極地水聲環(huán)境

極地地理位置獨特氣候寒冷，海洋表面的浮冰不僅影響衛(wèi)星通信，同時也隔絕了大氣與海水的熱交換，因此形成了特殊的聲場環(huán)境。北冰洋的海冰覆蓋面積通常在每年的?3?月份達到最大值，在?9?月份達到最小值。近?30?年間，由于全球變暖，使北極海冰覆蓋面積逐年遞減，厚度變薄。研究表明，北冰洋中心地帶的多年海冰在?20?年內(nèi)，厚度由?3.1?米減小至?1.8?米。

海冰對冰下聲傳播的影響，主要體現(xiàn)為?2?個方面：①海冰作為彈性介質(zhì)，會有一部分聲能透射其中，導致海水中聲能量的損失；②海冰-海水粗糙界面對聲波具有散射作用。通常低頻段聲波傳播損失主要來源于第一種原因；而隨著頻率升高，第二種原因的影響逐漸凸顯。研究表明，當聲波頻率達到?900?Hz?以上時，冰層的散射成為影響冰下聲傳播的主要因素。

北冰洋海冰密集區(qū)水下聲速剖面結(jié)構(gòu)呈正梯度，聲道軸位于冰層覆蓋的海面或其附近。向上折射的聲線在冰層下表面處產(chǎn)生反射，形成了具有較強的頻率選擇性的半聲道波導，優(yōu)勢傳播頻段為?15—30?Hz。由于北冰洋航運噪聲較低，且冰層隔絕風的影響，冰下噪聲較開闊海域零級海況低。但冰塊之間的碰撞和冰脊破裂使冰下噪聲劇烈起伏。

2000?年以后，由于氣候變暖，北冰洋夏季海冰的范圍和厚度迅速減少。北極地區(qū)多年冰的比例大幅下降，只占北冰洋冰的?30%，初年冰的比例上升。氣候變暖不僅影響海冰分布，同樣引起冰下水體結(jié)構(gòu)變化。由于暖水團的侵入，在表層冷暖混合水和中層冷水之間形成了“波弗特海透鏡”，因此在經(jīng)典的半波導聲道下，100—200?米深度之間形成了新的穩(wěn)定聲信道，該聲信道可以使中頻聲吶作用距離由?100?千米提高到?400?千米以上。

國外研究進展

極地水聲信號處理較其他水聲研究起步晚，主要服務于北極海域的軍事活動。美國對北極冰下水聲理論與軍事應用的研究始于二戰(zhàn)結(jié)束的?1946?年。美國海軍北極潛艇實驗室建立了北極聲學野外工作站，相關冰下聲吶技術(shù)研究成果幫助鸚鵡螺號核潛艇于?1958?年成功由冰下到達北極點。而蘇聯(lián)和北極水聲探測有關的活動，則開始于?20?世紀?50?年代末。60?多年來，北極被譽為“天然棱堡”，其冰層成為戰(zhàn)略導彈核潛艇的天然掩體。

早期極地水聲學研究依托建立在漂流冰面上的觀測站開展，主要目的是了解北冰洋的水聲環(huán)境，從而支持潛艇的冰下活動。冷戰(zhàn)結(jié)束后，美國和俄羅斯曾于?1994—2001?年合作開展北極氣候變化觀測的?ACOUS（Arctic Climate Observations using Underwater Sound）試驗（圖?1）。自?2007?年俄羅斯北極海底“插旗”宣誓主權(quán)事件后，美國及西方盟友開始實施新的北極戰(zhàn)略以確保其在北極事務中的領導地位。美國相繼推出了“海軍北極戰(zhàn)略目標”（2010?年）、“北極地區(qū)國家戰(zhàn)略”（2013?年）、“國防部北極戰(zhàn)略”（2013?年）、“北極地區(qū)國家戰(zhàn)略實施計劃”（2014?年）和“美國海軍北極路線圖2014—2030”（2014?年）系列北極戰(zhàn)略計劃，并針對全球氣候變化中的北極環(huán)境開展了大規(guī)模研究。鑒于水聲環(huán)境對開發(fā)利用北極的重要性，同時冷戰(zhàn)時期所獲取的北極聲學規(guī)律已“過時”，美國推出了加拿大海盆聲傳播試驗?CANAPE?等相應的研究計劃，力求通過對水聲環(huán)境效應適配處理理論與方法的長期研究，確定“新”北極海域冰-海作用下水聲及聲吶信號處理的新模式及新參數(shù)（圖?2）。研究成果主要集中在北極長期聲學監(jiān)測、冰下導航以及通信組網(wǎng)等技術(shù)領域。

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