射源、海洋海况以及声场的数据就可以推算出海洋中任何地方的声场，但是实际操作上看想要精确得出数据是很困难的，只能粗略的得出一些结果。

4.3 声线弯曲对声纳系统工作的影响

声速的梯形分布对声纳系统探测的效果影响也很大，有的梯度可以增加声线的传播距离，有的梯度就减小声线的传播距离。下面就正梯度、负梯度和声道型分布做个简要的阐述：（1）声速正梯度分布一般较易出现在冬季，这时声音声线向海面方向弯曲，声速正梯度分布通常情况下只出现在海面表层，如果利用回音站探测目标，目标存在方位较浅正好在正梯度的范围内，水声探测器探测的距离就较远，如果目标在深海海域，声波就传播不到目标深度，这时候水声器材就无法探测到目标物体。因此尽管冬天的探测距离较远，也对目标物的存在水层深度有一定的要求。（2）声速负梯度分布一般较易出现在夏季，这时声音声线向海底的方向弯曲，在这种情况下水平方向上的工作距离会受到较大程度的影响，声波的传播距离相对较近。这时候作为水面水声探测器材针对不同深度的目标探测的效果和距离存在一定的差异，值得注意的是这时候如果探测目标较深，距离较近的目标反而比较容易探测。（3）对于声道型声速分布来说，声音会比较集中的分布在上下两层水面中间的部分进行传播，这时候如果目标物体恰巧存在于这一范围内，那么探测距离势必会很远，如果探测目标在声道层范围之外那么隐蔽性就会很好一般情况下很难被探测到。总而言之，声线弯曲对声纳系统探测效果的影响是十分明显的，需要我们在不断的工作和实践中总结经验，根据具体的水文情况分析具体的声音梯度分布并准确的操纵声纳，确保能够及时的发现目标物体。

5 声纳装备与海洋环境相适应的方法与途径

第一，随着水声建模技术和计算机技术的发展，能够减轻环境因素对声纳探测系统影响的技术不断被探索研究，现阶段可以利用环境自适应声学处理技术，解决声纳装备自身与环境的问题，这种技术主要包括：采用复杂信道非平面波。非平稳信号处理技术，采用复杂海洋环境条件下的扬声建模技术以及发展低频宽带大功率水声换能技术等。第二，可以适当的引进国外更先进的测量技术，国外一些发达国家声纳技术起步早发展快，各种海洋环境中的声音测量方法和技术已经较为成熟，因此我们要想让我国声纳装备与海洋环境更好地契合适应就应该多吸取国外的先进技术和案例。

6 结束语

总的来说，海洋环境对声纳系统的影响有一定的规律性和普遍性，为了更好的发挥声纳系统的性能使之更好的服务于海洋探测事业就一定要加强对声纳系统在海洋环境中适应性的研究，最终达到克服海洋环境对水声系统影响的目的。

参考文献：

[1]刘梦庵.水声工程[M].杭州：浙江科学出版社，2002.

[2]田坦，刘国枝，孙大军.声纳技术[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2009.