航空吊放聲納主動方式暴露距離研究*

孫明太，周利輝，秦 鋒

(海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東 青島 266041)

航空吊放聲納是一種重要的航空探潛設(shè)備，具有一些優(yōu)勢，如搜索速度快、工作深度可變。但吊放聲納在主動方式工作時，易在遠(yuǎn)距離被潛艇被動聲納或偵察聲納發(fā)現(xiàn)。為了避免潛艇提前發(fā)現(xiàn)吊放聲納而采取對抗措施，需有效估計吊放聲納主動工作暴露距離［1］。聲納探測距離的估計一般采用水下聲場和聲納方程方法，建立各種聲場計算模型對傳播損失進(jìn)行計算，而聲納方程則主要采用等效平面波聲強(qiáng)(EPWI)定義。在目標(biāo)和吊放聲納處海水介質(zhì)特性阻抗不同時，EPWI聲納方程存在一定的誤差，本文提出聲能量(AE)即平方聲壓時間積分聲納方程體系和高斯束射線Bellhop模型計算吊放聲納主動方式暴露距離。

1 聲能聲納方程

由于在聲源和傳感器處海水介質(zhì)特性阻抗不同時，EPWI聲納方程存在一定誤差。為了消除誤差，可采用均方聲壓(MSP)定義的聲納方程［2-3］。而吊放聲納主動方式發(fā)射聲脈沖時，聲功率并不恒定，因此采用SAP)來定義聲納方程。

設(shè)距離吊放聲納足夠小距離s0(m)處的信號聲壓為q0(t)，潛艇聲納基陣處的信號聲壓為qS(t)，聲能量傳播損失因子為F，則

吊放聲納發(fā)射聲源能量級定義為(括號內(nèi)為單位，re代表參考值):

若在脈沖持續(xù)時間δt內(nèi)功率恒定，設(shè)均方聲壓(MSP)聲源級為SL，則

到達(dá)潛艇聲納換能器x處的信號能量QSE=應(yīng))內(nèi)信號均方聲壓QS恒定，則QSE=QSδt。

聲能量傳播損失為

設(shè)環(huán)境噪聲聲壓為 qN(t)，噪聲能量為 QNE=∫［qN(t)］2dt，噪聲能量級為

1.3.2 護(hù)色劑護(hù)色效果單因素試驗。選用VC 、D-異抗壞血酸鈉、L-半胱氨酸配制成溶液，油梨取果肉時浸泡，并與果肉一起打漿，同時用蒸餾水代替護(hù)色液作空白試驗。綜合考量GB 2760—2014的要求[9]，設(shè)置3種護(hù)色劑濃度添加量，如表1所示。根據(jù)油梨飲料的感官評價指標(biāo)，考察油梨飲料在37 ℃恒溫下貯存7 d后的護(hù)色效果，選取護(hù)色效果較好的3個濃度進(jìn)行正交試驗。

設(shè)聲納陣列輸出信號能量YSE和環(huán)境噪聲譜密度YN分別為f

潛艇聲納信噪比門限(即檢測概率為pr時的信噪比)為Rpr，則檢測閾為

若信號和噪聲服從瑞利分布，且虛警概率為prfa，則

信號余量定義為

聲納優(yōu)質(zhì)因子為

則

利用式(3)、(6)、(9)、(10)計算聲納方程各項，即可根據(jù)式(13)計算潛艇聲納優(yōu)質(zhì)因子FOME，即最大允許傳播損失，與水下聲場計算獲取的傳播損失進(jìn)行比較，即可對吊放聲納主動方式暴露距離進(jìn)行估計。

2 傳播損失計算

傳統(tǒng)射線模型通常受到高頻近似的限制，而且不能有效計算焦散線附近的傳播損失。Porter等人開發(fā)的BELLHOP模式［4］采用高斯射線近似代替幾何射線，能夠較好地處理聲線能量焦散和完全影區(qū)等問題，適用于更低的頻率，并可用于距離相關(guān)條件和復(fù)雜三維環(huán)境下的聲場計算。該模型及其可靠性已得到了充分驗證。模型假設(shè)某一聲線在傳播過程中的聲壓p為

式中，ω為圓頻率;A為沿聲線方向的振幅;φ為垂直于聲線方向的影響函數(shù);s為沿聲線方向的弧長;n為垂直于聲線中心方向的位移;τ為沿聲線的傳播時間。

在柱坐標(biāo)條件下，射線基本方程為

式中，r為距離，z為深度，c為聲速。引入與掠射角θ相關(guān)的中間變量 ξ=cosθ/c和 ζ=sinθ/c，則

引入兩個約束變量u和v來控制高斯射線束的能量分布:

式中，cnn為垂直于聲線方向的二階微分。由此，φ，A可表示為高斯聲線寬度W的函數(shù):

式中，U(θ)為與掠射角θ有關(guān)的聲線振幅的權(quán)重函數(shù)，N為特征聲線的個數(shù)，z0和c0分別為聲源處的深度和聲速。MSP聲納方程體系下的傳播損失可表示為

3 仿真實驗與結(jié)果分析

以直升機(jī)遠(yuǎn)程吊放聲納 Helras為例［5］，其MSP聲源級SL為218dB，取其最低發(fā)射頻率1.311kHz，若發(fā)射脈沖寬度為1s，垂直波束寬度－15°～15°。因此，其聲源聲能級SLE為218dB。

海洋環(huán)境噪聲采用Wenz曲線［6］的數(shù)據(jù)，若潛艇采用偵察聲納，設(shè)窄帶濾波器帶寬為100Hz，則QNE=1.58×1011μPa2s，NLE=102.0dB;若潛艇采用被動聲納探測吊放聲納主動信號，設(shè)被動聲納工作頻段為0.5kHz～5kHz，則 QNE=2.13 ×1013μPa2s，NLE=123.3 dB。

設(shè)潛艇聲納陣列增益AG為10dB，取檢測概率pr=0.7，虛警概率為10－6，則潛艇聲納信噪比門限D(zhuǎn)T為15.8dB，計算可得FOME分別為110.2dB、88.9 dB。

設(shè)海深為70m，海底聲速1677.0m/s，密度1.806g/cm3，海底衰減系數(shù)1.5 dB，吊放聲納水下分機(jī)深度分別為7m和50m，圖1、2分別為負(fù)梯度、負(fù)躍層條件下的聲場分布與傳播損失計算結(jié)果，圖2中負(fù)躍層深度為10m～15m?？梢钥闯?，在負(fù)梯度條件下，與聲源同一深度處的傳播損失較小;在負(fù)躍層條件下，與聲源處于躍層同一側(cè)的聲能比較集中。

圖1 負(fù)梯度條件下吊放聲納深度為7m和50m的傳播損失分布情況

圖2 負(fù)躍層條件下吊放聲納深度為7m和50m的傳播損失分布情況

圖3 為潛艇位于7m和50m深度時的傳播損失與優(yōu)質(zhì)因子。當(dāng)?shù)醴怕暭{工作深度為7m時，不同條件下的暴露距離如表1所示;圖4為吊放聲納暴露距離隨潛艇深度的變化情況(大于50km時以50km計)。

表1 吊放聲納主動方式暴露距離

由圖3、圖4和表1可以看出，在負(fù)梯度和負(fù)躍層條件下，與潛艇處于同一深度時，吊放聲納聲主動工作方式最容易暴露;其他條件相同前提下，潛艇采用偵察聲納探測吊放聲納主動信號的距離約為被動聲納的2～3倍;在負(fù)躍層條件下，當(dāng)?shù)醴怕暭{在躍層以下主動工作方式時，暴露距離較大，這是由于負(fù)躍層和躍層以下的微弱正梯度形成的聲道效應(yīng)，使聲能聚集。

圖3 潛艇深度7m和50m的傳播損失分布與優(yōu)質(zhì)因子

圖4 不同條件下吊放聲納主動方式暴露距離

4 結(jié)束語

吊放聲納發(fā)射主動信號時，信號通常為窄帶信號，易在遠(yuǎn)距離上被潛艇被動聲納或偵察聲納發(fā)現(xiàn)，從而采取相應(yīng)的規(guī)避措施。而對于吊放聲納，由于雙程傳播損失的原因，探測距離遠(yuǎn)小于潛艇發(fā)現(xiàn)主動聲納信號的距離。直升機(jī)使用吊放聲納搜潛必須考慮時機(jī)和場合。吊放聲納適用于其他兵力和搜潛設(shè)備發(fā)現(xiàn)潛艇并提供潛艇信息的前提下進(jìn)行應(yīng)召搜潛，或者用于跟蹤和攻擊前的定位。航空搜潛設(shè)備包括吊放聲納、浮標(biāo)、磁探儀等，各有優(yōu)缺點，采用單一設(shè)備進(jìn)行搜潛往往難以滿足需求。因此，多設(shè)備的協(xié)同搜潛戰(zhàn)術(shù)方法，才能有效提高航空反潛作戰(zhàn)能力。

［1］ 李居偉，徐以成，孫明太．被動定向聲納浮標(biāo)的目標(biāo)運(yùn)動分析［J］．電光與控制，2011(12):31-33．

［2］ Ainslie M A．The Sonar Equation and the Definitions of Propagation Loss［J］．J．Acoust．Soc．Am．，2004，115(1):131-134．

［3］ Ainslie M A．Principles of Sonar Performance Modeling［M］．Berlin:Springer＆ Chichester:Praxis，2010:53-122．

［4］ PORTER M B，BUCKER H P．Gaussian Beam Tracing for Computing Ocean Acoustic fields［J］，J．Acoust．Soc．Am．，1987，82:1349-1359．

［5］ 王魯軍，凌青，袁延藝．美國聲納裝備及技術(shù)［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2011:153-155．

［6］ 笪良龍．海洋水聲環(huán)境效應(yīng)建模與應(yīng)用［M］．北京:科學(xué)出版社，2012:36-43．