第27卷 第3期舰 船 科 学 技 术Vo. l 27 N o . 3
2005年6月S H I P SCI ENCE AND TEC HNOLOGY Jun . 2005
文章编号:1672-7649(2005) 03-0062-05
航行舰船地震波及其在水中目标探测中的应用
陈云飞, 吕俊军, 于
(大连测控技术研究所, 辽宁大连116013)
摘 要: 从理论上论述了浅海波导中发生声波显著透射进海底从而造成水中传播声信号严重衰弱的原因, 通
过对已有的海底声传播研究实验数据的分析和总结, 阐述了航行舰船地震波的产生和传播的基本规律, 提出和论证了航行舰船地震波在水中目标探测中的重要应用前景和价值。
关键词: 浅海声传播; 截止频率; 舰船地震波; 水中目标探测
中图分类号: P733. 21 文献标识码: A
The ship induced seis m ic wave and it s ' application in the underwater target detection
CHEN Yun-fe, i L U Jun-j u n , YU Feng
(Dalian Scientific Test&Con tro lTechno logy I nstitute , D alian 116013, Ch i n a)
Abst ract : In t h is paper , firstly the theoretica l reasons o f sound penetrati o n i n to the sea bo tto m that causi n g t h e deg radati o n of the w aterborne sound is presented . Secondly the way ho w the seis m ic w ave is i n -duced by the ship and ho w the seis m ic w ave is pr opagated is described through ana l y zi n g the experi m ent da -ta . F i n all y so m e i m portant applicati o n of the sh i p i n duced seis m ic w ave in the under w ater targe t detecti o n is presented .
K ey w ords : sound propagation i n sha ll o w wa ter ; cuto ff frequency ; sh i p i n duced se is m ic w ave ; un -der w ater target detection
0 引 言
地震波原指的是由地震活动引起的通过大地传播
的极低频声波, 本文所指的航行舰船地震波是指由舰船航行时所引起的通过海底传播的低频声波。在多数情况下, 声波在水中的传播比通过海底传播要有利得多, 水中传播不仅吸收小, 而且还存在所谓的/波导效应0, 能够使声波传播到相当远的距离, 但是在某些特殊的传播条件下, 如浅海传播、负梯度水文和斜坡海底的上坡传播, 由于声波与海底的频繁接触, 很大一部分声能量透射进海底, 造成水中声信号的显著衰减, 在这种情况下, 对声场进行计算时就必须考虑通过海底途径传播的这部分声波对总声场的影响。
本文通过描述地震波的产生和传播特性, 阐述了航行舰船地震波产生和传播的基本规律, 并且提出了航行舰船地震波在水中目标探测中的一些应用前景。
收稿日期:2004-06-20
1 地震波的传播
水声传播理论发展至今已有近百年的历史了, 早期的研究主要关注的是声波在海水介质中的传播, 所考虑的声波频带范围大多在几十赫兹以上。近几十年来由于人们对海底底质声学特性的认识不断深入, 推动了对海中低频和极低频声传播研究的不断发展。因为在浅海传播条件下, 海底声学特性对声波在波导中的传播具有重要影响, 特别是对低频和极低频声波在波导中的传播, 海底的影响几乎是决定性的。因为在某些特殊的传播条件下, 水中的声波更易于以地震波的形式通过海底传播, 而不是通过水中传播。1. 1 通过海底的声传播
浅海波导、负梯度水文和斜坡海底是三种相对特殊的低频声传播环境, 因为在这三种环境下, 有利的深海传播条件是不存在的; 相反, 由于声波与海底的
第3期 陈云飞, 等:航行舰船地震波及其在水中目标探测中的应用 频繁接触将会严重衰减水中的声信号, 导致在这几种条件下通过海底以地震波形式的声传播成为声能量传播的一个可能的途径。
(1) 浅海波导传播 在浅海波导中, 水深是一个制约声波传播的重要因素。按照波动理论, 声波在波导中传播时存在一个低频截止频率。这个截止频率与水深成反比, 即水深越深, 波导的截止频率就越低, 对于频率一定的低频声源, 水中能够有效传播的简正波的阶数就越多; 反之, 水深越浅, 波导的截止频率就越高, 在水中能够有效传播的简正波的阶数就少。因此对于相同频率的传播条件, 深海中能够有效传播的简正波阶数要多于浅海中所能传播的简正波阶数, 这也是声波在深海中传播要优于在浅海中传播的一个重要原因。在浅海环境中, 当声波的频率低于波导的截止频率时, 水中不存在有效的声传播, 这时通过海底以地震波形式的传播是声能量的主要传播方式。(2) 负梯度水文传播 在夏季, 由于太阳辐射的影响, 浅海中普遍存在有负梯度水文传播环境。当舰船航行在这种水文环境时, 舰船的辐射噪声由于海水的强烈负梯度作用, 水平传播的声线将急剧地折射向海底, 并且由于这部分声线是以很大掠射角投射向海底的, 因此绝大部分能量将透射进海底, 通过海底以地震波的形式进行传播。在这种水文条件下, 在远场很难接收到水中传播的声信号。
(3) 斜坡海底传播 斜坡海底也是一种相对复杂的声传播环境, 当声波沿倾斜海底传播时, 特别是由深水向浅水的上坡传播, 即水深随着传播距离的增加而不断减小时, 也是一个会发生声波显著透射入海底的情况, 如图1所示。这是因为随着传播距离的不断增加, 声线的掠射角将逐渐增大, 最终在全反射临界角处发生相当大的透射深度。在传播距离上发生声能量显著透射的点对应于相应阶数的简正波的截止深度所在的位置。对于各向同性沉积层海底(早期的声场建模最普遍的假设),
声信号的连续谱传播模
#63#
式部分大体上都损失进更深的基底层。但是, 对于沉积层中具有正声速梯度的实际海底模型, 那些超出截止深度而折射进海底的声能量, 可以在沉积层中超出截止深度处所在的传播距离继续上坡传播。
上述三种情况下的声波传播均是由于传播环境的影响导致相当一部分的声波透射进海底, 造成水中声信号的衰减。由于实际的海底介质中存在有正的声速梯度, 而且海底的声速梯度要比水中的声速梯度大得多, 这部分透射进海底的声波将会由于海底正声速梯度的影响而在海底传播一段距离之后又重新折射回海水中, 这部分通过海底传播的声波即为本文所要讨论的地震波。
1. 2 海底声传播的实验数据
从20世纪40年代至今, 许多研究者对海中的低频与极低频声传播做了一系列实验研究, 这些实验的接收器均使用了地震波传感器和水听器, 实验的信号源包含了爆炸声、气枪和C W 信号, 以下是对这些试验的数据和结果的简要介绍和总结。1. 2. 1 W orzel-Ew i n g 实验
在1943年末和1944年初, 由W orzel 与Ew i n g 所做的浅海爆炸声传播实验, 可能是最早的涉及海底地震波传播研究的重要实验。实验的接收装置为1个垂直轴的地震波传感器和1个水听器, 地震波传感器用来接收介质的质点振速, 水听器用来接收水中的声压。实验数据显示:在所有的接收点, 水听器和地震波传感器均接收到低频的高速/地波0。
实验结论为:/在浅海中, 远距离处的任一接收点所接收到的由爆炸声源所产生的声波, 通过海底传播的地波比通过水中传播的水波先接收到, 在地波到达并持续一段时间之后水波才到达同一接收点, 地波与水波传播到达的时间差是由海底各层的深度和海底的物理特性所决定的, 地波的主要频率成分为10~30H z 信号, 但也包含有一些高达100H z 的各频率的低强度分量0。实验数据的一个简单样本如图2所
示。
图1 上坡声传播
图2
#64# 舰 船 科 学 技 术 第27卷 对于这个实验结果, Pekeris 开创性地使用其发展的分层介质简正波理论, 给出了理论解释, 并且理论分析与实验结果吻合得很好。1. 2. 2 M c ler oy 实验
1960年M cleroy 使用大功率宽带C W 信号源做了类似的浅海声传播实验。实验的接收器为1个三轴地震波传感器和1个水听器, 地震波传感器埋在海底以用来测量来自海底的震动, 水听器布设在地震波传感器附近, 以接收水中的声压。三轴地震波传感器的三个轴互相垂直, 其中X, Y 轴代表水平方向, Z 轴为垂直方向。
实验数据处理结果显示:地震波传感器的两个水平轴X, Y 轴比水听器表现出较高的信噪比增益, 在整个频带范围中具有高达20dB 的信噪比增益提高, Z 轴信号与水听器相比没有明显的信噪比增益差异。1. 2. 3 U r ic k 实验
1968年, U rick 在不同的地方使用相似的实验装置, 重做了M cleroy 的浅海传播实验。实验定性地肯定了M cleroy 实验的结果:信噪比增益表现为频率的函数, 地震波传感器的水平轴信号具有正的信噪比增益, 但幅度较小, 具体为5~10dB , 而且这种正的信噪比增益只表现在低频段。地震波传感器的垂直轴的输出信号与水听器的输出信号相比未表现出信噪比的差异。实验结果的一个简单样本如图3所示。1. 2. 4 R ichar d J . H echt 实验
1979年9月, H echt 等人在M artha s ' V i h eyar d 的南部做了浅海声传播实验。实验的信号接收装置为1个三轴的地震波传感器与1个水听器。其中地震波传感器嵌入海底, 水听器放在地震波传感器的旁边以接收水中声压。实验数据显示,
尽管存在强烈的
负声速梯度, 在30~200H z 的频段范围内, 嵌入海底的地震波传感器的垂直轴的输出信号所得到的传播损失要比由水听器的输出信号所得到的传播损失明
显的小10~12dB , 但是在更低的频段, 由地震波传感器三个轴的输出信号所得到的传播损失与由水听器的输出信号所得到的传播损失相比没有明显的差异。1. 2. 5 NOARL 实验
1987年, NOARL 做了一系列的传播实验, 实验的接收器为1个由16个水听器组成的垂直水听器阵和几个布放在海底不同位置的地震波传感器。实验的信号源分别为爆炸声、气枪和C W 信号。实验数据表明, 水听器可以在距声源20km 的距离处接收到地波信号, 而水波信号则在超出100km 的距离处仍可以接收到; 海底途径的声传播在极低频(小于20H z) 时是重要的, 而且在某些条件下, 通过地震波形式的声传播会和水中途径的声传播一样有效; 当声源在浅海中时, 地震波的传播重要性显著增强, 但如果声源在深海, 由于深海中通过地震波传播的声能量很小, 因此, 此时通过地震波方式的声传播则变得不是很重要; 对地波信号的分析表明海底底质存在不同地声特性的分层, 这与实际地质情况是吻合的。1. 2. 6 M. Nard i n 的研究
20世纪90年代末, 由M. N ard i n 等人在地中海做了极低频声的传播实验。实验的信号接收装置为海底地震波检波器(即1个水听器与1个三轴地震波传感器的组合) 和1个12元等间距分布的垂直水听器阵。实验的研究结果表明, 在低频段(1~50H z), 在海中几十千米的距离范围内, 声波的水平传播强烈地依赖于具体的海洋传播环境。在深海(水深超过500m ), 海底对声波的影响较小, 可以在非常远的距离处接收到通过海底传播的折射波, 但是当水平距离超过5km 时, 相应的信号已经变得非常微弱了。在浅海(水深小于80m ) 由于声线不断地撞击海底, 实验数据表明, 水中的声信号确实能够透射进海底非常深的深度, 并且由于海底底质存在有正的声速梯度, 会使得透射进海底的这部分声波在通过海底传播一段距离之后重新折射回海水中。
1. 2. 7 分析与总结
(1) E w ing 与W orzel 的实验加上Pekeris 的简正波理论证明, 在浅海中, 水中的声源所产生的低频声波, 确实是通过海底以地震波的形式传播到相当远的
图3 水听器与地震波传感器三个轴的信噪比频谱图
距离的, 并且在远场, 接收到的地震波信号的传播速
第3期 陈云飞, 等:航行舰船地震波及其在水中目标探测中的应用 是通过海底传播的, 海底的压缩波速度要大于水中的声传播速度。而且由于海底存在正的声速梯度, 导致越深层透射的声波越先到达接收点。
(2) 三轴地震波传感器是地震波信号的良好接收装置, 相对于传统的标量水听器, 地震波传感器在特定的频带上表现出较高的信噪比增益的提高, 即所谓的地震波增益。但是地震波传感器的三个轴所表现出的地震波增益并不相同, 在海水与海底界面处的声速连续增加的情况下, 地震波传感器的水平轴信号具有较高的地震波增益。在海水与海底的界面处声速不是连续变化的情况下, 并且海底的声速远大于水中的声速时, 地震波传感器的垂直轴具有较高的地震波增益。由于在大多数海洋环境中, 海底与水的界面处声速不是剧烈变化, 因此上述实验中地震波增益大多体现在地震波传感器的水平轴上。
(3) 由于海底的声吸收系数远大于水中的声吸收系数, 而且海底的介质特性比水复杂得多, 因此多数情况下, 声波不易通过海底进行远距离传播, 但是在那些海底对声传播具有重要影响的传播条件下, 低频声波很容易透射进海底, 并且在特定的条件下, 地震波形式的声传播途径和水中的声传播途径一样, 是声能量的有效传播方式。
#65#
非常明显, 能否很好地接收到舰船目标的低频段信号, 将直接影响声呐系统对舰船目标的探测性能。但是, 当舰船航行在浅海时, 由于浅海波导截止频率的影响, 舰船辐射噪声的极低频部分将不能在水中传播, 更为严重的是, 在夏季浅海中普遍存在负梯度水文环境, 水中传播的声波将会急剧地折射向海底, 在远距离的水中不存在有效的声传播。在这种情况下, 常规的声呐探测系统由于只能接收水中传播的目标信号, 因此将无法在有效的距离处探测到水中目标。舰船地震波是通过海底传播的低频声波, 其最突出的特点是, 可以不受具体水文条件的影响而通过海底快速传播, 舰船地震波的主要成分是舰船辐射噪声中的低频分量。研究航行舰船地震波的重要意义就在于利用舰船地震波独特的频率特性和传播特性来弥补常规声呐在水中目标探测中的不足, 以保证无论在何种水文条件下都可以通过接收水中和海底传播的目标声信号来实现在有效的距离范围内对目标进行探测。
舰船地震波的另一个重要应用就是水雷的地震波引信。由于舰船地震波可以通过海底快速传播, 这种传播特性将有利于水雷在远距离上发现和探测到舰艇目标, 因此将地震波探测技术应用于水雷引信上, 可以是一种非常理想的水雷值更引信。据公开的资料已知, 苏联研制的995型水雷采用了地震波引信, 美国从60、70年代开始装备的水雷引信中就开始应用地震波技术, 其标准水雷中的自航式水雷、老式水雷中的沉底雷、/破坏者0水雷和快速攻击水雷中的大部分型号, 如MK 58、MK 62、MK 63、MK 64、MK 65、MK 67水雷、DST 36、DST MK117D 型/破坏者0水雷、DST MK 115A 锚雷均使用了地震波作为联合引信的组成部分。
舰船地震波技术在水中目标探测中的成功应用, 将不仅能弥补常规声呐在特殊水文条件下的作用局限, 而且也将有力地提高被动声呐探测安静型潜艇的能力, 从而使海军在远程预警和反潜作战的能力上有进一步的提升。
2 舰船地震波及其应用
舰船地震波指的是由舰船航行所引起的通过海底传播的低频声波。其具体的产生机理是:舰船航行时所产生的船体震动噪声和舰船的辐射噪声的低频部分, 通过海水的折射抵达海底, 同时, 舰船航行时所引起的海水压力的变化也以低频波的形式传到海底, 这些低频波将会由于海底正声速梯度的影响而在海底传播一段距离之后重新折射进海水中, 这种形式的声传播即为所谓的航行舰船地震波。
舰船地震波的传播特点使得其在水中目标探测中具有重大的应用价值。目前常规的声呐系统使用的是标量水听器, 其只能接收目标在水中传播的声压信号, 虽然较为先进的矢量水听器能够同时接收到声压和介质的质点振速, 但其接收的也仅只是目标在水中传播的声信号, 由这两种水听器组成的声呐系统只能在相对良好的水文条件下监测到目标。
现在为了减小舰船的目标特性值, 通常采取对舰船的辐射噪声进行降噪处理, 降噪能在一定程度上减小舰船的高频辐射噪声, 但是舰船的低频辐射噪声却, 3 讨 论
航行舰船地震波的研究还存在许多需要考虑的问题, 只有在全面深入的理解航行舰船地震波的产生和传播机理的基础之上才能在水中目标探测中充分有效地利用舰船地震波。
,
#66# 舰 船 科 学 技 术 第27卷对于水中声源与海底地震波响应之间的实际传递函数还未建立合适的理论模型, 即对水中传播和地震波传播两者之间的能量分配问题还未解决, 就需要继续使用地震波传感器与水听器的组合在不同的海域和距离进行大量的实际测量, 以建立和修正声-地震波之间的传递函数模型。
(2) 由于航行舰船地震波的传播途径主要是通过海底, 这就需要对海底介质的声学特性有足够的认识, 只有这样才能对航行舰船的地震波声场进行准确的理论预报和对实测数据做出合理的解释。
(3) 三轴地震波传感器与海底可以有三种耦合方式:直接布放在海底、浅埋在海底和嵌在海底地层深处。传感器与海底的不同耦合方式会对传感器的输出产生重大影响, 因此需要对这三种耦合方式与传感器的输出响应之间的作用机理进行研究, 以寻求对航行舰船地震波信号的最佳接收方式。
(4) 建立浅海海底声学特性参数数据库, 建设数字化海洋, 这不仅能够为其他声传播模型提供可靠的模型参数, 而且可以实现对不同海区的航行舰船地震波的传播特性进行实时准确的预报, 为舰艇的作战指挥赢得时间。
(5) 测量航行舰船地震波的具体实验配置:结合目前实验仪器的性能参数, 在实际测量中信号源选择C W 信号, 接收器选择三轴地震波传感器和标量水听器的组合, 有条件的情况下可以用矢量水听器替换标量水听器, 以便进行声压振速信号联合处理来获取更高的信噪比增益。实验海区选择具有平坦海底的浅海, 实验时间选在夏季具有负声速梯度的水文环境, 以保证有较多的能量通过海底传播。
以上五个方面的问题是在航行舰船地震波研究和应用中要继续深入考虑的, 通过海底途径的声传播相对来说是一种比较复杂的声波传播方式, 同时它又是一个很有希望的研究方向, 这五个方面问题的解决将不仅有助于实现海中声场的全面预报, 而且还将推
[4] [3]
动海上石油开发和海洋地质勘探研究的不断发展。参考文献:
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PROPAGAT ION [J].
J A S A,
作者简介: 陈云飞(1978-), 男, 在读硕士研究生, 主要从事浅海声传播的理论与建模研究;
吕俊军, 男, 博士, 高级工程师, 主要研究方向为舰船物理场与信号处理;
于
, 男, 研究员, 硕士生导师, 主要研究方向为舰船噪声
测试与分析。
雷声公司为ATFLI R 瞄准吊舱引入新的数据链通信技术
雷声公司空间与机载系统部在2005年为美国海军的/先进前视红外目标瞄准0(ATFL I R ) 吊舱引入了最先进的高速数据链通信技术。这种先进技术符合美海军路线图的构想, 使F /A-18战斗机成为空间中的一个关键网络节点。
目前, 大多数瞄准吊舱中的通用通信系统工作于C 波段, 速度较慢。新的AT FL IR 数据链将提供K u 波段工作能力, 速度大为提高, 具备全双工双向安全通信功能, 这种高速通信可保障飞机与地面部队的即时通信, 还提高了与舰上指控系统的通信能力。
K u 波段与通用数据链兼容, 其数据率是目前使用的C 波段的6~20倍。通过Ku 波段, 还可快速收发图像, 增强了目标精确瞄准能力, 还可更快速地与地面设备共享实时视频图像。
K F
第27卷 第3期舰 船 科 学 技 术Vo. l 27 N o . 3
2005年6月S H I P SCI ENCE AND TEC HNOLOGY Jun . 2005
文章编号:1672-7649(2005) 03-0062-05
航行舰船地震波及其在水中目标探测中的应用
陈云飞, 吕俊军, 于
(大连测控技术研究所, 辽宁大连116013)
摘 要: 从理论上论述了浅海波导中发生声波显著透射进海底从而造成水中传播声信号严重衰弱的原因, 通
过对已有的海底声传播研究实验数据的分析和总结, 阐述了航行舰船地震波的产生和传播的基本规律, 提出和论证了航行舰船地震波在水中目标探测中的重要应用前景和价值。
关键词: 浅海声传播; 截止频率; 舰船地震波; 水中目标探测
中图分类号: P733. 21 文献标识码: A
The ship induced seis m ic wave and it s ' application in the underwater target detection
CHEN Yun-fe, i L U Jun-j u n , YU Feng
(Dalian Scientific Test&Con tro lTechno logy I nstitute , D alian 116013, Ch i n a)
Abst ract : In t h is paper , firstly the theoretica l reasons o f sound penetrati o n i n to the sea bo tto m that causi n g t h e deg radati o n of the w aterborne sound is presented . Secondly the way ho w the seis m ic w ave is i n -duced by the ship and ho w the seis m ic w ave is pr opagated is described through ana l y zi n g the experi m ent da -ta . F i n all y so m e i m portant applicati o n of the sh i p i n duced seis m ic w ave in the under w ater targe t detecti o n is presented .
K ey w ords : sound propagation i n sha ll o w wa ter ; cuto ff frequency ; sh i p i n duced se is m ic w ave ; un -der w ater target detection
0 引 言
地震波原指的是由地震活动引起的通过大地传播
的极低频声波, 本文所指的航行舰船地震波是指由舰船航行时所引起的通过海底传播的低频声波。在多数情况下, 声波在水中的传播比通过海底传播要有利得多, 水中传播不仅吸收小, 而且还存在所谓的/波导效应0, 能够使声波传播到相当远的距离, 但是在某些特殊的传播条件下, 如浅海传播、负梯度水文和斜坡海底的上坡传播, 由于声波与海底的频繁接触, 很大一部分声能量透射进海底, 造成水中声信号的显著衰减, 在这种情况下, 对声场进行计算时就必须考虑通过海底途径传播的这部分声波对总声场的影响。
本文通过描述地震波的产生和传播特性, 阐述了航行舰船地震波产生和传播的基本规律, 并且提出了航行舰船地震波在水中目标探测中的一些应用前景。
收稿日期:2004-06-20
1 地震波的传播
水声传播理论发展至今已有近百年的历史了, 早期的研究主要关注的是声波在海水介质中的传播, 所考虑的声波频带范围大多在几十赫兹以上。近几十年来由于人们对海底底质声学特性的认识不断深入, 推动了对海中低频和极低频声传播研究的不断发展。因为在浅海传播条件下, 海底声学特性对声波在波导中的传播具有重要影响, 特别是对低频和极低频声波在波导中的传播, 海底的影响几乎是决定性的。因为在某些特殊的传播条件下, 水中的声波更易于以地震波的形式通过海底传播, 而不是通过水中传播。1. 1 通过海底的声传播
浅海波导、负梯度水文和斜坡海底是三种相对特殊的低频声传播环境, 因为在这三种环境下, 有利的深海传播条件是不存在的; 相反, 由于声波与海底的
第3期 陈云飞, 等:航行舰船地震波及其在水中目标探测中的应用 频繁接触将会严重衰减水中的声信号, 导致在这几种条件下通过海底以地震波形式的声传播成为声能量传播的一个可能的途径。
(1) 浅海波导传播 在浅海波导中, 水深是一个制约声波传播的重要因素。按照波动理论, 声波在波导中传播时存在一个低频截止频率。这个截止频率与水深成反比, 即水深越深, 波导的截止频率就越低, 对于频率一定的低频声源, 水中能够有效传播的简正波的阶数就越多; 反之, 水深越浅, 波导的截止频率就越高, 在水中能够有效传播的简正波的阶数就少。因此对于相同频率的传播条件, 深海中能够有效传播的简正波阶数要多于浅海中所能传播的简正波阶数, 这也是声波在深海中传播要优于在浅海中传播的一个重要原因。在浅海环境中, 当声波的频率低于波导的截止频率时, 水中不存在有效的声传播, 这时通过海底以地震波形式的传播是声能量的主要传播方式。(2) 负梯度水文传播 在夏季, 由于太阳辐射的影响, 浅海中普遍存在有负梯度水文传播环境。当舰船航行在这种水文环境时, 舰船的辐射噪声由于海水的强烈负梯度作用, 水平传播的声线将急剧地折射向海底, 并且由于这部分声线是以很大掠射角投射向海底的, 因此绝大部分能量将透射进海底, 通过海底以地震波的形式进行传播。在这种水文条件下, 在远场很难接收到水中传播的声信号。
(3) 斜坡海底传播 斜坡海底也是一种相对复杂的声传播环境, 当声波沿倾斜海底传播时, 特别是由深水向浅水的上坡传播, 即水深随着传播距离的增加而不断减小时, 也是一个会发生声波显著透射入海底的情况, 如图1所示。这是因为随着传播距离的不断增加, 声线的掠射角将逐渐增大, 最终在全反射临界角处发生相当大的透射深度。在传播距离上发生声能量显著透射的点对应于相应阶数的简正波的截止深度所在的位置。对于各向同性沉积层海底(早期的声场建模最普遍的假设),
声信号的连续谱传播模
#63#
式部分大体上都损失进更深的基底层。但是, 对于沉积层中具有正声速梯度的实际海底模型, 那些超出截止深度而折射进海底的声能量, 可以在沉积层中超出截止深度处所在的传播距离继续上坡传播。
上述三种情况下的声波传播均是由于传播环境的影响导致相当一部分的声波透射进海底, 造成水中声信号的衰减。由于实际的海底介质中存在有正的声速梯度, 而且海底的声速梯度要比水中的声速梯度大得多, 这部分透射进海底的声波将会由于海底正声速梯度的影响而在海底传播一段距离之后又重新折射回海水中, 这部分通过海底传播的声波即为本文所要讨论的地震波。
1. 2 海底声传播的实验数据
从20世纪40年代至今, 许多研究者对海中的低频与极低频声传播做了一系列实验研究, 这些实验的接收器均使用了地震波传感器和水听器, 实验的信号源包含了爆炸声、气枪和C W 信号, 以下是对这些试验的数据和结果的简要介绍和总结。1. 2. 1 W orzel-Ew i n g 实验
在1943年末和1944年初, 由W orzel 与Ew i n g 所做的浅海爆炸声传播实验, 可能是最早的涉及海底地震波传播研究的重要实验。实验的接收装置为1个垂直轴的地震波传感器和1个水听器, 地震波传感器用来接收介质的质点振速, 水听器用来接收水中的声压。实验数据显示:在所有的接收点, 水听器和地震波传感器均接收到低频的高速/地波0。
实验结论为:/在浅海中, 远距离处的任一接收点所接收到的由爆炸声源所产生的声波, 通过海底传播的地波比通过水中传播的水波先接收到, 在地波到达并持续一段时间之后水波才到达同一接收点, 地波与水波传播到达的时间差是由海底各层的深度和海底的物理特性所决定的, 地波的主要频率成分为10~30H z 信号, 但也包含有一些高达100H z 的各频率的低强度分量0。实验数据的一个简单样本如图2所
示。
图1 上坡声传播
图2
#64# 舰 船 科 学 技 术 第27卷 对于这个实验结果, Pekeris 开创性地使用其发展的分层介质简正波理论, 给出了理论解释, 并且理论分析与实验结果吻合得很好。1. 2. 2 M c ler oy 实验
1960年M cleroy 使用大功率宽带C W 信号源做了类似的浅海声传播实验。实验的接收器为1个三轴地震波传感器和1个水听器, 地震波传感器埋在海底以用来测量来自海底的震动, 水听器布设在地震波传感器附近, 以接收水中的声压。三轴地震波传感器的三个轴互相垂直, 其中X, Y 轴代表水平方向, Z 轴为垂直方向。
实验数据处理结果显示:地震波传感器的两个水平轴X, Y 轴比水听器表现出较高的信噪比增益, 在整个频带范围中具有高达20dB 的信噪比增益提高, Z 轴信号与水听器相比没有明显的信噪比增益差异。1. 2. 3 U r ic k 实验
1968年, U rick 在不同的地方使用相似的实验装置, 重做了M cleroy 的浅海传播实验。实验定性地肯定了M cleroy 实验的结果:信噪比增益表现为频率的函数, 地震波传感器的水平轴信号具有正的信噪比增益, 但幅度较小, 具体为5~10dB , 而且这种正的信噪比增益只表现在低频段。地震波传感器的垂直轴的输出信号与水听器的输出信号相比未表现出信噪比的差异。实验结果的一个简单样本如图3所示。1. 2. 4 R ichar d J . H echt 实验
1979年9月, H echt 等人在M artha s ' V i h eyar d 的南部做了浅海声传播实验。实验的信号接收装置为1个三轴的地震波传感器与1个水听器。其中地震波传感器嵌入海底, 水听器放在地震波传感器的旁边以接收水中声压。实验数据显示,
尽管存在强烈的
负声速梯度, 在30~200H z 的频段范围内, 嵌入海底的地震波传感器的垂直轴的输出信号所得到的传播损失要比由水听器的输出信号所得到的传播损失明
显的小10~12dB , 但是在更低的频段, 由地震波传感器三个轴的输出信号所得到的传播损失与由水听器的输出信号所得到的传播损失相比没有明显的差异。1. 2. 5 NOARL 实验
1987年, NOARL 做了一系列的传播实验, 实验的接收器为1个由16个水听器组成的垂直水听器阵和几个布放在海底不同位置的地震波传感器。实验的信号源分别为爆炸声、气枪和C W 信号。实验数据表明, 水听器可以在距声源20km 的距离处接收到地波信号, 而水波信号则在超出100km 的距离处仍可以接收到; 海底途径的声传播在极低频(小于20H z) 时是重要的, 而且在某些条件下, 通过地震波形式的声传播会和水中途径的声传播一样有效; 当声源在浅海中时, 地震波的传播重要性显著增强, 但如果声源在深海, 由于深海中通过地震波传播的声能量很小, 因此, 此时通过地震波方式的声传播则变得不是很重要; 对地波信号的分析表明海底底质存在不同地声特性的分层, 这与实际地质情况是吻合的。1. 2. 6 M. Nard i n 的研究
20世纪90年代末, 由M. N ard i n 等人在地中海做了极低频声的传播实验。实验的信号接收装置为海底地震波检波器(即1个水听器与1个三轴地震波传感器的组合) 和1个12元等间距分布的垂直水听器阵。实验的研究结果表明, 在低频段(1~50H z), 在海中几十千米的距离范围内, 声波的水平传播强烈地依赖于具体的海洋传播环境。在深海(水深超过500m ), 海底对声波的影响较小, 可以在非常远的距离处接收到通过海底传播的折射波, 但是当水平距离超过5km 时, 相应的信号已经变得非常微弱了。在浅海(水深小于80m ) 由于声线不断地撞击海底, 实验数据表明, 水中的声信号确实能够透射进海底非常深的深度, 并且由于海底底质存在有正的声速梯度, 会使得透射进海底的这部分声波在通过海底传播一段距离之后重新折射回海水中。
1. 2. 7 分析与总结
(1) E w ing 与W orzel 的实验加上Pekeris 的简正波理论证明, 在浅海中, 水中的声源所产生的低频声波, 确实是通过海底以地震波的形式传播到相当远的
图3 水听器与地震波传感器三个轴的信噪比频谱图
距离的, 并且在远场, 接收到的地震波信号的传播速
第3期 陈云飞, 等:航行舰船地震波及其在水中目标探测中的应用 是通过海底传播的, 海底的压缩波速度要大于水中的声传播速度。而且由于海底存在正的声速梯度, 导致越深层透射的声波越先到达接收点。
(2) 三轴地震波传感器是地震波信号的良好接收装置, 相对于传统的标量水听器, 地震波传感器在特定的频带上表现出较高的信噪比增益的提高, 即所谓的地震波增益。但是地震波传感器的三个轴所表现出的地震波增益并不相同, 在海水与海底界面处的声速连续增加的情况下, 地震波传感器的水平轴信号具有较高的地震波增益。在海水与海底的界面处声速不是连续变化的情况下, 并且海底的声速远大于水中的声速时, 地震波传感器的垂直轴具有较高的地震波增益。由于在大多数海洋环境中, 海底与水的界面处声速不是剧烈变化, 因此上述实验中地震波增益大多体现在地震波传感器的水平轴上。
(3) 由于海底的声吸收系数远大于水中的声吸收系数, 而且海底的介质特性比水复杂得多, 因此多数情况下, 声波不易通过海底进行远距离传播, 但是在那些海底对声传播具有重要影响的传播条件下, 低频声波很容易透射进海底, 并且在特定的条件下, 地震波形式的声传播途径和水中的声传播途径一样, 是声能量的有效传播方式。
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非常明显, 能否很好地接收到舰船目标的低频段信号, 将直接影响声呐系统对舰船目标的探测性能。但是, 当舰船航行在浅海时, 由于浅海波导截止频率的影响, 舰船辐射噪声的极低频部分将不能在水中传播, 更为严重的是, 在夏季浅海中普遍存在负梯度水文环境, 水中传播的声波将会急剧地折射向海底, 在远距离的水中不存在有效的声传播。在这种情况下, 常规的声呐探测系统由于只能接收水中传播的目标信号, 因此将无法在有效的距离处探测到水中目标。舰船地震波是通过海底传播的低频声波, 其最突出的特点是, 可以不受具体水文条件的影响而通过海底快速传播, 舰船地震波的主要成分是舰船辐射噪声中的低频分量。研究航行舰船地震波的重要意义就在于利用舰船地震波独特的频率特性和传播特性来弥补常规声呐在水中目标探测中的不足, 以保证无论在何种水文条件下都可以通过接收水中和海底传播的目标声信号来实现在有效的距离范围内对目标进行探测。
舰船地震波的另一个重要应用就是水雷的地震波引信。由于舰船地震波可以通过海底快速传播, 这种传播特性将有利于水雷在远距离上发现和探测到舰艇目标, 因此将地震波探测技术应用于水雷引信上, 可以是一种非常理想的水雷值更引信。据公开的资料已知, 苏联研制的995型水雷采用了地震波引信, 美国从60、70年代开始装备的水雷引信中就开始应用地震波技术, 其标准水雷中的自航式水雷、老式水雷中的沉底雷、/破坏者0水雷和快速攻击水雷中的大部分型号, 如MK 58、MK 62、MK 63、MK 64、MK 65、MK 67水雷、DST 36、DST MK117D 型/破坏者0水雷、DST MK 115A 锚雷均使用了地震波作为联合引信的组成部分。
舰船地震波技术在水中目标探测中的成功应用, 将不仅能弥补常规声呐在特殊水文条件下的作用局限, 而且也将有力地提高被动声呐探测安静型潜艇的能力, 从而使海军在远程预警和反潜作战的能力上有进一步的提升。
2 舰船地震波及其应用
舰船地震波指的是由舰船航行所引起的通过海底传播的低频声波。其具体的产生机理是:舰船航行时所产生的船体震动噪声和舰船的辐射噪声的低频部分, 通过海水的折射抵达海底, 同时, 舰船航行时所引起的海水压力的变化也以低频波的形式传到海底, 这些低频波将会由于海底正声速梯度的影响而在海底传播一段距离之后重新折射进海水中, 这种形式的声传播即为所谓的航行舰船地震波。
舰船地震波的传播特点使得其在水中目标探测中具有重大的应用价值。目前常规的声呐系统使用的是标量水听器, 其只能接收目标在水中传播的声压信号, 虽然较为先进的矢量水听器能够同时接收到声压和介质的质点振速, 但其接收的也仅只是目标在水中传播的声信号, 由这两种水听器组成的声呐系统只能在相对良好的水文条件下监测到目标。
现在为了减小舰船的目标特性值, 通常采取对舰船的辐射噪声进行降噪处理, 降噪能在一定程度上减小舰船的高频辐射噪声, 但是舰船的低频辐射噪声却, 3 讨 论
航行舰船地震波的研究还存在许多需要考虑的问题, 只有在全面深入的理解航行舰船地震波的产生和传播机理的基础之上才能在水中目标探测中充分有效地利用舰船地震波。
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#66# 舰 船 科 学 技 术 第27卷对于水中声源与海底地震波响应之间的实际传递函数还未建立合适的理论模型, 即对水中传播和地震波传播两者之间的能量分配问题还未解决, 就需要继续使用地震波传感器与水听器的组合在不同的海域和距离进行大量的实际测量, 以建立和修正声-地震波之间的传递函数模型。
(2) 由于航行舰船地震波的传播途径主要是通过海底, 这就需要对海底介质的声学特性有足够的认识, 只有这样才能对航行舰船的地震波声场进行准确的理论预报和对实测数据做出合理的解释。
(3) 三轴地震波传感器与海底可以有三种耦合方式:直接布放在海底、浅埋在海底和嵌在海底地层深处。传感器与海底的不同耦合方式会对传感器的输出产生重大影响, 因此需要对这三种耦合方式与传感器的输出响应之间的作用机理进行研究, 以寻求对航行舰船地震波信号的最佳接收方式。
(4) 建立浅海海底声学特性参数数据库, 建设数字化海洋, 这不仅能够为其他声传播模型提供可靠的模型参数, 而且可以实现对不同海区的航行舰船地震波的传播特性进行实时准确的预报, 为舰艇的作战指挥赢得时间。
(5) 测量航行舰船地震波的具体实验配置:结合目前实验仪器的性能参数, 在实际测量中信号源选择C W 信号, 接收器选择三轴地震波传感器和标量水听器的组合, 有条件的情况下可以用矢量水听器替换标量水听器, 以便进行声压振速信号联合处理来获取更高的信噪比增益。实验海区选择具有平坦海底的浅海, 实验时间选在夏季具有负声速梯度的水文环境, 以保证有较多的能量通过海底传播。
以上五个方面的问题是在航行舰船地震波研究和应用中要继续深入考虑的, 通过海底途径的声传播相对来说是一种比较复杂的声波传播方式, 同时它又是一个很有希望的研究方向, 这五个方面问题的解决将不仅有助于实现海中声场的全面预报, 而且还将推
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动海上石油开发和海洋地质勘探研究的不断发展。参考文献:
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J A S A,
作者简介: 陈云飞(1978-), 男, 在读硕士研究生, 主要从事浅海声传播的理论与建模研究;
吕俊军, 男, 博士, 高级工程师, 主要研究方向为舰船物理场与信号处理;
于
, 男, 研究员, 硕士生导师, 主要研究方向为舰船噪声
测试与分析。
雷声公司为ATFLI R 瞄准吊舱引入新的数据链通信技术
雷声公司空间与机载系统部在2005年为美国海军的/先进前视红外目标瞄准0(ATFL I R ) 吊舱引入了最先进的高速数据链通信技术。这种先进技术符合美海军路线图的构想, 使F /A-18战斗机成为空间中的一个关键网络节点。
目前, 大多数瞄准吊舱中的通用通信系统工作于C 波段, 速度较慢。新的AT FL IR 数据链将提供K u 波段工作能力, 速度大为提高, 具备全双工双向安全通信功能, 这种高速通信可保障飞机与地面部队的即时通信, 还提高了与舰上指控系统的通信能力。
K u 波段与通用数据链兼容, 其数据率是目前使用的C 波段的6~20倍。通过Ku 波段, 还可快速收发图像, 增强了目标精确瞄准能力, 还可更快速地与地面设备共享实时视频图像。
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