探雷聲納作用距離預(yù)報(bào)建模與仿真*

肖 軍，王旭升，姜可宇

(1.解放軍91388部隊(duì)，廣東 湛江 524022;2.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033)

隨著水雷技術(shù)的發(fā)展，水雷戰(zhàn)已經(jīng)成為水下聲信息戰(zhàn)的一個重要方向，水雷探測也變得越來越重要。到目前為止，國內(nèi)水雷探測的最有效設(shè)備是探雷聲納。探雷聲納作用距離作為聲納重要戰(zhàn)技指標(biāo)之一，是掃雷艦制定航線間隔的重要依據(jù)。

由于以反潛為目的的聲納作用距離相對較遠(yuǎn)，聲納的反潛搜索區(qū)域一般根據(jù)聲納方程作粗略估計(jì)［1］。而探雷聲納工作頻段為高頻，布雷海域?yàn)闇\海，由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性，聲納作用距離受到很大的限制。為了能高效地掃清某片海域，需要對聲納作用距離進(jìn)行精確預(yù)報(bào)。

文章根據(jù)聲納基陣的三維指向性函數(shù)，利用聲納方程對考慮波束實(shí)際指向的探雷聲納作用距離進(jìn)行了有效預(yù)報(bào)，研究結(jié)果對于指導(dǎo)探雷聲納的作戰(zhàn)使用具有重要意義。

1 探雷聲納基陣三維指向性

1.1 三維指向性函數(shù)

探雷聲納屬于收發(fā)合置型聲納，發(fā)射陣和接收陣均由具有一定長度和寬度的平板陣元線性排列組成。在計(jì)算指向性函數(shù)時，可以認(rèn)為基陣由一組平板陣和一個均勻線列陣組合而成，分別計(jì)算平板陣和均勻線列陣的指向性函數(shù)，利用Bridge乘積定理即可獲得發(fā)射陣和接收陣的指向性函數(shù)。鑒于發(fā)射陣與接收陣具有相同的指向性函數(shù)形式，本文以發(fā)射陣為例。

圖1 探雷聲納發(fā)射基陣示意圖

圖1 所示為探雷聲納發(fā)射基陣示意圖，以基陣中心o為原點(diǎn)建立三維直角坐標(biāo)系，基陣陣元沿X軸線性排列。取三維空間中任意一點(diǎn)M，定義oM在XOY面上的投影與OY軸正軸的夾角為α，oM與OZ軸正軸的夾角為γ。每個陣元具有一定的長度和寬度，可以認(rèn)為單個陣元為小型平板陣，N個陣元在X軸上線性排列構(gòu)成均勻線列陣。假設(shè)陣元平板長度為a，寬度為b，則對于空間中任意一點(diǎn)M，平板陣的三維指向性函數(shù)可表示如下［2］:

對于均勻線列陣，假設(shè)陣元數(shù)為N，陣元間距為d，波長為λ，則均勻線列陣在XOY面上的平面指向性函數(shù)可表示如下:

式中，β為oM在XOY面上的投影與OX軸正軸的夾角，根據(jù)對應(yīng)關(guān)系可知，β=90°－α。根據(jù)式(1)與式(2)，對于空間中任意一點(diǎn)M，已知角度α和γ，即可確定oM方向的指向性函數(shù):

1.2 三維波束圖

假設(shè)基陣發(fā)射陣陣元平板長0.08m，寬0.01m，陣元間距 0.01m，個數(shù)為 16，α∈(0°，360°)，β∈(0°，90°)。根據(jù)波束的三維指向性函數(shù)形式，即可仿真實(shí)現(xiàn)發(fā)射陣的單波束三維波束圖。

圖2為探雷聲納發(fā)射陣單波束三維波束圖。從圖中可以看出，波束的主瓣近似呈尖細(xì)的扇片狀。定義X軸方向?yàn)椴ㄊ乃椒较?，Y軸方向?yàn)椴ㄊ拇怪狈较?。取圖2中指向性函數(shù)值的水平方向和垂直方向值，即可分別得到發(fā)射陣水平方向和垂直方向的單波束指向性圖，并獲得對應(yīng)的－3dB和－6dB單波束寬度，如圖3所示。

圖2 發(fā)射陣單波束三維波束圖

2 探雷聲納作用距離預(yù)報(bào)模型

2.1 主動聲納方程

探雷聲納屬于收發(fā)合置型主動聲納。工作時，如果接收到的目標(biāo)回波信號級與背景干擾級之差剛好等于檢測閾，此時設(shè)備剛好能夠正常工作，否則不能正常工作。

假設(shè)輻射聲源級為SL，目標(biāo)強(qiáng)度為TS，從聲源到目標(biāo)的傳播損失為TL，檢測閾為DT，接收陣指向性為DI，背景干擾級主要為海洋環(huán)境噪聲和海底混響，海洋環(huán)境噪聲級為NL，等效平面波混響級為RL。相應(yīng)的主動聲納方程如下:

從式中可以看出，假設(shè)檢測閾確定，式(4)中等式剛好成立時的聲納探測距離即為對應(yīng)海洋環(huán)境下聲納的最大作用距離。

圖3 發(fā)射陣水平方向和垂直方向指向性圖

2.2 海底混響級

圖4 單波束照射海底區(qū)域模型

探雷聲納工作環(huán)境為淺海，海底混響為聲納工作的主要背景干擾。圖4所示為聲納單波束照射海底區(qū)域模型?？紤]到單波束的實(shí)際形狀，波束照射的海底區(qū)域不能簡單當(dāng)成扇形來處理，而應(yīng)該是一個近端飽滿、遠(yuǎn)端尖細(xì)的不對稱橢圓。如圖4所示，以基陣中心O點(diǎn)為原點(diǎn)建立三維直角坐標(biāo)系，使三維波束的中心軸線方向與OZ軸方向重合，中心軸線與海底的交點(diǎn)為Oa，OaYa軸位于OY軸在海底的投影線上，假設(shè)點(diǎn)M為三維單波束在海底照射區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)，角度γ為中心軸線OOa與聲線OM對應(yīng)出射角的差值，與圖1中的γ相對應(yīng)。對于一個確定的γ角，波束會在海底形成一條過M點(diǎn)的寬度為τ的混響圓環(huán)。將圓環(huán)對應(yīng)的水平角度細(xì)分，即可獲得每個面元對應(yīng)的水平角度α，利用探雷聲納三維波束指向性函數(shù)P(α，γ)，即可求出面元在對應(yīng)聲線出射方向的指向性函數(shù)值。根據(jù)海底混響的理論公式，每個面元對應(yīng)的海底混響強(qiáng)度可表示如下［3～5］:

式中，SL為聲源級，Sb為海底反向散射強(qiáng)度，Sa為吸收衰減，r為聲納的探測距離，dA為面元對應(yīng)的面積，P(α，γ)為面元相對基陣方向的指向性函數(shù)值。

2.3 目標(biāo)回波級

主動聲納通過接收來自目標(biāo)的回聲信號實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測。目標(biāo)強(qiáng)度從聲強(qiáng)度的角度描述了目標(biāo)聲散射本領(lǐng)的大小，本文以球形錨雷為例，其目標(biāo)強(qiáng)度可由Ts=10lg(R2/4)求出，R為球形目標(biāo)的半徑。

圖5所示為目標(biāo)回波級計(jì)算模型圖，由于錨雷體積較小，探測時可以把錨雷當(dāng)成一個點(diǎn)目標(biāo)，這樣就可以把錨雷目標(biāo)放在海底照射范圍的網(wǎng)格中。

與海底混響級計(jì)算類似，沉底雷目標(biāo)回波級的計(jì)算模型可表示如下:

圖5 目標(biāo)回波級計(jì)算模型

式中，SL為聲源級，Sa為吸收衰減，Ts為沉底雷目標(biāo)強(qiáng)度，r為聲納的探測距離，P(α，γ)為面元相對基陣方向的指向性函數(shù)值。

2.4 海洋環(huán)境噪聲級

海洋環(huán)境噪聲級復(fù)雜多變，它與艦艇航速、海域位置、水聽器位置等因素都有關(guān)系，因此很難直接估計(jì)環(huán)境噪聲級的大小。

本文對環(huán)境噪聲級采用如下估算方式:從實(shí)際聲圖像出發(fā)，觀察實(shí)際聲圖像中接收信號的強(qiáng)弱變化，如果在某個距離上，接收信號強(qiáng)度不再隨距離變化有明顯變化，則環(huán)境噪聲級可用該距離上的海底混響級來代替。圖6左圖所示為在南海某海域獲得的聲圖像，水平方向代表探雷聲納的32路波束，縱坐標(biāo)代表探雷聲納的探測距離。從左圖可以看出，探測距離600m以前，海底混響為背景干擾的主要成分，600m以后，海洋環(huán)境噪聲取代混響成為主要的背景干擾。因此該海域的環(huán)境噪聲級可以用600m處的海底混響級代替。假設(shè)聲納基陣水平角45°，俯仰角0°，海深45m，海水聲衰減系數(shù)25dB/km，海底反射強(qiáng)度 －35dB［6］，混響環(huán)帶細(xì)分角度為0.02°，聲速梯度值參考文獻(xiàn)［7］。根據(jù)式(5)，單波束海底混響級曲線如圖6右圖所示。對應(yīng)左圖，相同海洋環(huán)境下600m處的海底混響級仿真值近似為42dB。

圖6 環(huán)境噪聲級計(jì)算示意圖

2.5 作用距離數(shù)值預(yù)報(bào)

根據(jù)主動聲納方程，已知了海底混響級、環(huán)境噪聲級和目標(biāo)回波級，就可以對特定海洋環(huán)境下的探雷聲納作用距離進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)。

本文對東海某海域的聲納作用距離預(yù)報(bào)結(jié)果如圖7所示。假設(shè)聲納基陣水平角45°，俯仰角0°，脈寬1ms。檢測閾10dB，海深45m，艦艇航速6kn，海水聲衰減系數(shù)30dB/km，環(huán)境噪聲級為42dB，海底反射強(qiáng)度－35dB，錨雷半徑為0.5m，混響環(huán)帶單元細(xì)分角度為0.02°，典型聲速梯度值參考文獻(xiàn)［7］，經(jīng)仿真計(jì)算，探雷聲納作用距離為650m左右。

圖7 聲納作用距離預(yù)報(bào)示意圖

3 波束指向?qū)β暭{探測性能的影響

以往的文獻(xiàn)在仿真實(shí)現(xiàn)混響級或目標(biāo)回波級時，往往把聲納在海底的照射區(qū)域等效為一個規(guī)則的扇形，且認(rèn)為扇形內(nèi)所有散射面元的指向性全為1。為精確預(yù)報(bào)作用距離，本文通過獲得探雷聲納的三維指向性函數(shù)，仿真了－6dB波束寬度下聲納單波束在海底的實(shí)際照射范圍，并對比了等效波束和實(shí)際波束對聲納探測性能的影響。

3.1 波束指向?qū)５谆祉懹绊?/h3>

圖8所示為等效波束與實(shí)際波束海底照射區(qū)域?qū)Ρ葓D。從圖中可以看出，兩種波束在海底照射范圍差別較大，尤其在近距離端和遠(yuǎn)距離端，這種差別更為明顯。等效波束對應(yīng)的海底照射范圍是一個規(guī)則的扇形，而實(shí)際波束對應(yīng)的照射范圍是一個中心軸線附近飽滿、兩端尖細(xì)的不對稱橢圓。

假設(shè)海深35m，其他仿真條件與圖6相同，根據(jù)圖8所示兩種波束照射范圍，仿真實(shí)現(xiàn)等效波束與實(shí)際波束對應(yīng)的海底混響級變化曲線如圖9所示。從圖中可以看出，實(shí)際波束對應(yīng)的海底混響強(qiáng)度隨探測距離有一個先上升后下降的過程，這是因?yàn)槭艿讲ㄊ螤畹南拗?，波束的垂直角偏移量越小，對?yīng)的混響環(huán)帶越寬，波束對信號的響應(yīng)越大。而由于忽略了波束實(shí)際形狀和各散射面元指向性的影響，等效波束對應(yīng)的海底混響強(qiáng)度在聲納探測距離上近乎線性變化，在相同探測距離上其近似值比實(shí)際值至少高3dB以上，因此為精確計(jì)算海底混響強(qiáng)度，不能忽略波束指向帶來的影響。

圖8 等效波束與實(shí)際波束海底照射范圍對比圖

圖9 等效波束與實(shí)際波束海底混響對比圖

3.2 波束指向?qū)δ繕?biāo)回波的影響

圖10 所示為等效波束與實(shí)際波束不同距離錨雷目標(biāo)回波級的對比圖。海洋環(huán)境參數(shù)與圖6仿真計(jì)算時相同，假設(shè)錨雷半徑為0.5m，錨雷目標(biāo)始終位于波束中心軸線在海底的投影線上。從圖中可以看出，由于兩種波束照射范圍的區(qū)別，等效波束下的目標(biāo)回波級對應(yīng)的隨距離變化曲線與實(shí)際波束相差較大。因此仿真計(jì)算時同樣不能忽略波束指向的影響。

圖10 考慮波束指向與否時目標(biāo)回波級對比圖

3.3 波束指向?qū)β暭{作用距離的影響

取圖7對應(yīng)的仿真參數(shù)，考慮波束指向性與否時聲納作用距離對比圖如圖11所示，圖中虛線和點(diǎn)劃線分別代表等效波束和實(shí)際波束對應(yīng)的作用距離，可以看出，考慮波束指向更能精確預(yù)報(bào)聲納作用距離。

圖11 波束指向?qū)β暭{作用距離的影響

4 結(jié)束語

本文根據(jù)探雷聲納的三維指向性函數(shù)，建立了三維單波束照射海底模型，實(shí)現(xiàn)了探雷聲納作用距離的有效預(yù)報(bào)，并分析了波束指向?qū)μ嚼茁暭{探測性能的影響。研究結(jié)果表明，波束指向?qū)τ诰_預(yù)報(bào)探雷聲納作用距離有重要意義。

［1］ 林福東，杜一平．艦艇編隊(duì)對潛搜索效能分析［J］．火力與指揮控制，2008，16(2):41-43．

［2］ 幸高翔，袁?。嚵行盘柼幚恚跰］．武漢:海軍工程大學(xué)出版社，2006:26-34．

［3］ 蔡平，梁國龍，葛鳳祥．界面混響信號的仿真研究［J］．哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，21(4):31-35．

［4］ 汪忻，姜可宇．探雷聲納圖像仿真技術(shù)［J］．聲學(xué)技術(shù)，2010，35(12):31-32．

［5］ 肖軍，姜可宇．探雷聲納有效搜索帶仿真研究［J］．指揮控制與仿真，2011，33(5):72-75．

［6］ Jackson D R，Andrew M，John J．High-frequency Bottom Backscatter Measurements in Shallow Water［J］．J Acoustic Soc Am，1986，80(4):1188-1199．

［7］ 張旭，張永剛．中國近海聲速剖面的模態(tài)特性［J］．海洋通報(bào)，2010，29(1):29-37．