技术交流 | 海洋水声环境对水声探测设备使用的影响

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海洋占据地球表面约70%的面积，是人类开展交通运输、军事斗争和获取资源的场所。这就必须有观测、通讯、导航、定位的工具。开展海洋水声环境的探测工作，一般会运用到电磁波、光学仪器等，由于电磁波等在海水中衰减过大，不能进行远距离传播，故这一类设备在目标探测中存在限制，导致功能发挥被限制。

为了采集海洋水声环境的信息，建议采用水声探测设备。但是结合实际情况发现，海洋水声环境对于水声探测设备的应用有一定影响，这些影响的存在直接关系到信息的准确性。所以，下面重点围绕海洋水声环境对水声探测设备的应用进行论述。

一、海洋水声环境的常见现象

1. 中尺度海洋涡旋

这里提到的中尺度涡主要是指，具有某种特性的水团在其他属性水体的包围下，导致发生封闭顺时针、逆时针旋转运动，在海洋环境内呈现中尺度特点。大洋环境内的海流流系两侧有环流性涡旋的存在，这种环流性涡旋便是中尺度涡。这种形式的涡旋直径在100～200km 之间，涡流流速在2～3.9kN 区间内，影响深度与持续时间较大。

2. 海洋锋

海洋锋是比较常见的海洋水声环境之一，也可以直接理解为多个水团形成的边界线，或者海洋环境参数跃变带。通常海洋锋持续时间并不固定，且周围有流场，和锋的流分量为平行状态，而垂直于锋方向有时会产生水平切变。

3. 海面波动

受到海面上风的影响会形成波浪，具有周期性与随机起伏的特征。如果水内声波传播至起伏海面，会形成散射波，导致能量方面的损失。

4. 海洋内波

在海洋水声环境中，除了海面波动以外，海洋内部波动也比较常见，即海洋内波。海洋的密度层化海水在外力干扰影响下，会在海水内部形成波动，这种波动的最大振幅产生于海洋内部，波形特殊，传播距离远，且具有随机性的特点，波动的周期持续几分钟、数十小时不等，振幅在几米到百米量级之间。

结合实践分析海洋内波的原因，总结为两点：

  · 一是，海水的稳定分层、密度层化，这是形成海洋内波的必要前提。如果密度层化强度降低，那么内波频率和传播速度也会随之减小；

  · 二是，扰动问题，海表层如果有风的存在，或者在海流与地震等的影响下，会在海底形成剧烈的震动，进而导致海洋内波。

5. 海底

海底根据不同地形主要有四类：

  · 一是，阶梯类。阶梯类海底存在于浅海环境，是水声探测的主要影响因素。

  · 二是，海沟类。海沟类海底对于水声探测设备的影响集中于浅海海区。

  · 三是，斜坡类。该类型可能带来的影响主要表现在过渡海区、浅海海区。

  · 四是，海山类。对深海海区、强切割海区的水声探测设备有影响。

二、海洋水声环境在水声探测设备应用环节存在的影响

1. 降低水声探测精准性

如果海域附近的水声环境比较复杂，并且有黑潮现象存在，在黑潮水、温度较低的陆架水交界处，水平温度也会有明显变化，这是海洋锋的形成条件。黑潮搅拌剧烈，有可能会形成涡旋，空间尺度多达数百公里，时间尺度跨度也非常大，所以海洋学领域将其认定为中尺度现象。与之相似的现象还包括近岸潮汐锋与涌升流锋。一旦形成海洋锋，会在水下形成一道声屏障，不仅会导致声线弯曲，还无法保证水声探测设备探测的精准度，这是对水声探测设备的直接影响。

2. 深海会聚区影响探测信号传输

当声源和接收装置全都位于海洋近表层时，声源发出的声波经过深海海水的反射后会折回海面，并在间隔60～70km 的区域范围内形成较高声强环带状区域，称之为深海会聚区。

通过会聚区效应监测目标信号，可以发现两个特征：

  · 一是，目标信号直接出现与消失。这与声会聚区、影区有直接关系，因为装载平台、目标均处在运动状态下，相互态势也是不断变化的，如果此时突然出现目标信号代表目标已经驶入到声会聚区内；若目标信号再次突然消失，则代表已经离开目标声会聚区域驶入影区。

  · 二是，目标信号的持续时间有限。一般目标信号只能持续几分钟，其原因在于装载平台、目标为相对运动的过程，会聚区域的范围有限。

3. 威胁舰船航行安全

中尺度涡作为海洋环境中比较常见的一种中尺度现象，在强环流、温度、声速结构等方面有显著特征，所以难免会对航行状态下的舰船安全造成威胁。一方面，舰船开始各项行动前需要全面分析活动海域内的海洋涡分布，确定海洋涡是否存在、判断海洋涡属性与作用范围等；另一方面，若活动海域范围内存在海洋涡，布设水声探测设备时，要针对目标位置将其设置在偏冷一侧，如果海洋涡为冷涡，那么水声探测设备要远离涡中心位置，若遇暖涡时建议布设在涡中心。

三、操作水声探测设备的有效方法

1. 采用低频探测确定目标

为了能够更加准确地完成目标探测，科考、测量船会提前准备各个型号的水声探测设备，且各种探测设备有适合的工作频段。在开展目标探测的过程中，采用不同的设备，可以对水中传播各个频段的水声信号进行接收与处理。根据掌握的水声专业知识，可以确定水内声波的传播距离与频率关系非常紧密，如果声波的传播频率高，那么其在水中传播期间能量衰减的速度也会加快，传播距离、作用范围反而会缩小。反之，声波的传播频率低，在水内传播期间能量衰减速度减缓，传播距离与作用范围扩大。通常船只目标处于航行状态下，低频螺旋桨噪声会发出辐射噪声，所以为了能够尽快判断噪声目标，工作人员可以采用低频探测设备搜索附近海域，或者将水声探测设备调整至低工作频段，这样可以保证探测目标的效率与准确性。

2. 判断目标运动的方向与速度

如果水声探测设备在操作过程中，针对目标噪声进行跟踪，建议实时描绘出运动轨迹。等间隔描绘可以将目标方位的改变真实呈现出来，将其与所在船只运动轨迹对比，便可以大概判断目标运动方向。

四、结语

海洋水声环境是水声探测设备实际应用的重要影响因素，操作人员需要切实掌握比较常见的几种水声环境现象，以便在目标探测环节能够及时分析周围环境，作出正确的判断，以免因为海洋水声环境了解程度不足而影响到探测设备的使用，降低探测目标的准确性。

来源：溪流之海洋人生微信公众号（ID：xiliu92899），文章整理自《现代工业经济和信息化》(2020年第5期），作者：杨茗。