海洋技术▏海底底质对声纳探测性能的影响分析

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一、引言

海底作为海洋声信道的下界面，海底结构、地形和沉积层等要素对水下声传播有着重要影响，在浅海环境下，这种影响尤为显著。了解海底沉积物的物理特性以及它与声学参数的关系，对声纳作用距离的预报以及水声环境效应方面的研究及其重要。理论上讲，要精确地描述海底底质对水下声传播产生影响，需要精确的获取所有的海底底质参数，这在实际应用中不可能做到，本文主要从海底沉积层物理特性的主要参数出发，分析了海底底质参数对声纳探测性能的影响。

二、海底底质及其对声纳性能的影响

⒈海底底质分类

海底沉积层声学参数主要包括：厚度、密度、声速和吸收系数等。目前，对于沉积物物理特性究竟怎样影响声速，至今还未能取得一致公认的令人满意的理想结果，大量的科研人员通过实验室测量和海上现场测量，已积累了大量的海底底质数据，并总结出了一些规律。Hamilton把声速按陆架和陆坡、深海丘陵和深海平原三类，分别给出由平均颗粒度、孔隙度、密度和粘土含量预报声速的经验公式，并给出了海底沉积层的分类标准，如表1所示。

 表1 海底沉积层Hamilton分类

序号	沉积物类型	密度（g/cm3）	声速（m/s）	吸收系数
1	粉砂粘土	1.421	1520	0.078
2	粘土质粉砂	1.469	1546	0.095
3	沙-粉砂粘土	1.583	1580	0.113
4	淤泥	1.767	1623	0.673
5	砂质淤泥	1.787	1664	0.750
6	泥沙	1.806	1668	0.692
7	非常细沙	1.866	1697	0.673
8	细粒沙	1.975	1753	0.510
9	粗粒沙	2.034	1836	0.479

⒉海底反射损失

海底沉积层厚度差别很大，在零米到数千米的范围内变化。沉积层的物理性质对声传播的影响是水声环境效应研究所关心的问题。海底反射损失是海底沉积层的重要物理量，是水声环境仿真分析与声纳性能预报的重要环境参数。海底的声反射性能取决于海底沉积物的密度ρ，声速C以及吸收系数α。对于均匀液态海底可以得到瑞利反射系数：

V(ϕ)＝(msinϕ－（n²－cos²ϕ）^-1)/（msinϕ＋（n²－cos²ϕ）^-1）

其中：ϕ为掠射角，m＝ρ_底/ρ_水，n＝c_水/c_底。

由公式可见，海底反射性能与折射率n的关系极大，对于“高声速”海底（n<1），有全反射，对于“低声速”海底（n>1），则无全反射，但有一个全透射角。因此，在小掠射角时，“高声速”海底具有较好的反射性能，而“低声速”海底则较差。海底反射系数与掠射角关系较大，我国水声工作者根据大量实验数据得出，沉积层的反射系数与掠射角的关系有如下特性：

式中：Q为小掠射角时反射损失斜率，ϕ*为“显著反射区”及“弱反射区”的分界角，-ln|V_b|为大掠射角时的常数反射损失。

⒊海底地声参数对声纳探测性能的影响分析

为了研究海底地声参数对声纳探测效能的影响，在不同声速剖面下，对表1给出的9种海底底质下声纳作用距离的影响进行了统计分析（传播模型：BDRM，频率：1000Hz；声源深度、目标深度：0～100m，间隔：5m，求平均值），图1～4分别给出了正声速梯度、负声速梯度、均匀层声速梯度、声道形声速梯度下不同海底地质类型的声纳探测性能仿真结果。

 图1 正梯度声速剖面不同海底底质声纳作用距离统计

  图2 负梯度声速剖面不同海底底质声纳作用距离统计

 图3 声道型声速剖面不同海底底质声纳作用距离统计

 图4 均匀层声速剖面不同海底底质声纳作用距离统计

从图中可以看出，声纳作用距离随海底底质的变化呈规律性的变化，具体为：

⑴随海底底质类型的变化，声纳作用距离呈现增加，减小，再增加的变化规律，且同样的条件下，第一种海底底质下声纳作用距离最小，第九种海底底质下声纳作用距离最大。

⑵靠近海底的声速呈正梯度变化时，不同海底底质下声纳作用距离的变化不大，呈负梯度变化时，不同海底底质下声纳作用距离的变化较大。

这主要是由于当靠近海底的声速剖面是正梯度时，声线向海面方向反转，接触到海底的声线数减少，从而海底对声场的影响减小。反之，当靠近海底的声速剖面呈负梯度时，声线向海底方向反转，接触到海底的声线数增加，从而海底对声场的影响增加。

三、结语

本文从海底沉积层物理特性的主要参数出发，通过仿真统计，分析了海底底质参数对声纳探测性能的影响。通过仿真分析发现，浅海环境下，海底底质对负声速梯度下的声纳探测性能具有较大的影响。海底地质对水下声传播的影响机理非常复杂，本文仅考虑了海底沉积层物理特性的主要参数对声纳探测性能的影响，海底底质对水下声传感器的精细化影响还需加强研究。

【作者简介】本文作者/徐妍 王英志 黄佳维 范培勤，分别来自海军参谋部电子对抗雷达声纳局、海军工程大学和海军潜艇学院；第一作者徐妍，女，硕士，工程师，研究方向为水声工程；文章来自《舰船电子工程》（2017年第10期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。

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