南海声速剖面及其对吊放声纳作用距离的影响.pdf
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1、舰 船 电 子 工 程2023 年第 5 期1引言目前,我国海域,特别是南海海域正面临着复杂的水下威胁,同时由于各种潜艇降噪、消声等技术,使得声纳对潜艇的探测难度越来越大。为了应对复杂的海上形势,我们需要不断地提高装备的作战使用效能。同时,由于海洋环境的复杂多变,实际的声传播特性会随着时间、空间以及目标的不同而千差万别,从而使得装备的使用也必须要因时因地灵活改变。因此有必要对我国周边海域的实际海洋环境特性进行长期的测试,分析研究并其统计特性,从而有效地指导装备的使用1。本文以Argo浮标在南海东北部,北纬21.058、东经118.971附近海域10个月的实测温深数据为基础展开研究,首先计算其声
2、速剖面数据,分析其统计特性;然后基于BELLHOP模型计算其声传播损失,分析研究航空吊放声纳在该海域的作用距离特征,为吊放声纳在该海域附近的作战使用提供参考,也为其它海域Argo数据的分析和研究提供方法参考。2数据来源Argo计划自 2000年底实施,是全球海洋观测系统中的一个实验计划,该计划将在全球海洋中布收稿日期:2022年11月8日,修回日期:2022年12月10日作者简介:刘敏,女,博士,副教授,研究方向:水声工程、航空反潜。南海声速剖面及其对吊放声纳作用距离的影响刘敏1曾源春2董彩萍1陈宇豪2司军伟3(1.海军航空大学烟台264001)(2.91856部队上海201900)(2.92
3、635部队青岛266100)摘要针对目前航空吊放声纳在实际工作中布放深度的选择主要依靠声纳员经验的现状,论文基于Argo浮标在北纬21.058,东经118.971附近海域10个月的实测温深数据展开分析。首先,利用威尔逊公式计算出该海域的声速剖面数据,并对其结构和统计特性进行了分析;然后,结合BELLHOP模型计算了其传播损失图,研究了该海域航空吊放声纳的作用距离特点,为吊放声纳的使用提供参考。关键词吊放声纳;声速剖面;Argo数据;作用距离中图分类号TB566DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2023.05.041Analysis of Sound Velocity P
4、rofile in the South China Seaand Its Influence on the Range of Dipping SonarLIU Min1ZENG Yuanchun2DONG Caiping1CHEN Yuhao2SI Junwei3(1.Naval Aviation University,Yantai264001)(2.No.91856 Troops of PLA,Shanghai201900)(3.No.92635 of Troops of PLA,Qingdao266100)AbstractFor the current situation of the s
5、election of depth of the dipping sonar is mainly relies on the experience of the sonaroperator.The actual temperature ande depth datas of Argo buoys in the sea area near 21.058 north latitude and 118.971 east longitude for 10 months are analyzed.Firstly,the sound velocity profile datas of the sea ar
6、ea is caculated using Wilsons formula,and itsstructural and statistical properties are analyzed.Then,the propagation loss plot is calculated combining with the BELLHOP model,the operating distance characteristics of aerial dipping sonar in thie sea area are studied,which provides a reference for the
7、 combatuse of dipping sonar.Key Wordsdipping sonar,velocity profile,argo data,operating distanceClass NumberTB566总第 347 期2023 年第 5 期舰 船 电 子 工 程Ship Electronic EngineeringVol.43 No.5203总第347期放3000个Argo浮标,提供全球海洋2000m深度以上的次表层温、盐度资料,目的就是为了加深对海洋气候的系统认识。中国Argo计划从2002年初组织实施,早期主要使用进口 Argo浮标,使用 Argos和Iridium
8、卫星接收数据。2014年起,研制国产Argo浮标,数据直接通过“北斗剖面浮标数据服务中心”接收2。本文就以国产Argo浮标的测试数据展开分析。2.1数据点的选择南海位于北太平洋西部边缘,南起赤道附近,平均水深 1200m,水深超过 1000m 的中央东北-西南走向的菱形海盆约占总海域其余海区面积的1/23。本文选择南海菱形盆地东北部,北纬21.058、东经 118.971,距东沙群岛方位 81,224.75km 附近,深度2100m左右,如图1所示。该海域东北面通过台湾海峡与东海相连,东面通过巴林塘海峡与太平洋相连,距美驻日冲绳基地仅 986.7km,是各国舰船航线必经之地,具有一定研究价值。
9、26N24N22N20N18N16N116E118E120E122E124ETrajectory of the float(as of 2021/05/13);WMO:2902711图1浮标投放区域2.2实测数据2020年8月至2021年5月,使用Argo浮标持续对目标海域进行垂直方向的温深数据观测,共计采集到长达10个月的实测数据,测试间隔设置为五天,在扣除个别时间的特异值后,测试期间每个月样本容量如下:8 月份 6 个,9 月份 6 个,10 月份 6个,11月份 6个,12月份 6个,1月份 6个,2月份 6个,3月份6个,4月份6个,5月份5个,共计59组数据。图2为中国Argo实时资
10、料中心部分温深盐原始数据1。3数据分析与处理为了深入了解测试点声速剖面特性,本小节分别从季节变化和月变特征的角度,对该海域的声速剖面数据展开分析。图2浮标部分温深盐原始数据3.1威尔逊公式大多数情况下,海水中声速平均值近似等于1500m/s,但是在不同的环境下,海水声速值也会随之变化,其中影响声速的主要因素为温度,盐度和压力等。本文应用威尔逊公式来计算测试点的声速剖面,具体为4C=1499.22+CT+CS+CP+CTSP(1)CT=4.6233T-5.458510-2T2+2.82210-4T3-5.0710-7T4(2)CS=1.391()S-35+7.810-2()S-352(3)CP=
11、1.6027210-1P+1.026810-5P2+3.512610-9P3-3.360310-12P4(4)P=1.11+1.0266310-1D+2.69110-7D2-4.1110-12D3(5)CTSP=()S-35(-1.19710-2T+2.6110-5D-1.9610-9D2-2.0910-7DT)+(-2.79610-5T+1.330210-6T2-6.64410-9T3)D+()-2.39110-9T+9.28610-12T2D2-1.74710-13TD3(6)上式中,C 为声速,T 为温度()、S 为盐度()、D为深度(m)、P为压强(Pa)。3.2测试点海域声速剖面结构
12、分析经过计算和分析,发现该海域的声速剖面图符合典型的Munk SOFAR声道声速剖面图结构,表现出较强的分层特性,如图3所示。由图 3 可知,该海域声速剖面图可分为混合刘敏等:南海声速剖面及其对吊放声纳作用距离的影响204舰 船 电 子 工 程2023 年第 5 期层,主跃层和深海等温层。混合层由于风浪和湍流作用温度较为均匀,声速主要影响因素为压强,故形成了正声速梯度变化。随着深度的增加,进入主跃层后,风浪作用显著减小,温度影响增强,该范围内水体得不到来自阳光的热量补充,进而随深度增加,温度逐渐减小,形成负声速梯度。声速/(m/s)1480149015001510152015301540050
13、01000150020002500深度/m图3测试点典型声速剖面结构图(2021/2/21,上图为北纬21.058,东经118.971)另外,Munk SOFAR声道声速剖面图最重要的特点之一是存在一个声速极小值,其所在深度称为声道轴,在声道轴的上下方分别会出现声速负梯度以及声速正梯度。通过折射定律可知,声线的传播轨迹,会弯向声速减小的方向,因此声道内的小掠射角声线将由于声速梯度的变化被限制于声道内传播,非常有利于水声信号的远距离传播。通过对十个月的数据按月分组,剔除第一个样本(采集深度过浅,只有294.6m),然后进行月平均,得到2020年7月26日至2021年5月3日期间内每月平均声道轴深
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