基于波束計(jì)算的水下聲學(xué)探測(cè)設(shè)備聲兼容傳播過(guò)程分析

馮雪磊，葛錫云，周宏坤，魏檸陽(yáng)

基于波束計(jì)算的水下聲學(xué)探測(cè)設(shè)備聲兼容傳播過(guò)程分析

馮雪磊，葛錫云，周宏坤，魏檸陽(yáng)

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心深海載人裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫 214082)

對(duì)于搭載多種聲學(xué)探測(cè)設(shè)備的水下平臺(tái)，不同設(shè)備的信號(hào)可能會(huì)產(chǎn)生相互干擾。因此，根據(jù)探測(cè)設(shè)備的波束特性，針對(duì)水下平臺(tái)對(duì)海底的探測(cè)情形，來(lái)分析探測(cè)設(shè)備聲兼容傳播過(guò)程的特性。結(jié)合射線(xiàn)聲學(xué)和海底散射模型，建立了聲兼容分析中聲傳播的計(jì)算方法，并且分析了傳播過(guò)程中各種因素對(duì)聲兼容設(shè)計(jì)的影響。結(jié)果表明，在算例的波束條件下，聲速剖面對(duì)聲兼容性的影響較小，而特定類(lèi)型的海底底質(zhì)的影響較大。此外，水下平臺(tái)距海底越高，或者波束偏轉(zhuǎn)越大，聲學(xué)設(shè)備間的相互干擾就越大。為了盡可能減小干擾信號(hào)的影響，應(yīng)盡量避免干擾信號(hào)的發(fā)射波束和接收波束交疊，此外還給出了波束覆蓋角閾值和干擾信號(hào)衰減的關(guān)系。

波束計(jì)算；聲兼容；射線(xiàn)聲學(xué)；海底散射

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)外非傳統(tǒng)潛艇技術(shù)的發(fā)展[1]，以探測(cè)作業(yè)為主要使命任務(wù)的深海水下平臺(tái)受到越來(lái)越多的關(guān)注。這一類(lèi)水下作業(yè)平臺(tái)通常搭載大量的水下聲學(xué)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)探測(cè)、通信、導(dǎo)航、定位等功能[2]。對(duì)于水下聲學(xué)探測(cè)設(shè)備，不同類(lèi)型的設(shè)備為了實(shí)現(xiàn)相對(duì)一致的探測(cè)范圍，通常選擇較為接近的工作頻段。當(dāng)這些設(shè)備同時(shí)工作時(shí)，多個(gè)設(shè)備的目標(biāo)回波信號(hào)可能會(huì)交疊在一起，造成設(shè)備的相互干擾。這就需要在水下平臺(tái)設(shè)計(jì)階段，預(yù)先考慮各個(gè)設(shè)備的聲學(xué)兼容性，充分發(fā)揮水下聲學(xué)探測(cè)設(shè)備的效能。

對(duì)于水下聲學(xué)設(shè)備間的相互干擾和聲兼容，目前已經(jīng)開(kāi)展了很多研究。抑制聲學(xué)設(shè)備相互干擾的方法主要可以分為頻分法、時(shí)分法、波分法和空間分置法。頻分法就是為聲學(xué)設(shè)備劃分不同的工作頻率，然而由于換能器的非線(xiàn)性失真，工作在不同頻率的設(shè)備仍然可能相互干擾，此外不同頻率的強(qiáng)干擾還可能造成信號(hào)的飽和失真[3]。時(shí)分法是搭載多型聲學(xué)探測(cè)設(shè)備的水下平臺(tái)的常用抗干擾方法，但是這種方法以犧牲探測(cè)效率為代價(jià)，并且可能會(huì)降低沿航跡方向的分辨率。波分法可以有效提高聲學(xué)設(shè)備的抗干擾能力，是目前的研究熱點(diǎn)[4-7]，但是這需要預(yù)先協(xié)調(diào)各個(gè)設(shè)備的波形和處理算法，對(duì)于采用定型設(shè)備或者現(xiàn)有設(shè)備的探測(cè)系統(tǒng)較難實(shí)現(xiàn)?？臻g分置法盡量避免不同設(shè)備波束之間的交疊，可以簡(jiǎn)單有效地避免干擾[8]。空間分置法較難在小型平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，但是隨著大型深海平臺(tái)的研制，空間分置法有望成為抗干擾的有效手段。

聲學(xué)設(shè)備的聲兼容分析非常復(fù)雜，涉及聲波的發(fā)射、傳播和接收，受到設(shè)備本身的影響以及傳播環(huán)境的影響。本文基于波束計(jì)算，對(duì)深海平臺(tái)水下探測(cè)設(shè)備的聲兼容進(jìn)行分析，主要針對(duì)聲傳播過(guò)程，分析波束和環(huán)境因素的相對(duì)影響，為聲兼容的研究和設(shè)計(jì)工作提供參考。

1 波束計(jì)算方法

以深海水下平臺(tái)的聲學(xué)探測(cè)設(shè)備為背景，假定聲學(xué)探測(cè)設(shè)備安裝在水下平臺(tái)的底部，探測(cè)海底地形地貌等信息。某一聲學(xué)設(shè)備發(fā)射的聲信號(hào)為干擾源，對(duì)另一聲學(xué)設(shè)備產(chǎn)生干擾。對(duì)探測(cè)而言，多個(gè)聲學(xué)設(shè)備同時(shí)工作同步發(fā)射聲波時(shí)，聲學(xué)設(shè)備主要受到其他設(shè)備海底回波的干擾，因此考慮：某一聲學(xué)設(shè)備的發(fā)射基陣發(fā)出的干擾信號(hào)經(jīng)海底散射后被另一聲學(xué)設(shè)備的接收基陣所接收的情形。由于探測(cè)海底地形地貌的聲學(xué)設(shè)備采用高頻聲信號(hào)，因此聲傳播計(jì)算方法采用聲線(xiàn)追蹤法，此外海底散射采用雙基地Jackson模型[9]。由于水下平臺(tái)工作在深海，且換能器基陣安裝在水下平臺(tái)的底部，因此忽略水面反射。

1.1 聲線(xiàn)追蹤

(a) 發(fā)射聲線(xiàn)

(b) 第個(gè)水層

圖1 聲線(xiàn)追蹤示意圖

Fig.1 Schematic diagram of acoustic ray tracing

1.2 海底散射

為求得發(fā)射基陣發(fā)射的聲波經(jīng)海底散射后被接收基陣接收的總聲強(qiáng)，可以將海底劃分為若干個(gè)面元，這樣接收基陣接收到的總聲強(qiáng)，是海底所有面元的散射聲強(qiáng)的求和。

將式(1)代入式(2)，并經(jīng)過(guò)計(jì)算和化簡(jiǎn)可得：

根據(jù)射線(xiàn)聲學(xué)理論，第個(gè)海底面元接收到的聲能為

圖2 海底散射示意圖

綜合式(3)～(6)可得經(jīng)海底散射后接收基陣接收到的總聲強(qiáng)為

2 計(jì)算設(shè)定

2.1 波束設(shè)定

2.2 環(huán)境參數(shù)設(shè)定

海水聲速剖面數(shù)據(jù)參照某海域1 000 m深度的相關(guān)數(shù)據(jù)[10]，除非另有說(shuō)明，水下平臺(tái)工作深度處的聲速取為1 486 m·s-1，假定水下平臺(tái)距海底200 m，海底附近的聲速取為1 490 m·s-1，從水下平臺(tái)到海底的聲速按照正恒梯度線(xiàn)性變化。參照聲吶的相關(guān)參數(shù)，工作頻率取為100 kHz。

表1 海底散射模型中的底質(zhì)參數(shù)

3 結(jié)果與分析

為了研究空間分置法的抗干擾能力，計(jì)算發(fā)射基陣和接收基陣不同間距時(shí)的干擾信號(hào)強(qiáng)度。由于干擾信號(hào)強(qiáng)度與聲源級(jí)等參數(shù)有關(guān)，因此計(jì)算相對(duì)于發(fā)射基陣和接收基陣間距為0時(shí)(即收發(fā)合置)的干擾信號(hào)的衰減量?？紤]到水下平臺(tái)的底部通常為沿艏艉方向的狹長(zhǎng)形，發(fā)射基陣和接收基陣在左右舷方向可以分置的間距非常有限，因此假定發(fā)射基陣和接收基陣左右舷方向的間距為0，而計(jì)算艏艉方向不同間距的干擾信號(hào)衰減。此外，除非另有說(shuō)明，以下分析中的參數(shù)參見(jiàn)2.2節(jié)。

3.1 聲速剖面的影響

不同聲速剖面情況下干擾信號(hào)衰減隨基陣間距的變化如圖3所示，其中正梯度聲速剖面為默認(rèn)聲速剖面，即聲速?gòu)乃缕脚_(tái)工作深度處的1 486 m·s-1線(xiàn)性變化到海底附近的1 490 m·s-1；恒定聲速剖面是聲速固定為1 486 m·s-1，不隨深度變化；負(fù)梯度聲速剖面參考淺海情形，聲速?gòu)乃缕脚_(tái)工作深度處的1 525 m·s-1線(xiàn)性變化到海底附近的1 500 m·s-1。由圖3可見(jiàn)，干擾信號(hào)衰減曲線(xiàn)在不同聲速剖面條件下變化不大。這主要是由于發(fā)射波束和接收波束的交疊部分角度較小，在本例中交疊部分約為0.6°×1.1°，因此從不同角度發(fā)射的聲線(xiàn)相差較小，波束交疊部分在海底的“腳印”的形狀隨聲速剖面變化不大。

圖3 不同聲速剖面情況下干擾信號(hào)衰減隨基陣間距的變化

3.2 海底底質(zhì)的影響

圖4為不同海底底質(zhì)情況下干擾信號(hào)衰減隨基陣間距的變化，其中各種海底底質(zhì)的參數(shù)如表1所示。海底底質(zhì)可以分為三類(lèi)[9]：第一類(lèi)底質(zhì)的粗糙度較大，并且剪切效應(yīng)較強(qiáng)，如“巖質(zhì)”、“砂礫”等；第二類(lèi)底質(zhì)的粗糙度中等，剪切效應(yīng)較小，底質(zhì)的壓縮波聲速比海水聲速大，如“粗砂”、“中砂”等；第三類(lèi)底質(zhì)的粗糙度和剪切效應(yīng)可以忽略，底質(zhì)的壓縮波聲速比海水聲速小，如“中粉砂”等。由圖4可知，第一類(lèi)和第二類(lèi)底質(zhì)對(duì)干擾信號(hào)衰減曲線(xiàn)的影響較小，而第三類(lèi)底質(zhì)對(duì)干擾信號(hào)衰減曲線(xiàn)的影響較大。這主要是由于波束交疊區(qū)域的海底入射掠射角和散射掠射角約為90°，第一類(lèi)和第二類(lèi)底質(zhì)在這一角度條件下的散射強(qiáng)度變化不大，而第三類(lèi)底質(zhì)這一角度條件下的散射強(qiáng)度變化較大。在第三類(lèi)底質(zhì)條件下，空間分置法得到的干擾信號(hào)衰減要大于其他類(lèi)型的底質(zhì)。

圖4 不同海底底質(zhì)情況下干擾信號(hào)衰減隨基陣間距的變化

3.3 距底高度的影響

圖5為不同距底高度情況下干擾信號(hào)衰減隨基陣間距的變化。由圖5可見(jiàn)，距底高度越高，干擾信號(hào)衰減越小。這是顯見(jiàn)的，由于波束開(kāi)角不變，距離海底越遠(yuǎn)，波束交疊部分在海底的“腳印”越大，于是基陣間距的影響就越小。這提示距底高度越大，越不利于聲學(xué)抗干擾。然而換能器基陣距底高度越大，海底散射回波越微弱，因此上述分析僅針對(duì)海底回波足夠強(qiáng)，以至于能產(chǎn)生干擾的情形。

圖5 不同距底高度情況下干擾信號(hào)衰減隨基陣間距的變化

3.4 偏轉(zhuǎn)角度的影響

部分聲學(xué)探測(cè)設(shè)備可以通過(guò)相控陣技術(shù)使波束偏轉(zhuǎn)，以對(duì)左右舷方向的海底條帶進(jìn)行掃描。波束可以向艏艉方向偏轉(zhuǎn)，也可以向左右舷方向偏轉(zhuǎn)。向艏艉方向偏轉(zhuǎn)和增大基陣間距的分析是類(lèi)似的，因此不再討論。不同偏轉(zhuǎn)角度情況下干擾信號(hào)衰減隨基陣間距的變化如圖6所示，考慮到水下平臺(tái)通常是對(duì)稱(chēng)的，因此不妨假定向左舷方向偏轉(zhuǎn)，這里的偏轉(zhuǎn)角度是指波束主軸方向與垂直方向的夾角。由圖6可見(jiàn)，從整體趨勢(shì)而言，偏轉(zhuǎn)角度越大，干擾信號(hào)衰減越小。這提示波束偏轉(zhuǎn)越大，越不利于聲學(xué)抗干擾。這主要是由于偏轉(zhuǎn)角度越大，換能器基陣距波束在海底的“腳印”越遠(yuǎn)，海底“腳印”越大。此外觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，在不同偏轉(zhuǎn)角度情況下，干擾信號(hào)曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)有所不同，這主要是由于波束偏轉(zhuǎn)，海底入射掠射角和散射掠射角在不同的角度附近變化，對(duì)應(yīng)的海底散射強(qiáng)度的變化趨勢(shì)不盡相同。

圖6 不同偏轉(zhuǎn)角度情況下干擾信號(hào)衰減隨基陣間距的變化

3.5 旁瓣的影響

波束旁瓣可能會(huì)對(duì)聲學(xué)探測(cè)設(shè)備的性能產(chǎn)生負(fù)面影響，因此以基陣自然產(chǎn)生的旁瓣為例，計(jì)算旁瓣的影響，如圖7所示。根據(jù)式(9)，一級(jí)旁瓣為?13.3 dB，二級(jí)旁瓣為?17.8 dB。由圖7可見(jiàn)，當(dāng)基陣相距較近時(shí)，旁瓣的影響不大，只略微增加干擾信號(hào)強(qiáng)度，這是由于旁瓣相對(duì)于主瓣能量較小。而當(dāng)基陣相距較大時(shí)，旁瓣會(huì)顯著提高干擾信號(hào)強(qiáng)度，這是由于此時(shí)波束交疊部分主要為旁瓣部分。相對(duì)而言，接收波束旁瓣的影響比發(fā)射波束旁瓣的影響大得多，這是由于基陣間距是在艏艉方向變化，在這一方向接收波束的寬度為10°，遠(yuǎn)大于發(fā)射波束寬度0.5°。

(a) 一級(jí)旁瓣的影響

(b) 二級(jí)旁瓣的影響

圖7 波束旁瓣對(duì)干擾信號(hào)衰減隨基陣間距的變化的影響

Fig.7 The effects of beam sidelobes on the variation of interfer- ence signal attenuation with distance between arrays

3.6 收發(fā)波束交疊程度的影響

通常規(guī)定波束主瓣周?chē)晧杭?jí)比主瓣最大聲壓級(jí)低3 dB或6 dB之間的立體角為波束覆蓋角，即波束覆蓋角的閾值為?3 dB或者?6 dB，不同的閾值對(duì)應(yīng)不同的覆蓋角和波束在海底的“腳印”。干擾信號(hào)強(qiáng)度主要受到波束交疊部分的影響，為了定量研究干擾信號(hào)強(qiáng)度和波束交疊程度的關(guān)系，本文計(jì)算發(fā)射和接收波束主瓣在海底的“腳印”外切時(shí)的干擾信號(hào)衰減量。這里采用不同閾值情況下發(fā)射和接收波束主瓣在海底的“腳印”外切來(lái)表征波束交疊的程度，若閾值取為0，則發(fā)射和接收波束主瓣最大程度交疊，若閾值取為?∞，則發(fā)射和接收波束主瓣完全不交疊。不難發(fā)現(xiàn)，選擇的閾值越小，覆蓋角的范圍越大，發(fā)射波束和接收波束在海底的“腳印”外切對(duì)應(yīng)的基陣間距越大。

圖8所示為選擇不同的波束覆蓋角閾值對(duì)應(yīng)的干擾信號(hào)衰減量，考慮到距底高度和波束偏轉(zhuǎn)對(duì)干擾信號(hào)的影響較大，因此要計(jì)算這些因素的影響。由圖8可見(jiàn)，在各種條件下，波束覆蓋角閾值和干擾信號(hào)衰減的關(guān)系都大致相同。進(jìn)一步的計(jì)算表明，為使干擾信號(hào)至少衰減3 dB，應(yīng)使波束覆蓋角閾值約?2.6 dB對(duì)應(yīng)的波束不交疊；為使干擾信號(hào)至少衰減6 dB，應(yīng)使波束覆蓋角閾值約為?5.2 dB對(duì)應(yīng)的波束不交疊；為使干擾信號(hào)至少衰減10 dB，應(yīng)使波束覆蓋角閾值約為?8.5 dB對(duì)應(yīng)的波束不交疊；為使干擾信號(hào)至少衰減20 dB，應(yīng)使波束覆蓋角閾值約為?16.2 dB對(duì)應(yīng)的波束不交疊。

(a) 不同距底高度

(b) 不同偏轉(zhuǎn)角度

圖8 波束不交疊時(shí)干擾信號(hào)的最小衰減量隨波束邊緣的變化

Fig.8 Variation of the minimum interference signal attenuation with beam edge when no overlapping occurs between beams

4 結(jié)論

結(jié)合射線(xiàn)聲學(xué)和海底散射模型，推導(dǎo)了水下平臺(tái)搭載的聲兼容分析中聲傳播的計(jì)算方法，并根據(jù)發(fā)射基陣和接收基陣的典型波束特性，計(jì)算了多種情況下的干擾信號(hào)特性。結(jié)果表明，對(duì)于頻率相近的聲學(xué)探測(cè)設(shè)備：(1) 對(duì)于發(fā)射波束和接收波束交疊較窄的情形，緩變聲速剖面對(duì)干擾信號(hào)的影響較小；(2) 相對(duì)于其他海底底質(zhì)，工作在壓縮波聲速小于海水聲速的底質(zhì)條件時(shí)相互干擾較低；(3) 距海底高度越大或者波束偏轉(zhuǎn)越大，聲學(xué)設(shè)備間的相互干擾越大；(4) 基陣間距較小時(shí)波束旁瓣的影響較小，而基陣間距較大時(shí)波束旁瓣的影響較大。為了盡可能衰減干擾信號(hào)，應(yīng)盡量避免干擾源發(fā)射波束和接收波束交疊。

聲學(xué)兼容設(shè)計(jì)除了需要考慮信號(hào)的強(qiáng)度以外，還需進(jìn)一步考慮信號(hào)的時(shí)域和頻域特性，以及各種聲學(xué)探測(cè)設(shè)備的信號(hào)解算方法，將這一系列因素融合到聲學(xué)兼容性算法是后續(xù)的研究方向。此外，聲學(xué)兼容設(shè)計(jì)的效果也需要后續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證。

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Analysis of acoustic compatibility for underwater acoustic survey devices by beam computation

FENG Xue-lei, GE Xi-yun, ZHOU Hong-kun, WEI Ning-yang

(State Key Laboratory of Deep-Sea Manned Vehicles, China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, Jiangsu, China)

For the underwater platform with mutiple acoustic survey devices, the signals of different devices may interfere with each other. The anti-interference performance of space separation method is therefore analyzed based on the beam patterns of acoustic survey devices in seafloor survey. The acoustic compatibility algorithm is established by combining ray acoustics and high-frequency bistatic scattering model for elastic seafloors. The influences of multiple factors on acoustic compatibility design are analyzed. The results indicate that for the beam pattern of the calculation example, the sound velocity profile is a minor factor, while for specific types of seafloor it is a major factor. If the distance between underwater platform and seafloor is larger or the beam deflection is larger, the design of acoustic compatibility will be more difficult. In order to minimize the impact of interference signals, the transmitting beam and receiving beam of the interference signal should be avoided to overlap as far as possible. In addition, the relationship between the beam coverage threshold and the interference signal attenuation is given.

beam computation; acoustic compatibility; ray acoustics; seafloor scattering

TB566

A

1000-3630(2019)-05-0495-07

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.05.003

2018-06-07;

2018-08-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11904330)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFB0202701)資助。

馮雪磊(1989－), 男, 江蘇無(wú)錫人, 博士, 工程師, 研究方向?yàn)槁晫W(xué)探測(cè)。

馮雪磊,E-mail: xlfeng@hotmail.com