0 引 言
作为现代反潜中一项重要的数据，准确地掌握作战海域吊放声呐的作用距离，将大大提高吊放声呐的搜潜效率。吊放声呐的作用距离不仅与声呐设备的性能有关，还受海洋环境和海底地形等有关因素的影响。海底地形作为水声传播的下边界，不同的海底地形对水下声传播有着重要的影响[1]，海底地形的复杂多变，相应声呐作用距离也千差万别。因此有必要研究海底地形对作用距离的影响，为声呐设备的设计和作战使用提供可靠的参考和依据。
曲晓慧等在文献[2]和[3]中研究了浅海平坦海底地形下不同声速剖面中的声传播特性，通过仿真声线轨迹分析了正声速梯度和存在一个声道轴时的声速分布两种典型声速剖面对声传播的影响，得出了浅海中不同声速剖面下主动声呐的作用距离。但没有考虑复杂地形对声传播特性的影响。支绍龙[4]研究了海底地形为山体情况下吊放声呐不同入水深度时的作用距离，为如何使用声呐装备提供了数据支撑，极大发挥了声呐设备的探测性能，但此文献把海底地形设置为山体这一特殊地形，不具有很强的说服性。韩引海等[5]中研究了海底山体和海底盆地(简称：海盆)对声传播规律的影响，并仿真得到了两种典型地形下的声呐设备作用距离，对水声装备的研制和使用有重大的影响，但本文献没有研究不同高度或深度的两种地形对声传播的影响。针对上述文献的不足，本文研究了不同高度和深度的海底山体和海盆对声线传播特性的影响，并通过仿真得出了主动声呐的作用距离，为吊放声呐设备的设计，操作和作战使用提供了参考。
1 射线声学模型
2 浅海不同地形下吊放声呐探测距离仿真分析
在本文的研究中，海底山体和海盆的形状服从均值为10 km，方差为0.3的高斯分布，海盆的直径为9 km。
2.1 正声速梯度
正声速梯度指的是声速随深度的增加而增加，这类声速剖面一般发生在冬季，原因是海水表面温度比海底温度低。图1为海底地形示意图，图2为正声速梯度剖面图。
图1 两种典型的海底地形示意图
Fig.1 Two typical seabed topographies
图2 浅海正声速梯度剖面图
Fig.2Sound velocity profile of positive gradient in shallow sea
本文基于射线声学，利用BELLHOP模型计算声场。假设浅海海域水深200 m，声呐发射的初始掠射角为± 1 0.3°。声源工作深度为80 m，工作频率为3 000 Hz，声束柱数为50，本征声线的个数N=2。海底参数的设定：声速 c=1 535 m·s-1，海底吸收系数 α=0.5，密度 ρ=1.43 g·cm-3。
2.1.1 海底地形为高斯分布的“海底山体”
图3为海底山地高度分别为0、50、100、150 m情况下的声线传播图和声波传播损失图。
图4为正声速梯度下海底山体的高度对吊放声呐作用距离的影响。
图 4纵轴为潜艇的航行深度(m)；横轴为吊放声呐的探测距离(m)。假设吊放声呐的入水深度为80 m，每隔2 m取一点作为潜艇的航行深度，研究吊放声呐深度确定后，对航行在不同深度的潜艇的探测距离进行分析。
(1) 正声速梯度下，声线向海面弯曲。从图3(a)、3(c)、3(e)、3(g)和图4中可得出下列两点结论：
(a) 山体以上区域。在声线传播过程中，声线到达海底山体表面并发生反射，通过图3(a)、3(c)、3(e)、3(g)可以看出，随着山体高度的增加，声线传播的跨度不断变小，造成声线向声源附近海域聚集。从图4可见，随着山体高度的增加，声呐设备的作用距离不断减小。
图3 正梯度声速剖面和不同海底山高度情况下的声线图和声传播损失图
Fig.3 Ray trace maps and sound propagation loss maps under the sound velocity profile of positive gradient and differrent heights of undersea mountain
图4 正梯度声速剖面下海底山体高度对主动探测的影响
Fig.4 Influence of the height of undersea mountain on active detection under the sound velocity profile of positive gradient
(b) 山体以下区域。由于山体的阻挡，随着山体高度的增加，山体另一侧的声线不断减少，形成大面积的声影区，并且声呐设备的作用距离也不断减小。
(2) 由于山体的存在，潜艇可以借助影区来逃避主动声呐的搜索。为了减少声影区的面积，直升机在搜潜时声呐装备应尽量在山体的上方，同时减少吊放声呐的入水深度，从而提高搜潜效率。
2.1.2 海底地形为高斯分布的海盆
图5是海盆深度分别为50、100、150 m情况下的声线传播图和传播损失图。以海底200 m为基准，海盆深度为0时与海底山体规律相同，将不在图5中列举。
图5 正梯度声速剖面和不同海底盆地深度情况下的声线图和声传播损失图
Fig.5 Ray trace maps and sound propagation loss maps under the sound velocity profile of positive gradient and different undersea basin depths
图6为正梯度声速剖面下不同海盆深度对吊放声呐作用距离的影响。
图6 正梯度声速剖面下海盆深度对作用距离的影响
Fig.6 Influence of undersea basin depth on detection range under the sound velocity profile of positive gradient
(1) 由图5(a)、5(c)、5(e)可以看出，大部分声线在到达海底前发生反射，经过海盆的声线很少，因此在海盆中形成大量影区。随着海底盆地深度的增加，对整体声线的传播影响不大。从图6中可以看出随着海盆的深度变化，声呐装备的作用距离发生较小的变化。
(2) 潜艇驶入海盆是逃避吊放声呐搜索的方法之一。由于吊放声呐入水深度越深距离海盆越近，海盆中的声线越多，海盆中的声影区随之减少，因此，为了提高声呐设备的搜潜概率，通过增加吊放声呐的入水深度来增加海盆中的声线数量，从而减少影区的面积是最有效的方法。
2.2 带有跃变层的声速梯度
由于负声速梯度不常见，因此本节分析某海域中常见的带有跃变层的声速梯度分布。该声速的特点为大约在 60 m处声速梯度从微弱正声速梯度转变为负声速梯度。图7为带有跃变层的声速梯度剖面图。
图7 带有跃变层的声速梯度剖面图
Fig.7 Sound velocity profile with a leaping layer
2.2.1 海底地形为高斯分布的海底山
仿真数据同2.1节。图8是海底山体高度分别为0、50、100、150 m情况下的声线传播图和传播损失图。
图8 带有跃变层的声速剖面和不同海底山地高度情况下的声线图和声传播损失图
Fig.8 Ray trace maps and sound propagation loss maps under the sound velocity profile with a leaping layer and differrent heights of undersea mountain
图9为不同海地山体高度对吊放声呐作用距离的影响。
图9 带有跃变层的声速剖面下海底山体高度对主动探测距离的影响
Fig.9 Influence of the height of undersea mountain on active detection distance under the sound velocity profile with a leaping layer
(1) 由于带有跃变层的声速梯度的分布的特点为声线在0～60 m时向上弯曲，在60 m以下时向下弯曲。
当吊放声呐的深度为80 m时，根据图8和图9可以得到两点结论：
(a) 山体以上区域。山体表面的存在，导致向下传播的声线发生反射，向海面聚集，山体越高，海面聚集的声线越多，根据图9可以看出，潜艇航行在0～60 m深度时，随着山体高度的增加，声呐装备在海面附近的作用距离也不断增加。
(b) 山体以下区域。由于山体的阻隔，导致声线无法穿过山体到达海山的另一侧，所以根据图8(b)、8(d)、8(f)、8(h)可以看出，在山体另一侧出现大面积的影区。
(2) 海底山体的出现会导致山体另一侧出现大面积的影区，利于潜艇的规避。因此为了减少影区面积，需要通过减少吊放声呐的入水深度来增加山体另一侧的声线数量，进而提高吊放声呐的探潜效率。
2.2.2 海底地形为高斯分布的海盆
图10为海底海盆深度分别为50、100、150 m时声线传播和声传播损失图。由于深度为0时与海底山体相同，将不在图10中列举。
图 11为不同海盆深度对吊放声呐作用距离的影响。
(1) 由于声线向下传播，由图 10(a)、10(c)、10(e)可以看出，随着海盆深度的不断增加，海盆中的声线不断聚集，在海盆上方海面形成了大面积的影区，并且由于海盆对声线的吸收，造成声线的数量在海盆的另一侧减少，相对于平坦海底，声呐设备的作用距离会随着海盆深度的增加不断降低。
图10 带有跃变层的声速剖面不同海盆深度和情况下的声线图和声传播损失图
Fig.10 Ray trace maps and sound propagation loss maps under the sound velocity profile with a leaping layer and different undersea basin depths
(2) 从图11可以看出，当海底平坦时，吊放声呐对处在同一平面的潜艇具有最大探测距离，当海底地形为海盆时，吊放声呐对航行在深度较浅的潜艇具有较大的探测距离，当潜艇航行深度较浅时，会容易被反潜设备发现，因此为了躲避反潜设备的搜索，充分利用地形，潜艇应尽量航行在跃层以下，并且尽量避免与搜潜设备处在同一平面。
图11 带有跃变层的声速剖面下海盆深度对主动探测的影响
Fig.11 Influence of undersea basin depth on active detection under the sound velocity profile with a leaping layer
3 结 论
本文通过分析浅海海底地形下声传播特性，利用射线声学模型仿真了不同高度和不同深度海底山体、海盆两种典型地形下声传播特性和对吊放声呐主动探测距离的影响。同时根据声传播特性分析了不同地形下潜艇规避声呐设备搜索最有可能航行的区域，为后续反潜作战中如何最大概率地探测到潜艇提供了可行性方案。海底地形仅是影响声呐作用距离一个因素，在本文的基础上，考虑海面形状对声呐设备作用距离的影响将是下一步研究的重点。
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