基于擴(kuò)展面積的航空浮標(biāo)與艦載聲吶協(xié)同搜潛范圍研究

韓建輝， 單志超， 劉賢忠， 鄭曉慶， 李大衛(wèi)

(海軍航空大學(xué) 航空作戰(zhàn)勤務(wù)學(xué)院， 山東 煙臺(tái) 264001)

0 引 言

隨著消聲材料的廣泛應(yīng)用， 水下目標(biāo)的有效聲散射面積不斷降低. 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和外形， 有效減小水動(dòng)力噪聲； 采用精密加工工藝和泵噴裝置等， 降低推進(jìn)器輻射噪聲； 采用減震降噪技術(shù)， 減小機(jī)械噪聲. 水下目標(biāo)輻射噪聲越來(lái)越低， 給聲吶探測(cè)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)， 而被動(dòng)聲吶浮標(biāo)受到的影響尤其顯著[1].

艦載聲吶發(fā)射大功率聲探測(cè)信號(hào)， 被動(dòng)聲吶浮標(biāo)同時(shí)接收回波信號(hào)， 完成協(xié)同多基地探測(cè)， 具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、 范圍廣、 隱蔽、 安全、 快速和高效等特點(diǎn)， 是應(yīng)對(duì)聲吶探測(cè)挑戰(zhàn)的有效途徑之一[2-5]. 本文以多基地主被動(dòng)聲吶方程為依據(jù)， 對(duì)航空被動(dòng)聲吶浮標(biāo)與艦載聲吶協(xié)同多基地水下探測(cè)范圍進(jìn)行研究， 定量分析協(xié)同多基地工作模式相對(duì)于獨(dú)立工作時(shí)的覆蓋范圍和優(yōu)勢(shì)， 對(duì)于艦載聲吶和航空聲吶多基地協(xié)同搜索和使用具有重要意義.

1 航空被動(dòng)聲吶浮標(biāo)與艦載聲吶探測(cè)范圍模型

1.1 航空被動(dòng)聲吶浮標(biāo)與艦載聲吶多基地配置

多基地聲吶幾何配置關(guān)系如圖 1 所示.S表示艦載聲吶， 它既作為主動(dòng)聲源向水下發(fā)射探測(cè)信號(hào)， 也可工作在單基地模式.Ri為航空被動(dòng)聲吶浮標(biāo)，i表示浮標(biāo)序號(hào)， 可同時(shí)接收水下目標(biāo)回波信號(hào)和輻射噪聲信號(hào).T為水下目標(biāo).RT為發(fā)射機(jī)到目標(biāo)的距離.RRi為目標(biāo)至接收機(jī)的距離.

圖 1 多基地聲吶幾何配置

1.2 航空被動(dòng)聲吶浮標(biāo)與艦載聲吶雙基地探測(cè)范圍

艦載聲吶發(fā)射探測(cè)信號(hào)， 航空被動(dòng)聲吶浮標(biāo)接收水下目標(biāo)的反射回波. 雙基地主動(dòng)聲吶方程為[6-8]

TLS+TLR=SLV+TS-(NLF-DIF+DTF)，

(1)

式中：TLS為艦載聲吶到水下目標(biāo)的傳播損失；TLR為水下目標(biāo)到聲吶浮標(biāo)的傳播損失；SLV為艦載聲吶發(fā)射聲源級(jí)；TS為目標(biāo)強(qiáng)度；NLF為聲吶浮標(biāo)接收的海洋環(huán)境噪聲級(jí)；DIF為聲吶浮標(biāo)指向性指數(shù)；DTF為聲吶浮標(biāo)檢測(cè)閾.

若艦載聲吶和被動(dòng)聲吶浮標(biāo)均獨(dú)立工作， 則相應(yīng)的艦載單基地主動(dòng)聲吶方程為

2TLV=SLV+TS-(NLV-DIV+DTV)，

(2)

式中：TLV為單基地艦載聲吶到目標(biāo)的傳播損失；NLV為艦載聲吶接收的海洋環(huán)境背景噪聲級(jí)；DIV為艦載聲吶指向性指數(shù)；DTV為艦載聲吶檢測(cè)閾. 聲吶浮標(biāo)單基地被動(dòng)聲吶方程為

TLF=SLT-(NLF-DIF+DTF)，

(3)

式中：TLF為水下目標(biāo)到聲吶浮標(biāo)的傳播損失；SLT為水下目標(biāo)輻射噪聲級(jí). 將式(1)～式(3)聯(lián)立可得

TLS+TLR=TLF+SLV-SLT+TS.

(4)

若忽略海水吸收損失條件下聲傳播滿足球面波規(guī)律，RS為艦載聲吶單基地作用距離，RF為被動(dòng)聲吶浮標(biāo)單基地作用距離，TLS=20lgRT，TLR=20lgRR，TLF=20lgRF， 則有

(5)

艦載聲吶與航空聲吶浮標(biāo)構(gòu)成的雙基地系統(tǒng)等效半徑Requil=(RTRR)1/2. 則有

(6)

考慮良好水文條件下柱面波傳播損失和海水吸收損失，TLS=10lgRT+αRT，TLR=10lgRR+αRR，TLF=10lgRF+αFRF， 代入式(4)可得

(7)

式中：α為艦載聲吶主頻海水吸收系數(shù)；αF為浮標(biāo)頻帶中心點(diǎn)海水吸收系數(shù)， 單位dB/m.

當(dāng)被動(dòng)聲吶浮標(biāo)和艦載聲吶位置重合時(shí)， 探測(cè)范圍是圓形， 隨著被動(dòng)聲吶浮標(biāo)和艦載聲吶距離的增加， 主被動(dòng)聲吶探測(cè)范圍封閉曲線開始逐漸扭曲， 最終分離為兩個(gè)分立的不同閉合區(qū)域[7-8]， 雙基地等效半徑Requil為雙基地覆蓋范圍開始發(fā)生扭曲時(shí)基線長(zhǎng)度的一半， 即

(8)

解方程可得

(9)

式中：x=lambertw(z)為方程xex=z的解[1].

1.3 水下目標(biāo)輻射噪聲聲源級(jí)

水下目標(biāo)輻射噪聲包括機(jī)械噪聲、 螺旋槳噪聲和水動(dòng)力噪聲. 目標(biāo)航速變化引起輻射噪聲聲源級(jí)變化. 在低速時(shí)輻射噪聲主要由機(jī)械噪聲和螺旋槳葉片速率線譜和弱連續(xù)譜構(gòu)成， 在高速時(shí)主要由螺旋槳連續(xù)譜噪聲構(gòu)成[9]. 在一定航速條件下， 目標(biāo)聲源級(jí)與形狀、 尺度、 主機(jī)類型、 航行狀態(tài)、 推進(jìn)器、 深度等眾多因素有關(guān). 按照輻射噪聲聲源級(jí)可以將目標(biāo)分為6類， 如表 1 所示[9].

圖 2 給出了水下目標(biāo)輻射噪聲譜， 總聲級(jí)

OSL=10logI0+10logf1-10log(q-1)，

(10)

式中：q為譜級(jí)衰減率；f1為噪聲譜坡形開始處的頻率； 10logI0為噪聲譜坡形開始處的譜級(jí)；f1隨著螺旋槳直徑增大而減小、 隨深度增加而增大、 隨航速增加而減小.

表 1 水下目標(biāo)分類

圖 2 水下目標(biāo)輻射噪聲譜

1.4 目標(biāo)強(qiáng)度

目標(biāo)強(qiáng)度反映了水下目標(biāo)聲散射特性. 目標(biāo)強(qiáng)度通常與水下目標(biāo)的尺度、 方位、 測(cè)量距離、 深度、 材料、 結(jié)構(gòu)等因素有關(guān). 水下目標(biāo)正橫位置目標(biāo)強(qiáng)度最大， 艇艏艇尾目標(biāo)強(qiáng)度最小. 現(xiàn)代潛艇一般鋪設(shè)消音瓦， 表面設(shè)計(jì)非常光滑， 取消欄桿和欄索， 減少開孔， 在各種結(jié)構(gòu)交接處采用弧形圓滑過(guò)渡， 其目標(biāo)強(qiáng)度得到有效控制.

2 探測(cè)范圍仿真分析

設(shè)艦載聲吶工作頻率為4 kHz， 海水吸收系數(shù)α為2.194×10-4dB/m， 艦載聲吶接收指向性指數(shù)為20 dB， 檢測(cè)閾為10 dB， 海洋環(huán)境噪聲級(jí)NL為60 dB， 水下目標(biāo)強(qiáng)度TS為15 dB， 機(jī)載聲吶浮標(biāo)檢測(cè)閾DTD為10 dB， 接收指向性指數(shù)DID為10 dB， 積分頻帶為100 Hz～4 000 Hz， 中心頻率處吸收系數(shù)為1.225×10-4dB/m. 艦載聲吶聲源級(jí)SLV分別取230 dB， 220 dB， 210 dB和200 dB時(shí). 水下目標(biāo)輻射噪聲總聲級(jí)分別取165 dB， 145 dB， 125 dB， 其中譜級(jí)衰減率q為2，f1為200 Hz.

艦載聲吶作為主動(dòng)聲源發(fā)射探測(cè)信號(hào)， 機(jī)載聲吶浮標(biāo)與艦載聲吶同時(shí)接收水下目標(biāo)回波信號(hào)， 構(gòu)成雙基地協(xié)同工作模式. 采用數(shù)值解法分別仿真不同水下目標(biāo)總聲級(jí)在艦載聲吶高中低聲源級(jí)條件下協(xié)同工作搜索范圍. 雙基地?cái)U(kuò)展面積為雙基地覆蓋范圍減去其與艦載聲吶單基地工作覆蓋范圍交疊部分后剩下的面積[6]. 搜索優(yōu)勢(shì)系數(shù)定義為雙基地協(xié)同搜索擴(kuò)展面積與被動(dòng)聲吶浮標(biāo)搜索面積比值. 當(dāng)搜索優(yōu)勢(shì)系數(shù)大于1時(shí)， 協(xié)同工作模式的搜索范圍相對(duì)于單基地具有優(yōu)勢(shì). 為方便比較， 仿真中的基線距離采用雙基地等效半徑進(jìn)行歸一化.

當(dāng)高噪聲目標(biāo)輻射噪聲總聲級(jí)為165 dB， 艦載聲吶聲源級(jí)分別取230 dB， 220 dB， 210 dB和200 dB時(shí)， 圖 3 給出了艦載聲吶與被動(dòng)聲吶浮標(biāo)協(xié)同工作時(shí)搜索優(yōu)勢(shì)系數(shù)隨歸一化基線距離增大的變化. 搜索優(yōu)勢(shì)系數(shù)隨歸一化基線距離的增大先增加后減小， 搜索優(yōu)勢(shì)系數(shù)小于1， 相對(duì)于被動(dòng)聲吶浮標(biāo)單基地工作模式不具備搜索面積的優(yōu)勢(shì).

圖 3 高噪聲目標(biāo)搜索優(yōu)勢(shì)系數(shù)與歸一化基線距離關(guān)系

當(dāng)?shù)驮肼暷繕?biāo)輻射噪聲總聲級(jí)為145 dB， 艦載聲吶聲源級(jí)分別取230 dB， 220 dB， 210 dB和200 dB時(shí)， 圖 4 給出了艦載聲吶與被動(dòng)聲吶浮標(biāo)協(xié)同工作時(shí)搜索優(yōu)勢(shì)系數(shù)隨歸一化基線距離增大的變化. 與圖 2 相似， 搜索優(yōu)勢(shì)系數(shù)隨歸一化基線距離的增大先增加后減小， 但是只有發(fā)射聲源級(jí)達(dá)到230 dB時(shí)搜索優(yōu)勢(shì)系數(shù)在歸一化基線距離2.2以內(nèi)大于1， 相對(duì)于單基地工作的被動(dòng)聲吶浮標(biāo)具備搜索面積優(yōu)勢(shì)， 而超過(guò)歸一化基線距離2.2后， 搜索優(yōu)勢(shì)系數(shù)小于1， 不具備搜索面積優(yōu)勢(shì). 當(dāng)發(fā)射聲源級(jí)取200 dB～220 dB時(shí)， 搜索優(yōu)勢(shì)系數(shù)均小于1， 雙基地搜索面積優(yōu)勢(shì)喪失. 對(duì)于低噪聲水下目標(biāo)， 當(dāng)發(fā)射聲源級(jí)足夠大時(shí)， 艦載聲吶和聲吶浮標(biāo)雙基地協(xié)同工作模式相對(duì)于單基地工作模式仍具備搜索面積優(yōu)勢(shì).

圖 4 低噪聲目標(biāo)搜索優(yōu)勢(shì)系數(shù)與歸一化基線距離關(guān)系

當(dāng)安靜型目標(biāo)輻射噪聲總聲級(jí)為125 dB， 艦載聲吶聲源級(jí)分別取230 dB， 220 dB， 210 dB和200 dB時(shí)， 圖 5 給出了艦載聲吶與被動(dòng)聲吶浮標(biāo)協(xié)同工作時(shí)搜索優(yōu)勢(shì)系數(shù)隨歸一化基線距離增大的變化. 與圖 2 和圖 3 相似， 擴(kuò)展面積隨歸一化基線距離的增大先增加后減小. 發(fā)射聲源級(jí)為200 dB～230 dB時(shí)搜索優(yōu)勢(shì)系數(shù)在歸一化基線距離3.6以內(nèi)遠(yuǎn)大于1， 相對(duì)于被動(dòng)聲吶浮標(biāo)單基地工作模式具備非常明顯的搜索面積優(yōu)勢(shì)， 擴(kuò)展面積大大增加， 當(dāng)聲源級(jí)為230 dB時(shí)， 搜索面積優(yōu)勢(shì)可以保持至歸一化基線距離5附近. 對(duì)于安靜型水下目標(biāo)， 艦載聲吶和聲吶浮標(biāo)雙基地協(xié)同工作模式相對(duì)于單基地工作模式具有非常明顯的搜索面積優(yōu)勢(shì)， 發(fā)射聲源級(jí)越大， 優(yōu)勢(shì)越明顯.

圖 5 安靜型目標(biāo)搜索優(yōu)勢(shì)系數(shù)與歸一化基線距離關(guān)系

對(duì)比圖 2～圖 4 可見(jiàn)， 艦載聲吶與被動(dòng)聲吶浮標(biāo)協(xié)同雙基地搜潛時(shí)， 水下目標(biāo)輻射噪聲越低， 被動(dòng)聲吶浮標(biāo)探測(cè)效果越差， 協(xié)同雙基地的優(yōu)勢(shì)越明顯. 水下目標(biāo)相同輻射噪聲級(jí)條件下， 艦載聲吶發(fā)射聲源級(jí)越大， 協(xié)同雙基地優(yōu)勢(shì)越明顯. 雙基地的工作模式可以擴(kuò)展到多基地工作模式， 艦載聲吶發(fā)射大功率發(fā)射信號(hào)， 反潛飛機(jī)布設(shè)多枚被動(dòng)聲吶浮標(biāo)， 艦載聲吶和聲吶浮標(biāo)構(gòu)成多基地工作模式， 相對(duì)于單基地工作模式搜索面積優(yōu)勢(shì)明顯.

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從聲吶方程出發(fā)， 建立了艦載聲吶與航空聲吶浮標(biāo)協(xié)同工作時(shí)的探測(cè)范圍模型， 仿真分析了該工作模式相對(duì)于單基地工作模式的優(yōu)勢(shì). 結(jié)果表明： 對(duì)于低噪聲目標(biāo)， 輻射噪聲總聲級(jí)越低， 發(fā)射聲源級(jí)越大， 協(xié)同雙基地的搜索范圍優(yōu)勢(shì)越明顯， 對(duì)于安靜型目標(biāo)， 協(xié)同雙基地的搜索范圍在較大的基線距離范圍內(nèi)具有顯著優(yōu)勢(shì)， 對(duì)于高噪聲目標(biāo)， 協(xié)同雙基地搜索范圍優(yōu)勢(shì)喪失. 艦載聲吶和多枚聲吶浮標(biāo)構(gòu)成多基地工作模式， 是應(yīng)對(duì)低噪聲和安靜型水下目標(biāo)威脅的有效手段.