海洋環(huán)境對(duì)吊放聲納工作深度優(yōu)化選擇分析?

吳 芳 吳 銘 高青偉

（海軍航空大學(xué) 煙臺(tái) 264001）

1 引言

吊放聲納是反潛直升機(jī)的主要搜潛設(shè)備，使用頻率高，具有主/被動(dòng)工作模式、可變深搜索、重復(fù)使用等特點(diǎn)。由于海洋環(huán)境的影響，當(dāng)?shù)醴怕暭{水下分機(jī)所處深度不同時(shí)，對(duì)某一深度的目標(biāo)最大作用距離存在差別。這是因?yàn)樵趯?shí)際的海洋環(huán)境中，主動(dòng)探測(cè)信號(hào)或目標(biāo)輻射信號(hào)的傳播受到噪聲、混響、傳播損失、聲速剖面、海底地形等的影響。其中，噪聲、混響及傳播損失是不可避免的。但是，聲速剖面、海底地形及工作深度等對(duì)信號(hào)傳播的影響是不確定的。如果利用這些不確定因素，創(chuàng)造信號(hào)傳播的有利條件，規(guī)避不合理情況，將極大地提高探測(cè)性能。吊放聲納在不同的海洋環(huán)境下作用距離是不同的，同樣地，即使在相同的海洋環(huán)境下，采用不同的工作深度也會(huì)導(dǎo)致不同的作用距離。本文主要仿真分析了在不同海洋環(huán)境條件下吊聲使用不同工作深度對(duì)應(yīng)的聲納作用距離，并依據(jù)仿真結(jié)果給出吊放聲納在不同海洋環(huán)境下工作深度的選擇方法。

由于海水介質(zhì)的不均勻性，以及海面和海底分界面的作用，聲波在海水中傳播時(shí)會(huì)出現(xiàn)折射、反射現(xiàn)象，使得聲波沿曲線路徑傳播。根據(jù)這一特點(diǎn)，可以將聲線所經(jīng)過(guò)的地方理解為聲納的作用區(qū)域，但其信號(hào)能量強(qiáng)度不一定能夠發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，所以本文從聲傳播軌跡和能量傳播兩個(gè)方面分析吊放聲納在不同聲速剖面類型下其工作深度對(duì)作用距離的影響，對(duì)不同水文條件下的吊放聲納工作深度給出合理化建議，對(duì)吊放聲納裝備性能使用進(jìn)行優(yōu)化，提高搜潛效能。

2 吊放聲納作用距離數(shù)學(xué)模型

吊放聲納作用距離的解算主要依據(jù)主動(dòng)聲納方程，即：

當(dāng)?shù)醴怕暭{設(shè)備一定（即檢測(cè)閾一定）時(shí)，對(duì)于在吊放聲納的最大作用距離處返回的信號(hào)，檢測(cè)閾DT應(yīng)等于吊放聲納的最小可檢測(cè)信噪比，即：

當(dāng)方程取等號(hào)時(shí)，TL是達(dá)到最大傳播距離時(shí)的傳播損失值，即FOM（Figure of Merit）值：

優(yōu)質(zhì)因素FOM既與吊放聲納的性能有關(guān)，又與海洋環(huán)境噪聲、自噪聲和目標(biāo)強(qiáng)度等參數(shù)有關(guān)。

從式（3）可知：吊放聲納作用距離計(jì)算的實(shí)質(zhì)是盡可能精確地估計(jì)優(yōu)質(zhì)因素值，即須精確預(yù)報(bào)或測(cè)定TL、SL、NL、DT、DI和TS的值，即：利用射線聲學(xué)可計(jì)算出平面內(nèi)任一點(diǎn)的傳播損失TL；吊放聲納的聲源級(jí)SL為已知參數(shù)；只要給定吊放聲納的工作頻率，便可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)海況下的環(huán)境噪聲級(jí)NL；DT和DI為吊放聲納的具體參數(shù)；目標(biāo)強(qiáng)度TS可以根據(jù)目標(biāo)與吊放聲納相對(duì)位置計(jì)算得出，最后可通過(guò)計(jì)算得出的TL值和FOM值，獲知吊放聲納各個(gè)深度上的最大探測(cè)距離。

結(jié)合主動(dòng)聲納方程，下文將分別探討聲源級(jí)SL、背景噪聲級(jí)NL、目標(biāo)強(qiáng)度TS和傳播損失TL的計(jì)算模型。

2.1 聲源級(jí)

對(duì)于主動(dòng)工作方式下的吊放聲納而言，發(fā)射聲源級(jí)

式中P為發(fā)射功率，單位為瓦（W）。

2.2 背景噪聲級(jí)

接收機(jī)背景噪聲級(jí)與聲信號(hào)頻率、海況有關(guān)，通常使用以下的經(jīng)驗(yàn)公式表示：

式中f為聲信號(hào)頻率，單位為kHz；S為海況等級(jí)。

2.3 目標(biāo)強(qiáng)度

潛艇目標(biāo)強(qiáng)度是隨聲信號(hào)入射方位變化的。圖1為潛艇目標(biāo)反射強(qiáng)度蝶形圖，圖2為聲納與潛艇的相對(duì)位置。潛艇目標(biāo)強(qiáng)度是潛艇航向角和入射角的夾角（視線角）的函數(shù)，即：

目標(biāo)反射強(qiáng)度TS值根據(jù)蝶形曲線方程確定：

式中：TSmax為正橫方向目標(biāo)反射強(qiáng)度；θsi(t)為t時(shí)刻的視線角。

s代表吊放聲納，i代表潛艇。如果考慮左右對(duì)稱性，則視線角從0到±180°，0°時(shí)在艇首，180°時(shí)在艇尾。一般而言，正橫時(shí)最大，艇首和艇尾時(shí)最小。

圖1 潛艇目標(biāo)反射強(qiáng)度蝶形圖

圖2 吊放聲納與潛艇的相對(duì)位置

設(shè)t時(shí)刻吊放聲納s坐標(biāo)為 s：(xs(t)，ys(t))，t時(shí)刻潛艇i的坐標(biāo)為 i：(xi(t)，yi(t))，γi(t)為t時(shí)刻潛艇i的航向角。令rsi(t)為潛艇與吊放聲納之間的距離，vi(t)為t時(shí)刻目標(biāo)i的速度，則cos(θsi(t))=si(t)i(t) ，si(t) 、i(t) 分 別 為 rsi(t)、vi(t)的單位向量。有：

2.4 傳播損失

由于聲信道在淺海是多途、頻散信道，脈沖波在傳播過(guò)程中其波形將會(huì)發(fā)生復(fù)雜的畸變，對(duì)不同頻率的信號(hào)、在不同的傳播距離，其聲強(qiáng)的變化有著不同的規(guī)律。淺海平均平滑聲場(chǎng)中的傳播損失可表示為

其中：

（當(dāng)本征射線在水層中反轉(zhuǎn)而不觸及海面或海底時(shí)，則應(yīng)當(dāng)去掉Vs和Vb項(xiàng)）；

為第l號(hào)本征聲線的跨度，ηl、ξl分別為本征射線的上、下反轉(zhuǎn)（或反射）界面深度，z1、z2、r分別為聲源深度、接收深度和距離，α1、α2、αs、αb分別為本征聲線在聲源深度、接收深度、海面和海底處的掠角，f為聲信號(hào)的頻率，c(z)為z深度上的聲速，Vs、Vb分別為平面波在海面與海底的反射系數(shù)。

考慮到聲場(chǎng)的深度結(jié)構(gòu)時(shí)，為了較好地反映聲場(chǎng)的深度結(jié)構(gòu)，可以對(duì)簡(jiǎn)正波振幅函數(shù)采用包絡(luò)平滑。

當(dāng)聲源深度小于接收器深度（即0＜z1≤z2＜h時(shí)），平滑平均聲強(qiáng)：

當(dāng)接收器深度小于聲源深度（即0＜z2≤z1＜h時(shí)），平滑平均聲強(qiáng)：

此時(shí)，傳播損失可按其定義計(jì)算：

3 吊放聲納作用距離仿真分析

將通過(guò)上述計(jì)算方法得到的各參數(shù)代入式（1）所示的主動(dòng)聲納方程，就可以得到FOM值，再將此值在上節(jié)中計(jì)算得到的傳播損失數(shù)組中進(jìn)行查詢，即可解算出在目標(biāo)深度上的吊放聲納作用距離。本節(jié)仿真分析了不同吊放聲納工作深度對(duì)其作用距離的影響。

3.1 不同工作深度對(duì)聲線覆蓋范圍的影響

在海深H=250m、發(fā)射換能器指向性開(kāi)角為±10°的情況下，工作深度分別取20m、50m、80m和130m時(shí)的聲線覆蓋情況如圖3～圖6所示。

由圖3～圖6可以看出，工作深度位于20m時(shí)，聲影區(qū)較大，且無(wú)反轉(zhuǎn)聲線存在，第一個(gè)聲會(huì)聚區(qū)聲線（能量）比較集中，總體來(lái)看探測(cè)盲區(qū)（沒(méi)有聲線的區(qū)域）較大；工作深度位于50m時(shí)，反轉(zhuǎn)聲線將聲影區(qū)填充掉一部分，由于聲源深度位于聲速最小值處，初始掠射角較小的那部分聲線形成了直達(dá)聲線，所以在50m深度上始終有較密集的聲線，兩個(gè)明顯的聲會(huì)聚區(qū)也以這一深度為中心形成，但是此時(shí)150m以下聲線能夠覆蓋的區(qū)域已經(jīng)十分有限，且?guī)缀鯚o(wú)法穿透到海深200m以下，對(duì)潛航較深的目標(biāo)無(wú)法進(jìn)行探測(cè)；工作深度位于80m時(shí)，聲影區(qū)面積進(jìn)一步減少，在水平方向3km～5km和離聲源較遠(yuǎn)的7.5km～9km處形成了兩個(gè)非常明顯的聲會(huì)聚區(qū)；工作深度位于130m時(shí)，聲線幾乎每處都可以到達(dá)，已不存在探測(cè)盲區(qū)，正因?yàn)槿绱耍晸Q能器發(fā)出的能量也比較分散，即聲線比較稀疏，但在聲源深度上還是可以較明顯地看到分別位于4km和8km的兩個(gè)聲會(huì)聚區(qū)。

圖3 工作深度為20m時(shí)的聲線圖

圖4 工作深度為50m時(shí)的聲線圖

圖5 工作深度為80m時(shí)的聲線圖

圖6 工作深度為130m時(shí)的聲線圖

從以上仿真分析可以看出，在相同的水文條件下，不同的吊聲工作深度會(huì)對(duì)聲線覆蓋區(qū)域產(chǎn)生很大的影響。針對(duì)該例中這種類型的聲速剖面，當(dāng)工作深度選在剖面下半段時(shí)，工作深度越深，影區(qū)面積越小；不論工作深度如何變化，聲匯聚區(qū)出現(xiàn)的深度都在工作深度附近，水平位置也相差不多，第一匯聚區(qū)以4km為中心，第二匯聚區(qū)以8km為中心（水平位置的具體值由聲速剖面下半段的正梯度絕對(duì)值確定）。

3.2 不同工作深度對(duì)能量傳播的影響

假設(shè)海深H=250m、發(fā)射換能器指向性開(kāi)角為±10°、聲信號(hào)頻率為50Hz、接收機(jī)深度為0到250m、海面和海底為平面反射（有衰減），工作深度位于20m、50m、80m和130m時(shí)的傳播損失如圖7～圖10所示，其中聲源處的傳播損失為0dB。

圖7 工作深度為20m時(shí)的傳播損失圖

圖8 工作深度為50m時(shí)的傳播損失圖

圖9 工作深度為80m時(shí)的傳播損失圖

圖10 工作深度為130m時(shí)的傳播損失圖

由圖7～圖10可以看出，工作深度為20m時(shí)，海面和海底的反射比較嚴(yán)重，大部分的能量都在界面反射中被消耗掉，而未經(jīng)反射的聲線傳播損失較小，仍攜有較大的能量，在一定深度范圍內(nèi)能夠傳播較遠(yuǎn)；工作深度為50m時(shí)，初始掠射角絕對(duì)值在0°附近的聲線由于向上向下都是聲速減小而被限制在聲源深度的水平線上，傳播損失很小，甚至可以在水平距離已經(jīng)傳播了10公里之后依然將傳播損失限制在60dB之內(nèi)，這種情況非常適用于探測(cè)潛航深度在100m以內(nèi)的目標(biāo)，因?yàn)樵谶@一深度范圍內(nèi)直到水平10km處傳播損失一直控制在65dB內(nèi)，但是由于向海底方向的正聲速梯度較大，使得這種情況只能在非常有限的區(qū)域探測(cè)到位于200m以下的目標(biāo)；工作深度位于80m時(shí)的情況與位于50m時(shí)的類似，只是聲線反轉(zhuǎn)的厚度加大了，但傳播損失依然很小，幾個(gè)高強(qiáng)度的聲會(huì)聚區(qū)清晰可見(jiàn)，同時(shí)由于工作深度更深，可以比上一種情況更好地探測(cè)較深的目標(biāo)，在9.5km以內(nèi)、150m深度以上的目標(biāo)幾乎都可以70dB以內(nèi)的傳播損失探測(cè)到；工作深度位于130m時(shí)，聲線已經(jīng)可以覆蓋距聲源水平距離700m以外各深度的目標(biāo)，但是此時(shí)經(jīng)海底和海面的反射更加嚴(yán)重，除主要的聲會(huì)聚區(qū)以外，傳播損失基本都在67dB以上，但是由于其聲線覆蓋范圍廣，可在對(duì)可疑海域第一次進(jìn)行吊放檢查時(shí)采用這種工作深度。

4 結(jié)語(yǔ)

吊放聲納是反潛直升機(jī)的主要搜潛設(shè)備，使用頻率高，具有主/被動(dòng)工作模式、可變深搜索、重復(fù)使用等特點(diǎn)。由于海洋環(huán)境的影響，當(dāng)?shù)醴怕暭{水下分機(jī)所處深度不同時(shí)，對(duì)某一深度的目標(biāo)最大作用距離存在差別。本文從聲傳播軌跡和能量傳播兩個(gè)方面分析吊放聲納在不同聲速剖面類型下其工作深度對(duì)作用距離的影響，對(duì)不同水文條件下的吊放聲納工作深度給出合理化建議，對(duì)吊放聲納裝備性能使用進(jìn)行優(yōu)化，提高搜潛效能。