聲傳感器垂直線陣列測(cè)距技術(shù)研究

沈廣楠+李金平+畢佳宇+張鵬

摘 要：根據(jù)海洋聲速分布特點(diǎn)，分析了基于可靠聲路徑算法的可達(dá)到的最大被動(dòng)水聲探測(cè)距離。通過聲傳感器垂直線陣列接收聲線和最遠(yuǎn)探測(cè)距離，證明了深海環(huán)境可靠聲路徑算法可以實(shí)現(xiàn)聲傳感器垂直線陣列遠(yuǎn)程水聲探測(cè)，通過對(duì)垂直線列陣陣元數(shù)的仿真，表明增加陣元數(shù)能夠提高聲傳感器垂直線列陣的探測(cè)能力。研究結(jié)果為在深海環(huán)境下遠(yuǎn)距離探測(cè)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：可靠聲路徑；垂直線列陣；被動(dòng)測(cè)距；深海探測(cè)

中圖分類號(hào)：TB566 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）02-0007-02

Abstract： According to the characteristics of ocean acoustic velocity distribution， the maximum range of passive acoustic detection based on reliable acoustic path algorithm is analyzed. It is proved that the reliable acoustic path algorithm of deep sea environment can realize the remote acoustic detection of acoustic sensor vertical line array by receiving the sound line and the farthest detection distance of the acoustic sensor vertical line array. The simulation results show that increasing the number of array elements can improve the detection ability of the vertical array of acoustic sensors. The results provide a theoretical basis for remote detection in deep-sea environment.

Keywords： reliable acoustic path； vertical array； passive ranging； deep-sea detection

引言

目前常用的三角法定位技術(shù)對(duì)海洋環(huán)境不均勻性聲線彎曲及波陣面畸變等影響較敏感，且作用距離受限，一般不適合深海遠(yuǎn)距離被動(dòng)定位[1-2]。利用可靠聲路徑理論進(jìn)行被動(dòng)測(cè)距技術(shù)相較于三角法定位具有能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)深海目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確定位的優(yōu)勢(shì)，可以更早地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，對(duì)于深海目標(biāo)被動(dòng)測(cè)距的工程應(yīng)用具有很好的指導(dǎo)意義。本文在研究可靠聲路徑理論的基礎(chǔ)上，分析了聲速剖面對(duì)可靠聲路徑的影響及垂直線列陣布放深度與臨界深度的關(guān)系，通過仿真得到了利用可靠聲路徑算法能夠進(jìn)行目標(biāo)測(cè)距，為進(jìn)一步開展被動(dòng)目標(biāo)定深研究、提高被動(dòng)目標(biāo)定深精度奠定了基礎(chǔ)。

1 聲速剖面模型

影響聲波在海水中傳播速度的主要因素有溫度、鹽度和壓力（深度）等，其中溫度的變化對(duì)聲速的影響最大[3]。通常按溫度參數(shù)可將深海分為表面等溫層、主躍變層、深海等溫層[4-5]。Munk給出了深海典型“三層結(jié)構(gòu)”的理想化聲速剖面模型計(jì)算式，在沒有實(shí)際海洋環(huán)境參數(shù)的情況下，能夠獲得某一海域的聲速，Munk聲速剖面模型計(jì)算式如（1）式[6]。其中，ε=0.00565，η=2（z-z0）/z0，z0表示聲速最小處的深度。

（1）

2 可靠聲路徑

深海中聲速值與海表附近最大聲速值相等處的深度稱之為臨界深度。當(dāng)垂直線列陣布放深度大于臨界深度時(shí)，聲傳播路徑不受近海面效應(yīng)或海底相互作用的影響，將產(chǎn)生可靠聲路徑。若垂直線列陣聲傳器布放在臨界深度以上，聲源到達(dá)聲傳感器之間無直達(dá)聲線，此時(shí)聲線會(huì)在海面產(chǎn)生多次反射折射，聲能量逐漸減弱，若放置于臨界深度以下，聲線傳播時(shí)間短、最先到達(dá)接收點(diǎn)，聲能量傳播損失最少。因此，利用可靠聲路徑方法進(jìn)行計(jì)算，需將垂直線列陣聲傳器布放在臨界深度以下的近海底處。

3 可靠聲路徑算法垂直線列陣探測(cè)距離分析

在不考慮接收門限的情況下，接收陣最上面的水聽器能最先接收到水面目標(biāo)的聲輻射。此時(shí)計(jì)為時(shí)間t0，之后隨著目標(biāo)的接近，接收陣其他陣元也相繼接收到水面目標(biāo)的聲輻射，時(shí)間計(jì)為t1、t2、t3、t4和t5，由相鄰聲傳感器能接收到聲輻射的時(shí)間差△t以及該區(qū)域的聲速剖面即可計(jì)算出水面目標(biāo)的水平距離[7]。根據(jù)可靠聲路徑算法，將垂直陣聲傳感器布放于臨界深度與海底之間，如圖1所示。

在圖1中，3號(hào)水聽器能最先接收到水面目標(biāo)不經(jīng)過海面海底反射（散射）的聲信號(hào)，計(jì)為t0，且海域的聲速剖面已知，即各深度下的c（z）與n（z）（折射系數(shù)）已知，則有

其中c3為接收陣3號(hào)水聽器處的聲速，z3為3號(hào)水聽器處的深度，？琢3為臨界可靠聲路徑對(duì)應(yīng)的出射角度。

隨著水面目標(biāo)的接近，2號(hào)、1號(hào)水聽器接收相繼接收到不經(jīng)海面海底反射（散射）的聲信號(hào)，根據(jù)式（2）能夠獲得t1和t2，通過時(shí)間差△t0，1=t1-t0以及△t1，2=t2-t1可解得水面目標(biāo)的深度z，進(jìn)而可求得水面目標(biāo)的水平距離為

其中z'為聲線反轉(zhuǎn)處的深度，此處聲線掠射角為？琢'=0，因此上式可化為

仿真一：依據(jù)Munk聲速分布，海底為平坦海底，在z0=200m時(shí)，臨界可靠聲路徑對(duì)應(yīng)的出射角度為[-45°，45°]，考慮一次反射，此時(shí)的臨界深度z臨界=738m，應(yīng)用可靠聲路徑理論垂直線陣列布放深度的范圍為z∈[738，1000m]，聲傳感器垂直線陣列陣元數(shù)N=6，圖2（a）為陣元置于水下750m處根據(jù)可靠聲路徑理論，仿真得到的海水中傳播聲線的示意圖，圖2（b）為陣元置于水下1000m處的傳播聲線示意圖。

仿真二：結(jié)合仿真一的結(jié)果，垂直線陣列聲傳感器接收最遠(yuǎn)聲源，即垂直線陣列探測(cè)距離，仿真如圖3所示。

從圖中可以看出，在z0=200m時(shí)，垂直線列陣?yán)每煽柯暵窂椒椒ㄗ钸h(yuǎn)探測(cè)距離可達(dá)到3.75km。在給定探測(cè)距離的情況下，根據(jù)可靠聲路徑理論能夠得到垂直線列陣布放情況。

4 結(jié)束語

本文從實(shí)際需求出發(fā)，介紹了海洋聲速分布特點(diǎn)，分析了基于可靠聲路徑算法的聲傳感器垂直線陣列最大被動(dòng)水聲探測(cè)距離。通過仿真結(jié)果表明，深海環(huán)境可靠聲路徑算法可以實(shí)現(xiàn)聲傳感器垂直線陣列遠(yuǎn)程水聲探測(cè)，適當(dāng)增加垂直線列陣的陣元數(shù)能夠提高聲傳感器的探測(cè)能力。這為基于深海探測(cè)環(huán)境的目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別、反潛作戰(zhàn)、海洋開發(fā)等提供了重要的理論依據(jù)。

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