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表面波导
表面波导是由海洋表面等温层导致声速剖面微弱正梯度形成的,表面波导可实现水声的远距离传播,因此,表面波导特性及其声传播受到了广泛关注。Baker和 Schulkin基于实验数据给出了表面波导中近距离声传播损失的经验公式;Duan 等分析了声呐在表面波导中主动发射和被动接收时的最优深度,以及表面波导中声波的波达角问题。夏季的表面波导层很薄并且不稳定,存在强烈的时空变异性,是不稳定的信道。在冬季,表面波导较为明显,但当声呐系统在近海面工作时,由于海面混响和近海面噪声的干扰,目标探测距离有限。
表面波导“陷获”声波有频率的要求。所有波导都存在低频截止的问题,即存在一个截止频率——在这个频率以下,声能将不能在波导中远距离有效传播。在典型深海环境中,表面波导层厚度一般小于 50 m,此时,只有声波频率很高时,表面波导才能真正起到波导传播作用。
表面波导泄露
随着潜艇降噪技术的不断发展,潜艇噪声级显著降低。同时,消声瓦的使用,很大程度地减小了中高频主动声呐的探测距离,因此声呐低频化成为对抗安静型潜艇的重要手段。表面波导泄露则是低频信号在深海传播时一种独有的传播现象。
如图 1 蓝色点划线所示,当低频声能在表面波导中传播时,一定条件下有较强的能量可传播至深海“声影区”,从而实现“声影区”内的水下目标检测,具有重要意义。Labianca利用简正波理论刻画了表面波导中的声能量泄漏现象,随后,Murphy 和 Davi又利用射线理论解释了这一现象。此外,Porter 和 Jensen结合实验数据说明了声能量泄漏的重要性。最近,Duan 等分析了表面波导的声绕射现象的物理机理,并给出能量衰减的速度随表面波导厚度和频率变化的表达式。上述研究结果表明,利用表面波导的泄漏能量探测影区中的目标,需要采用低频信号。
会聚区
当声源位于海面附近,以较大的俯角发射的声线,一开始向下弯曲,在深海等温层随着声速的增大,声线逐渐向上弯曲,最后在海面附近会聚。声线弯曲形成的高声强的环带即为通常所说的会聚区。在大约 30—50 km 跨度处形成第一个会聚区,第一个会聚区宽度约为 4 km,随着距离增加而不断增大。
会聚区内的传播以球面方式扩展,有关会聚区声传播的基础研究包括会聚区强度、距离,会聚区内信号相关性、到达结构等。结合 2013 年在我国南海进行的深海声传播实验数据,Li 等分析了深海 1 800 m 以浅、180 km 距离范围内的声场的空间相关性。研究结果表明,当参考声信号位于会聚区时,深海声场的空间相关系数随接收距离和接收深度的分布与传播损失空间分布结构基本一致;实验结果显示各会聚区的水平纵向相关半径与会聚区宽度一致。
由于聚焦增益的原因,会聚区声传播损失小,适合用于远程目标探测。但同时由于会聚区是周期性的出现,虽然探测距离远,但是探测盲区大,且存在会聚区模糊现象。