海洋对反潜战2421行动的影响

在20世纪50年代中期，RAN首次认识到对专业海洋学专业知识的需求反潜战(ASW)飞机首先在HMAS MELBOURNE航空母舰上操作。墨尔本号上的气象官员向塘鹅中队提供战术海洋学建议，使用海洋的深海热成像观测作为声纳性能预测的基础。这个建议被塘鹅号船员用来确定配备水听器的浮标(声纳浮标)的最佳部署，他们用它来探测和跟踪潜艇。

在进行这些声学评估时，必须考虑海洋的温盐结构对声音在水中传播的影响。温度、盐度和压力对声速的影响如下:

•温度-声速在温暖的水中更高(每1°C 4 ms-1)

•盐度-声速在盐水中更高(1.4 ms-1 / 1psu)

•深度声速在更大的压力下更高(1.7 ms-1 / 100米)

声波在水中的传播可以通过想象声音在均匀介质中的直线传播来理解(“光线轨迹”方法)(Urick 1983)。声射线的折射由斯涅尔定律描述，该定律指出，当射线穿过两种介质之间的边界时，其传播速度(v)不同:

在6。， 6r为入射角和折射角。这意味着海洋中的声音被折射到声速较低的区域。折射的程度也与频率有关，频率越高折射的程度越大。斯涅尔定律可以定性地应用，以了解水柱的声学特性，从而确定最佳策略，如搜索或逃避计划。它也可以定量地应用于声纳距离预测模型，如RAN的“战术环境支持系统版本2”(TESS 2)。这些模型基于海洋声学、声纳系统的性能特征(如工作频率、发射功率、脉冲长度、处理损失和增益等)和目标特征(如目标强度、深度、方向等)来估计探测距离。光线追踪模型通常被发现在中高频(1-2 kHz以上)能给出很好的结果。这些频率通常由主动声纳使用，主动声纳发射声能脉冲，并检测其回波(与被动声纳不同，被动声纳检测来自目标的辐射噪声)。主动声纳安装在船只和潜艇上，可以从飞机上作为声纳浮标部署，如果是直升机，则可以在绞车上部署(“倾斜”声纳)。

考虑一个典型的海洋热剖面，例如图24.2所示的塔斯曼海中部的热剖面。该剖面来自“机会之船计划”(SOOP)数据集，从综合海洋观测系统(IMOS)海洋门户网站中提取。顶部20 ~ 30 m为混合层等温剖面。在这里，温度和盐度是恒定的，但压力会随着深度的增加而增加，导致声速略有增加。这将产生向上折射声波的效果。如果声音的频率足够高，与混合层的深度相比，声波射线以与水平方向的小角度穿过水中，将向上折射到水面，在那里它们将被反射。反射后，光线再次向上折射到表面。这具有将声波能量捕获在表面“管道”中的效果，这可以产生低声损失，因此范围很长。因为频率越高折射越多，就会有一个“截止”频率，低于这个频率，声波能量就不会被困在声波中

2009年1月27日19:08:00在lat/lon(-36.8165/156.9538)线PX34悉尼-惠灵顿推出的XBT(88605242)的温度剖面

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温度(摄氏度)

图24.2典型的海洋热剖面，摄于塔斯曼海中部。(数据来自机遇之船计划(SOOP)，并从国际海事组织海洋门户网站获得)

导管。如果表面风很轻，由于反射散射造成的表面损失将很低，并且可能有很长的范围。为了利用这种管道效应，ASW护卫舰上的舰载主动声纳通常被设计成在高到足以被水面管道捕获的频率下工作，以最大限度地探测浅层潜艇。

在混合层以下，温跃层区的水变得更冷。在30 m左右的混合层底部和100 m左右的温跃层底部之间，温度下降了约7℃(图24.2)。这意味着由于压力的增加，声速将增加约1.7 ms-1，但由于压力的增加，声速将下降约28 ms-1降低温度．总的来说，声速有很大的下降，这意味着声能会向下折射。在100米到800米之间，每百米温度下降约1°C(图24.2)，这意味着声速每百米将下降约2.3 ms-1。在混合层以下的水柱中，这些不同的影响导致向下折射的剖面，在大气中更强主要温跃层区域，这意味着声波能量会被折射到海底。如果海床对相应频率的声能有良好的吸收作用，则声波传播一般较差。

2009年1月27日19:08:00在lat/lon(-36.8165/156.9538)线PX34悉尼-惠灵顿推出的XBT(88605242)的温度剖面

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温度(摄氏度)

图24.2典型的海洋热剖面，摄于塔斯曼海中部。(数据来自机遇之船计划(SOOP)，并从国际海事组织海洋门户网站获得)

图24.3 2008年3月31日经东经155°塔斯曼海的声速剖面。数据来自澳大利亚海洋预报模型(OFAM)。在南纬32°左右有明显的反气旋涡旋)

虽然图24.2所示的剖面延伸到850米左右，但该位置的水深约为5000米。在850米以下，会有一个点，温度下降引起的声速下降被压力增加引起的声速增加所抵消。在等温水中，很明显，声速会随着深度的增加而增加，声能会开始向水面折射。

图24.3显示了在经度155°E，从30°S到40°S通过塔斯曼海的声速横截面。温度和盐度数据来自2008年3月31日的澳大利亚海洋预报模型(OFAM) (Brassington et al. 2007)，并使用Mackenzie方程(Mackenzie 1981)转换为声速。在1200米左右的深度存在声速最小值，而在此深度以下，由于温度的小下降和声速的增加，声速增加压力。在深度时，声速增加值与地表声速增加值相似。1200米处的声速最小与声道有关，这是一个非常低损耗的路径。在1200米以上，声音倾向于向下折射，朝向信道轴。在1200米以下，声音倾向于向上折射，同样是向通道轴方向。因此，1200米的深度是放置水听器的一个很好的深度，以便在潜艇的声学探测中利用这一低损失路径。

当深度声速超过表面声速时，就会出现“辐合区”。这是一个围绕声源的环，通常半径约为25英里，在这里声音被苛性效应聚焦。这种声能在地表附近的集中提供了大大增加探测范围的机会，甚至有可能出现多个收敛区，从而实现更远距离的探测。

除了到目前为止讨论的声速垂直梯度外，声速水平梯度是由与锋和涡流相关的温度和盐度梯度引起的，这些也会对海洋的声学特性产生很大影响。例如，一个反气旋(暖核)涡旋的中心会有温暖的水，因此会有一个与涡旋相关的声速横向梯度。在图24.3中可以看到一个反气旋涡旋，在32°S左右，与之相关的声速最大值在深度约200 m处。如果涡流外的水面舰艇使用主动声纳在涡流中心搜索潜艇，声音将被折射远离潜艇，降低被发现的概率。同样，如果舰艇和潜艇位于海洋前沿的两侧，探测范围将大大缩小。

本节中所描述的声学效应是众所周知的，长期以来一直是海军海洋学家主要关注的问题。最新进展操作海洋学开始提供非常详细的海洋数据，使声学评估和预测能够以大大提高的空间和时间分辨率进行，适用于战术应用。例如，一艘希望躲避声波探测的潜艇可以利用这些海洋数据来确定混合层下面温跃层中的一个位置，那里的水不太深，底部是低频噪声的良好吸收器。这将确保其辐射噪声被引导到海底，在那里被吸收，从而最小化反探测范围。反潜战飞机可以使用高分辨率海洋数据来识别近水面声音通道，在声纳浮标上部署水听器或将声纳浸入通道，以实现最大的探测范围。前沿和涡流位置的知识使反潜战护卫舰能够设计最有效的搜索计划，并配备对探测范围的准确评估。这些只是几个例子，说明现在可以获得的丰富的海洋数据如何为激发海军海洋学家和战术家的聪明才智提供了大量机会。

除了温度和盐度，洋流对反潜战也有影响，海军部队应该考虑到这一点。潜艇可以利用水流来提高在地面上的速度，同时保持发动机的低功率(因此可以安静地运行)。在某些情况下，特别是在澳大利亚地区，洋流可以以3或4节的速度运行(Roughan和Middleton 2002)，因此这种影响可能是显著的。在声纳距离预测系统中，洋流也可以被考虑在内，比如RAN的TESS 2，因为它们会影响声速。

继续阅读:两栖作战

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