強(qiáng)聲源對(duì)低頻主動(dòng)拖線陣聲納的干擾效果研究＊

何 彪 韓樹平

（海軍潛艇學(xué)院學(xué)員三隊(duì)1） 青島 266042）（海軍潛艇學(xué)院水聲中心2） 青島 266042）

1 引言

日益發(fā)展的降噪技術(shù)使得傳統(tǒng)的被動(dòng)拖線陣聲納對(duì)水下目標(biāo)的探測(cè)能力大幅下降，也催生了低頻主動(dòng)拖線陣聲納，其組成示意圖如圖1所示［1］。由于工作在低頻，并且是遠(yuǎn)距離探測(cè)，其發(fā)射基陣較大，發(fā)射功率也較高，具有不依賴水下目標(biāo)的輻射噪聲，遠(yuǎn)距離警戒等特點(diǎn)［2］。常規(guī)的水聲對(duì)抗器材由于受到工作時(shí)間、干擾范圍等的限制無法對(duì)其形成有效的干擾，而裝載在水面船舶上的強(qiáng)聲源（聲源級(jí)大于180dB）克服了上述缺點(diǎn)。本文提出使用強(qiáng)聲源對(duì)低頻主動(dòng)拖線陣聲納進(jìn)行壓制性干擾的方法，對(duì)影響其干擾效果的幾個(gè)因素進(jìn)行了仿真分析。

圖1 低頻主動(dòng)拖線陣聲納示意圖

2 強(qiáng)聲源對(duì)低頻主動(dòng)拖線陣的干擾

在噪聲背景下，低頻主動(dòng)拖線陣聲納受到強(qiáng)聲源干擾時(shí)的聲納方程為其中，SL為低頻主動(dòng)拖線陣聲納發(fā)射陣的發(fā)射聲源級(jí)，TL（R）為水下目標(biāo)與低頻主動(dòng)拖線陣聲納之間的距離為R時(shí)的傳播損失，TS為目標(biāo)強(qiáng)度，DI為低頻主動(dòng)拖線陣聲納接收陣的接收指向性指數(shù)，DT為低頻主動(dòng)拖線陣聲納接收陣的檢測(cè)閾，NL1為干擾噪聲級(jí)，定義為［3～6］

式中，NL為環(huán)境噪聲級(jí)，SLj為強(qiáng)聲源的干擾聲源級(jí)，Δfj為強(qiáng)聲源的工作帶寬，ΔfT為低頻主動(dòng)拖線陣聲納接收陣的接收帶寬，假定Δfj＝ΔfT，TL（rj）為強(qiáng)聲源到低頻主動(dòng)拖線陣聲納的距離為rj時(shí)的傳播損失，D（θ）為低頻主動(dòng)拖線陣聲納接收陣的指向性函數(shù)，使用D（θ）中相鄰兩個(gè)極小值方向夾角的分角線方向來近似旁瓣的方向［3，7］，可得式中，N為低頻主動(dòng)拖線陣聲納接收陣的陣元個(gè)數(shù)，dr為低頻主動(dòng)拖線陣聲納接收陣的陣元間距，λ為發(fā)射聲信號(hào)的波長，k為低頻主動(dòng)拖線陣聲納接收陣波束的旁瓣序號(hào)（k＝0表示主瓣）。由于需要滿足sinθ＝λ（k＋0.5）／（Ndr）≤1，故k的取值范圍應(yīng)為［0，Ndr／λ－0.5］。強(qiáng)聲源處于哪一個(gè)旁瓣，k就取相應(yīng)的值，旁瓣序號(hào)k使用下式計(jì)算

其中，θt為水下目標(biāo)相對(duì)于低頻主動(dòng)拖線陣聲納接收陣的方位角，θj為強(qiáng)聲源相對(duì)于低頻主動(dòng)拖線陣聲納接收陣的方位角，round（·）函數(shù)的定義如下

從式（4）可以看到，旁瓣序號(hào)k和水下目標(biāo)與強(qiáng)聲源之間的方位開角｜θt－θj｜大致相對(duì)應(yīng)，｜θtθj｜越大，k的取值越大。將NL1帶入式（1）化簡得

假定傳播距離小于2km時(shí)以球面波傳播，而當(dāng)傳播距離大于2km時(shí)以柱面波傳播，忽略吸收損失，則當(dāng)?shù)皖l主動(dòng)拖線陣聲納的探測(cè)距離R（km）滿足R≥2km時(shí)有

代入式（6）可得

當(dāng)DI和DT為定值時(shí)，M為常數(shù)，從式（9）可見R與 10SL／20、10TS／20和 10TL（rj）／20呈正比關(guān) 系，與10SLj／20和｜D（θ）｜呈反比關(guān)系。

3 干擾效果仿真分析

設(shè)低頻主動(dòng)拖線陣聲納的工作頻率為1kHz，接收陣的陣元數(shù)N＝64，陣元間距dr＝0.75m，發(fā)射陣的發(fā)射聲源級(jí)SL＝210dB，發(fā)射脈沖寬度T＝2s，強(qiáng)聲源的干擾聲源級(jí)SLj＝185dB，4級(jí)海況時(shí)在1kHz工作頻率上的環(huán)境噪聲級(jí)NL＝70dB［8］，強(qiáng)聲源開始工作之后使得低頻主動(dòng)拖線陣聲納接收陣在虛警概率Pf＝10－5時(shí)的檢測(cè)概率由Pd＝0.9下降為Pd＝0.1。由上述假設(shè)條件可知，低頻主動(dòng)拖線陣聲納接收陣的指向性指數(shù)DI＝10lgN≈18dB。

當(dāng)?shù)皖l主動(dòng)拖線陣聲納的接收陣使用匹配濾波器對(duì)回波進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，低頻主動(dòng)拖線陣聲納接收陣的檢測(cè)閾DT＝10lg（d／2T）［9，11］，其中T為確知回波的波形寬度，d為檢測(cè)指數(shù)，滿足d＝［Φ－1（Pd）－Φ－1（Pf）］2，Φ（·）為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)，計(jì)算得DT＝3.5dB。設(shè)被探測(cè)目標(biāo)強(qiáng)度TS＝25dB。

基于以上條件，針對(duì)影響強(qiáng)聲源干擾低頻主動(dòng)拖線陣聲納效果的因素—低頻主動(dòng)拖線陣聲納接收陣波束的旁瓣、強(qiáng)聲源到低頻主動(dòng)拖線陣聲納的距離以及強(qiáng)聲源的干擾聲源級(jí)，以低頻主動(dòng)拖線陣聲納的探測(cè)距離R為指標(biāo)，對(duì)干擾效果進(jìn)行仿真分析。

3.1 旁瓣對(duì)干擾效果的影響

取強(qiáng)聲源到低頻主動(dòng)拖線陣聲納的距離rj＝5nmile（海里），目標(biāo)相對(duì)于低頻主動(dòng)拖線陣聲納的方位角θt＝0°，低頻主動(dòng)拖線陣聲納接收陣波束的旁瓣序號(hào)k在［0，31］范圍內(nèi)變化時(shí)，低頻主動(dòng)拖線陣聲納的探測(cè)距離R的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 旁瓣序號(hào)k對(duì)聲納探測(cè)距離R的影響

由圖2可知隨著低頻主動(dòng)拖線陣聲納旁瓣序號(hào)k的增加，低頻主動(dòng)拖線陣聲納的探測(cè)距離R逐漸增大，干擾效果逐漸變差。目標(biāo)和強(qiáng)聲源之間的方位開角｜θt－θj｜越大，旁瓣序號(hào)k越大，從而干擾效果就越差。

3.2 強(qiáng)聲源到低頻主動(dòng)拖線陣聲納的距離對(duì)干擾效果的影響

取強(qiáng)聲源相對(duì)于低頻主動(dòng)拖線陣聲納的方位角θj＝10°，在目標(biāo)相對(duì)于低頻主動(dòng)拖線陣聲納的方位θt在（－90°，90°）范圍內(nèi)變化，強(qiáng)聲源到低頻主動(dòng)拖線陣聲納的距離rj的取值為｛2nmile，5nmile，8nmile｝時(shí)，低頻主動(dòng)拖線陣聲納的探測(cè)距離R的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 距離rj對(duì)聲納探測(cè)距離R的影響

圖4 干擾聲源級(jí)SLj對(duì)聲納探測(cè)距離R的影響

由圖3可以看到，隨著強(qiáng)聲源到低頻主動(dòng)拖線陣聲納的距離rj的增加，低頻主動(dòng)拖線陣聲納的探測(cè)距離R呈增大的趨勢(shì)，干擾效果變差。目標(biāo)和強(qiáng)聲源之間的方位開角越?。é萾≈θj），即強(qiáng)聲源越靠近低頻主動(dòng)拖線陣聲納接收陣波束的主瓣，干擾效果就越好。這與3.1節(jié)中的結(jié)論相吻合。

3.3 干擾聲源級(jí)對(duì)干擾效果的影響

取強(qiáng)聲源到低頻主動(dòng)拖線陣聲納的距離rj＝2nmile，強(qiáng)聲源相對(duì)于低頻主動(dòng)拖線陣聲納的方位角θj＝10°，當(dāng)目標(biāo)相對(duì)于低頻主動(dòng)拖線陣聲納的方位θt在（－90°，90°）范圍內(nèi)變化，強(qiáng)聲源的干擾聲源級(jí)SLj的取值為｛180dB，190dB，200dB｝時(shí)，低頻主動(dòng)拖線陣聲納的探測(cè)距離R的變化規(guī)律如圖4所示。

由圖4可以看到，隨著強(qiáng)聲源的干擾聲源級(jí)SLj的增加，低頻主動(dòng)拖線陣聲納的探測(cè)距離R呈減小的趨勢(shì)，干擾效果有較大的改善。

4 結(jié)語

本文提出了使用裝載在水面船舶上的強(qiáng)聲源對(duì)低頻主動(dòng)拖線陣聲納的探測(cè)進(jìn)行壓制性干擾的方法，并就低頻主動(dòng)拖線陣聲納接收陣波束的旁瓣、強(qiáng)聲源到低頻主動(dòng)拖線陣聲納的距離以及強(qiáng)聲源的干擾聲源級(jí)等三個(gè)因素對(duì)低頻主動(dòng)拖線陣聲納探測(cè)距離的影響進(jìn)行了仿真分析。通過仿真結(jié)果可以看出，對(duì)于低頻主動(dòng)拖線陣聲納特定的探測(cè)聲源級(jí)，當(dāng)強(qiáng)聲源的干擾聲源級(jí)較高、強(qiáng)聲源與低頻主動(dòng)拖線陣聲納之間的距離較近、強(qiáng)聲源盡量靠近低頻主動(dòng)拖線陣聲納波束主瓣時(shí)，可以有效降低低頻主動(dòng)拖線陣聲納的探測(cè)距離，取得較為理想的干擾效果。由于裝載強(qiáng)聲源的船舶能耗、安全性等條件的限制以及對(duì)被探測(cè)目標(biāo)先驗(yàn)信息的缺失，應(yīng)該根據(jù)客觀實(shí)際對(duì)上述影響干擾效果的因素進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇。

［1］A.D.Waite.實(shí)用聲納工程［M］.王德石，等譯.第三版.北京：電子工業(yè)出版社，2004：256～260

［2］凌國民.海洋水聲監(jiān)視技術(shù)［J］.聲學(xué)與電子工程，2001（1）：1～6

［3］夏志軍，章新華，張玉珊，等.噪聲干擾器對(duì)抗魚雷主動(dòng)聲吶效果研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2008，30（4）：161～164

［4］王嚴(yán)輝，周明，趙向濤，等.寬帶噪聲干擾器對(duì)被動(dòng)聲吶的干擾作用研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2008，30（3）：127～130

［5］周明，初磊.高頻噪聲干擾器干擾主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷仿真研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，2010，31（3）：327～330

［6］楊日杰，高學(xué)強(qiáng)，韓建輝.現(xiàn)代水聲對(duì)抗技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008：21

［7］宋志杰，史秋亮，韓梅，等.潛艇水聲對(duì)抗原理與應(yīng)用［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2002：88～90

［8］惠俊英，生雪莉.水下聲信道［M］.第二版.北京：國防工業(yè)出版社，2007：20～22

［9］朱埜.主動(dòng)聲吶檢測(cè)信息原理［M］.北京：海洋出版社，1990：12～13

［10］蘆俊，朱衛(wèi)良，毛偉民，等.基于虛擬儀器的直接頻率合成器相位噪聲測(cè)量［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2010，38（9）

［11］陸銘華.艦艇作戰(zhàn)模擬理論與方法［M］.北京：海軍出版社，2000：100