国际监测系统水听器台站监测能力分析∗

张朝金 孙炳文 莫亚枭 郭圣明

(1 中国科学院水声环境特性重点实验室 北京 100190)

(2 中国科学院声学研究所 北京 100190)

(3 中国科学院大学 北京 100049)

0 引言

1996年9月10日联合国大会通过了《全面禁止核试验条约》(Comprehensive Test Ban Treaty,CTBT)，国际监测系统(International monitoring system,IMS)建立了以监测地震波、水声、次声以及放射性核素等为主的监测技术手段来保证条约的有效执行。在各类型监测台站中，依据良好的水下深海声学定位和测距(Sound fixing and ranging,SOFAR)信道传输能力，水声台站通过声压传感器有效拾取水下SOFAR 信道中微弱声压力信号或通过拾震器拾取陡峭海岛上由声波转换的地震信号，可凭借较少的监听设备实现对广大海域的监测，因而成为监测小岛、沿海大陆地下核爆与水下核爆等突发事件最直接、最有效的技术手段之一[1−2]。同时，这种对世界海洋连续的、实时的监测也可为地震[3]、火山喷发[4]、鲸鱼发声[5]、南极冰山破裂[6]等事件的研究提供可靠的数据支撑。IMS水声监测网络由11 个水声台站组成，其中包括了6 个基于水听器阵接收的水听器台站和5 个基于拾震器接收的T-phase台站[2]。

由于潜艇良好的隐蔽性和较大的自给力、续航能力以及作战半径，其作为新型武器在现代战争中发挥着越来越重要的作用，基于潜艇的侦查和反侦察研究也越来越得到人们的重视。对潜艇的探测一直是各国海军十分关注的领域，也是水声工作者的重要研究方向。随着潜艇减振降噪技术研究的不断深入和综合治理工作逐步实施，潜艇的主要噪声源，如机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声，辐射源级已经大大降低，安静型潜艇、无噪声航速等新概念不断涌现。虽然各类新的检测技术和实现途径，例如航空磁探潜[7]、涡流场检测技术[8]、红外探测技术[9]等也应用于潜艇的探测，但传统的声学探测方法依旧是潜艇探测的主要方式。IMS 水声台站可全天候值守，实现持续的监测，将水声台站用于潜艇的实时持续监测具有重要的军事意义。

为评估IMS 水听器台站对潜艇目标和爆炸事件的监测能力，本文从声呐方程出发，将通过分析IMS 水听器台站附近的噪声级，调研潜艇辐射噪声源级，并利用基于抛物方程声场计算方法实现传播损失预测，估计IMS位于威客岛(Wake Island)的水听器台站HA11 对潜艇和爆炸不同的探测能力。文章首先介绍水听器台站的基本信息，然后从被动声呐方程、声场仿真方法以及HA11 附近的环境噪声级等3 个相关层次介绍IMS水声台站监测能力的分析方法。根据仿真与实测数据给出IMS水听器台站对爆炸声源和潜艇活动的监测范围。

1 IMS水声台站

IMS的11个水声台站已经全部投入使用，包含6 个位于水下的H-相(水听器)台站和5 个位于海岸或岛屿的T-相(地震)台站，分布在9个不同的国家，如图1所示，台站位置的详细信息在表1中给出。水听器台站主要分布在南半球，唯一在北半球的水听器台站为位于威客岛的HA11。

表1 IMS 水声台站具体位置Table 1 The locations of eleven IMS hydroacoustic stations

图1 IMS 水声台站位置Fig.1 The locations of IMS hydroacoustic stations

除HA01 台站外，所有水听器台站皆位于相对较小的海岛上，由两组电缆构成，每组电缆具有3个水听器，且传感器之间彼此相距近乎2 km，以获得较大的阵列孔径与监测性能。三元水听器组被置于海岛两侧以避免海岛地形阻挡效应的影响。信号采样率为250 Hz，使用24 bit 量化。在8～100 Hz频带内，水听器灵敏度起伏不超过3 dB。以HA11为例，该台站及水听器位置如图2所示。北侧水听器深度约730 m，海深约1430 m；南侧水听器深度为740 m，海深约1180 m。图2中的地形信息来源于GEBCO[10](General Bathymetric Chart of the Oceans)。

图2 威客岛台站HA11 及水听器阵位置Fig.2 The locations of the HA11 hydroacoustic station and the hydrophones

2 IMS水声台站监测能力分析方法

2.1 被动声呐方程

声呐方程从能量角度综合了声呐参数与声呐性能的联系，它是声呐设计和作战使用的依据，在水声工程中有十分重要的应用。被动探测的声呐方程可以表示为

式(1)中，SL 为处理带宽内的噪声源辐射声源级，也就是水下目标的辐射噪声级，其单位为dB re 1 µPa2，对声呐系统效能进行理论分析时，未知目标的SL 可按照目标类型设置为一些典型值；NL 为处理带宽内的海洋环境噪声级，单位为dB re 1 µPa2；DI 为接收指向性因子，对于单个无指向性阵元的声呐系统来说，可以认为DI=0；DT为检测阈，是对于预定置信级下，接收机输入端所需要的接收带宽内信噪比；TL是传播损失，它与海洋环境直接有关，在对声呐系统效能进行理论分析时，TL 可以使用水声传播模型计算得到。定义优质因数：

通过分析FOM和TL的关系，即可对声呐系统效能进行理论分析，其中最为关键的就是声呐探测距离。

2.2 基于抛物方程方法的声场计算方法

处理地形和声速剖面等环境参数随距离变化的海洋波导环境中的声传播计算方法有多种，比如适用于二维情况的水平射线方法、绝热简正波方法和N×2D抛物方程方法；解决三维传播问题的绝热简正波-射线方法以及绝热简正波-抛物方程方法。抛物方程方法[11]由于其距离上的递进算法，适合解决水平变化情况下的声场计算问题。

本文采用基于分裂步进Pade 近似抛物方程方法，计算距离水平变化的声场。涉及三维计算时，采用N×2D模式进行计算。时域声压p(r,t)满足波动方程：

其中，c为声速。将波动方程进行傅里叶变换，经过变量替换得到柱坐标系下的Helmholtz方程：

其中，P(r,ω)为频域声压，k=ω/c(z)为波数。

将Helmholtz方程写成算子表示形式为

其中，X为深度算子。将方程(3)进行因式分解，当海洋环境参数随水平距离变化缓慢时，可以得到：

第一部分表示向外传播的发散声波，第二部分表示向内传播的声波。一般假设向外传播的能量占主要地位，反向散射的声波能量较小可以忽略不计，故可以得到一阶常微分方程的形式：

将算子表示为Pade近似形式：

可进一步进行数值计算，分别对每一项进行求解后再求和即可得到声场的声压值。

利用抛物方程方法计算以HA11 台站北侧水听器阵为中心的声场传播损失分布(水层内全部深度上的平均)如图3所示，传播损失显示范围为70～170 dB。图3表明，除了部分被岛屿，如夏威夷岛，遮挡的区域，声能量基本覆盖了北太平洋的绝大部分海域。第二岛链以外的西太平洋区域，传播损失一般小于120 dB；第一岛链和第二岛链之间，传播损失在120～140 dB之间；南海东北部，接近吕宋海峡处，传播损失在130～150 dB 之间。计算得到的传播损失表明了可被探测到事件的最低声能量限度。

图3 以HA11(威客岛)北侧水听器阵为中心的传播损失分布(1月份，全海深平均的传播损失)Fig.3 Transmission loss centered around hydrophone array on HA11 north(January;Average TL of all depth)

IMS的6 个水听器台站的监测能力同时显示在图4中，图中使用了每组台站的两组水听器。在大洋中绝大部分区域，声能量不足140 dB 的事件也可以被水听器台站探测到。由于岛屿等的遮挡，水听器台站对大陆附近的海域没有监测能力，对这些海域的监测可依赖于地震台站等其他监测手段。

图4 IMS 水听器台站的探测能力Fig.4 Detectivity of IMS hydrophone stations

2.3 背景噪声分析

水听器台站处的环境噪声级对以声呐方程为基础的声呐系统探测能力分析是非常重要的参数。Lawrence[2]分析了水声台站HA01、HA03、HA08的数据，得到了3个台站一年内的平均噪声谱级。不同台站不同水听器组附近的环境噪声差异明显，HA01台站在澳大利亚西海岸近岸，噪声相对较高，频率10 Hz 处的噪声谱级为75～88 dB。Harris 等[5]使用HA11 台站数据分析鲸鱼的分布时，通过台站实测数据，得到HA11 台站附近的噪声级。该数据比Wenz 统计的噪声谱级[12]高10～20 dB。Wenz噪声谱级总结20 Hz 附近的噪声谱级范围大约在50～100 dB，具体的数值与地理位置、气象条件等有关。

本文根据HA11台站几个小时的实测数据分析噪声信号功率谱，台站北侧的水听器N1 和南侧的水听器S1 的功率谱密度如图5所示，其他水听器的结果也类似，在10～100 Hz 范围内，噪声谱级约70～80 dB。在后续的计算分析中取HA11 台站水听器附近的噪声功率谱谱级为75 dB。

图5 HA11 台站南北两侧噪声信号的噪声谱级Fig.5 Ambient noise level at station HA11

作为世界级的渔场以及世界最为繁忙的航线区域之一，我国邻近海域渔船、运输船等十分众多，导致我国周边海域环境噪声级远大于CTBT水声台站所处海洋环境噪声。以2014年中国南海三亚附近非休渔期和东中国海台湾东北附近休渔期测量的海洋环境噪声为例，其噪声谱级分别如图6和图7所示。相比较于我国周边海域中未被航船污染且休渔期的环境噪声，HA11 台站附近噪声谱级低10～25 dB 左右，更是远低于非休渔期我国海域环境噪声。CTBT 台站大多位于深海大洋处的小岛，远离大陆，航船较少，且深海环境较为稳定，具有较小的环境噪声级，为水声台站全球大洋监测提供了有效保障。考虑到我国周边海域环境噪声较高，CTBT 台站对我国周边海域探测能力也较差。

图6 中国南海三亚附近海域环境噪声测量值Fig.6 Ambient noise level around Sanya of North China sea

图7 中国台湾东北海域休渔期下的环境噪声测量值Fig.7 Ambient noise level around northeast coast of Taiwan in the fishing moratorium

3 监测能力分析

3.1 对潜艇的监测能力分析

对声呐系统的探测性能进行分析本质上就是比较传播损失TL与优质因子FOM的关系，以此得到声呐系统的探测距离或者探测概率。潜艇目标一般可根据声源级进行分类，如Miasniko[13]给出了部分潜艇的源极数据，如图8所示，对常规柴油动力潜艇，在10～100 Hz 频段，潜艇源级功率谱密度约为110～135 dB。随着潜艇技术的进步，新建潜艇的辐射噪声功率谱密度逐渐降低。文献[13]中根据频率范围5～200 Hz 内最大功率谱密度对潜艇进行分类，定义噪声(Noisy)潜艇的源级为140 dB，安静型(Quite)潜艇的源级为120 dB，极安静型(Very quite)潜艇的源级为100 dB。以上数值是潜艇在“极安静工况(Ultraquiet operation)” 下的结果，此时，螺旋桨和电力系统引起的噪声是主要的噪声源。当潜艇提高航速时，源级会相应地增加，潜艇巡航时，速度为8 kn，辐射噪声源级比“安静工况”下高约5～10 dB，在航速15 kn 时，会高15～20 dB。设潜艇在10～100 Hz频段内的SL为100～140 dB，当NL = 75 dB 时，可计算得到无指向性水听器相应的FOM为25～65 dB。

图8 常规潜艇(柴电动力)的源级[13]Fig.8 The source level of conventional submarine(diesel electric)[13]

使用基于抛物方程方法的水声传播模型计算水听器台站HA11 附近的传播损失。海底地形选用如图2所示GEBCO 提供的数据，声速剖面选用全球海洋地图集(WOA)提供的月平均数据。根据互易原理，以水听器深度为声源深度，在每个方位角上计算距离-深度的二维传播损失。声场分布的部分结果如图9所示，图9(a)～图9(c)分别对应HA11台站北侧水听器在315◦方位角的传播损失结果，图9(e)～图9(g)分别为225◦方位角的传播损失，频率依次是10 Hz、50 Hz和100 Hz。从图9中可以看出，随着频率的增加，声场的空间分布起伏越发剧烈且海底地形对声场有一定的遮蔽作用。

图9 方位角315◦和225◦以HA11 北侧水听器位置作为声源位置的传播损失二维分布(使用1月水文数据，频率依次为10 Hz、50 Hz、100 Hz)Fig.9 2D transmission loss at different azimuth angles and frequencies for the source at the position of HA11 north station in January

图10为HA11 北侧水听器附近的声场在不同深度上的二维分布(10～100 Hz 宽带平均的结果)。深度变化导致的声场变化明显，从而导致潜艇在不同深度上探测距离有明显变化。图11为不同月份的结果对比，由于水听器处于深海声道轴附近，深海的声速剖面比较稳定，表层的声速变化对声场的影响较小，所以不同月份引起的探测能力变化很小，可忽略不计。

图10 以HA11 北侧水听器位置为中心的声场分布(10～100 Hz 宽带结果，依次为不同深度上的水平切面)Fig.10 2D transmission loss at different depths for the source at the position of HA11 north station(The results are computed at the frequency band of 10～100 Hz)

图11 不同月份以HA11 北侧水听器位置为中心的声场分布(100 m 深度，10～100 Hz 宽带结果)Fig.11 2D transmission loss at 100 m depth in different months for the source at the position of HA11 north station(The results are computed at the frequency band of 10～100 Hz)

从图10可以看出，对于FOM=60 dB 的情况，台站的探测距离也只局限在水听器附近非常小的距离范围内。深海近距离的声场传播损失可以近似用球面衰减(20 lgr)来计算。当优质因子FOM =60 dB 时，球面衰减的距离仅仅为1 km，图10所示的距离范围(半径100 km)对于潜艇探测能力估计来说过大，不利于进行准确的图像分析。将图10放大到半径10 km 的范围，如图12(a)、图12(b)分别为潜艇位于100 m和300 m深度时的传播损失分布。从图12中可以看出，传播损失存在不同方向上的差异，在某一方向上，传播损失也不一定是单调递减的。

图12 以HA11 北侧水听器位置为中心的声场分布(10～100 Hz 宽带结果)Fig.12 2D transmission loss for the source at the position of HA11 north station at the depth of 100 m and 300 m in the frequency band of 10～100 Hz

表2和表3给出了HA11 台站北侧和南侧水听器对不同源级的潜艇在不同下潜深度(100 m、300 m和500 m)的探测距离估计，计算时使用10～100 Hz 的宽带传播损失。表中的探测距离是所有方向上的平均结果，每个方向上的探测距离为大于指定FOM 值的传播损失对应的最大距离。从表中可以看出，当FOM ≤50 dB 时，对任意深度的潜艇目标均没有探测能力，此时潜艇的源级为125 dB(10～100 Hz 频带内的谱级)，已经高于安静型潜艇在低速时的数值。利用潜艇噪声限值模型，可计算得到当低频连续谱谱级为125 dB 时，其线谱的最大值约为131 dB，此时对于500 m 深度的目标探测距离仅400 m。当FOM 进一步提高时，才有了一定的探测能力，例如FOM=60 dB 时，对300 m 深度的目标探测距离为0.9 km。

图13给出了0◦方位角上，HA11台站北侧和南侧的声传播二维分布结果，图中的等值线形状随着距离的增加会发生改变。从图中可以看出不同深度上的探测能力不同，在声道轴以上探测距离随着潜艇深度的增加而增加，这是由于水听器位于深海声道轴上，能量主要分布在声道轴附近，越接近声道轴，能量越强，可探测距离就越大。不同方位角上的探测能力不尽一致(如图12所示)，表2和表3为全部方位角的平均，这种平均结果会导致在某些FOM值上的探测距离随目标深度的规律发生改变，如表3中FOM=65 dB时的结果。

表2 不同潜艇源级下的探测距离估计(HA11,North)Table 2 The estimation of detection range at different submarine source level(HA11,North)

表3 不同潜艇源级下的探测距离估计(HA11,South)Table 3 The estimation of detection range at different submarine source level(HA11,South)

图13 以HA11 南北站位水听器位置为中心方位角0◦处的声场分布(10～100 Hz 宽带平均)Fig.13 2D transmission loss for the source at the position of HA11 north station and south station at the azimuth 0◦in the frequency band of 10～100 Hz

3.2 对水下爆炸事件的监测能力分析

水下突发事件经常伴随水下爆炸，水下爆炸产生的声信号一般包含冲击波及多个气泡脉动成分，如图14所示。Cole在文献[14]中对水下爆炸现象进行了分析归纳，系统总结和研究了水下冲击波形成及传播理论、冲击波测量、界面效应等，形成了一套较为完整的水下爆炸理论，建立了一定范围内爆炸流场中冲击波压力峰值、比冲量及能量密度的计算公式，此理论被大量试验所验证，并有很高的精度。

图14 水下爆炸产生的冲击波及气泡脉动Fig.14 The explosion waveform

图15为1 kg 三硝基甲苯(TNT)当量的爆炸声源的源级谱级均值(考虑了冲击波和气泡脉动)，分别在100 m和300 m深度爆炸的结果。在100 Hz频点上，谱级约为203 dB。爆炸产生的冲击波和气泡脉动之间的时延导致频谱上出现一定的干涉结构，频率小于100 Hz 时，不同爆炸深度的声弹声源级谱级有明显差异。在估计水听器台站对水下爆炸的监测能力时，认为1 kg TNT 当量的声源谱级为205 dB，考虑冲击波和气泡脉动的总能量，爆炸当量每扩大10倍，源级增加6.4 dB[15]，则得到不同爆炸当量的源级谱级，如表4所示。

图15 1 kg TNT 当量爆炸声源级均值Fig.15 The average source level of 1 kg TNT equivalent weight exposive charge

表4中的数据是以爆炸当量为kg 量级的实测数据外推得到，对于大当量的水下爆炸来说，具有参考意义。但对于实际情况，水下爆炸产生的水下声源级与多种因素有关，如爆炸深度、爆炸类型。水下突发事件伴随的爆炸，一般相当于100 kg TNT 当量量级，如2017年11月15日失事的阿根廷潜艇圣胡安号相关的爆炸[16−17]。对于水下核爆的情况，其和化学爆炸也有区别。与化学爆炸相比，核爆释放的能量更多转换为冲击波。化学爆炸产生的气泡中主要是爆炸产物，可以认为是同质(Homogeneous)的；而核爆产生的气泡包含蒸汽，是不同质(Nonhomogeneous)的。在气泡振荡过程中，气泡-水界面上的泰勒不稳定性(Taylor instability)使水进入气泡并冷却气泡，导致更多的能量损失，使得气泡的振荡次数减少。化学爆炸中，首次气泡的40%能量保留在二次气泡中，而核爆中首次气泡的能量只有8%保留在二次气泡中。这导致核爆的气泡脉动次数比化学爆炸的明显要少，如图16[18]所示。水下爆炸产生的冲击波和气泡脉动是远距离传播的主要形式，不同爆炸类型及爆炸深度都会影响实际的源级。当核爆发生的深度较浅时，产生的气泡不完整，大量能量传递到大气中，也会降低其产生的水下声场强度，从而影响水声台站对此类事件的监测能力。

表4 爆炸源级与当量的关系Table 4 The relationship between explosive source level and equivalent weight

图16 气泡能量损失及脉动次数[18]Fig.16 The relationship between bubble energy loss and bubbble pulsation[18]

根据表4中的数据，对比前面计算得到的传播损失图像，对于1 kg TNT 当量的爆炸，HA11 台站的监测能力覆盖了北太平洋的大部分区域。对于更大当量的水下爆炸，监测能力可部分覆盖中国南海东北部及中国东海东部部分海区。

4 结论

IMS 水声台站利用深海信道实现了大范围的核爆监测。由于潜艇的辐射噪声源级很低，现有IMS水听器台站对潜艇的探测能力非常弱。只有当潜艇本身源级较高或者因航速提高而源级增大时，才可能有1 km 左右的探测能力。为了提高对潜艇的被动水声探测能力，有必要利用接收系统的阵处理增益或者时间增益，以提高声呐系统的优质因子FOM。另外，当潜艇必须通过位于深海声道轴附近的接收水听器时，根据本文的仿真结果，应该选择较浅的工作深度，并选择噪声级较小的工况(航速)。而对于水下爆炸引起的突发事件等，由于水下爆炸的声源级较高，水中的传播损失低，IMS水听器台站对水下爆炸事件的监测能力可覆盖绝大部分大洋区域。