負梯度淺海混響條件下吊放聲納主動探測深度研究

孫明太，周利輝，趙志允

（海軍航空工程學院青島校區(qū)，山東青島266041）

當前反潛重點已由深海轉(zhuǎn)入淺海海域，混響往往成為吊放聲納（以下簡稱吊聲）主要干擾。在海上實驗過程中發(fā)現(xiàn)，吊聲在負梯度聲速梯度條件下，通過調(diào)整探潛深度可產(chǎn)生混響聚集、回聲信號純凈的現(xiàn)象。通過仿真和對吊聲信號的分析發(fā)現(xiàn)，負梯度條件下，混響級隨時延衰減的同時，在某些時段會出現(xiàn)“峰”現(xiàn)象，混響級明顯高于相鄰時段。

淺?；祉懸院５谆祉憺橹鳌：５谆祉懙挠嬎?，主要包括聲源到海底散射源的傳播，海底散射源散射過程以及散射源到接收器的傳播過程；吊聲收發(fā)合置，聲源與接收器處于同一位置。聲納與散射源之間的傳播過程，目前主要以球面波體積擴展衰減和簡正波方法進行研究[1-6]；海底散射源的散射包括不平整界面散射和海底沉積物體積散射，分別采用Lambert 模型及修正、GKirchhoff近似及擾動近似理論、體積散射理論進行分析。Jackson 等人提出了單基地高頻海底散射模型[6]，分析了反向散射強度與掠射角、頻率、海底聲學參數(shù)的關系。

吊聲工作頻率較高，若采用球面波體積擴展衰減，計算簡便，但假設條件過于理想；若采用簡正波計算吊聲與海底散射源之間的傳播因素，高頻情況下計算量較大。因此，本文采用高斯束射線Bellhop模型[7]計算混響傳播衰減，采用Jackson 模型計算海底反向散射截面，進而計算混響衰減，結合信號余量的分析，對混響干擾下吊聲工作深度的選擇進行研究。

1 淺?；祉懹嬎?/h2>

1.1 混響級

混響是由于海洋中大量無規(guī)則散射體及起伏不平的界面對入射聲信號產(chǎn)生散射，在接收點上接收到的所有散射波的總和。混響的產(chǎn)生包括3 個過程：聲源傳播到散射源，散射源的散射過程以及散射聲波傳播到接收器。根據(jù)散射源不同可分為體積混響、海面混響、海底混響。在淺海中，混響強度的預報往往只需要考慮海底散射而忽略海面和體積散射。

本文采用Bellhop 模型計算聲源傳播到海底散射源和散射聲壓在接收器處的混響強度，海底散射源的散射過程采用Jackson模型。

時刻t的平均混響級為：

式（1）中：Q0為聲源級；Hm、θmn分別為沿著路徑m從吊聲主動基陣到海底散射元dAmn的傳播與掠射角；Hn、θ′mn分別為沿著路徑n從海底散射元dAmn到吊聲接收基陣的傳播與掠射角；A(t)為脈寬時間τ0在時刻t對混響有貢獻的所有海底散射面積；sb為海底散射元反向散射參數(shù)；B為吊聲發(fā)射指向性圖；B′為吊聲接收指向性圖。

1.2 海底反向散射參數(shù)

根據(jù)Jackson 模型，對于單基地聲納，設掠射角為θ，海底反向散射截面為sb(θ)=σbv+σbr。其中，σbr為不平整海底界面的散射截面，σbv為海底沉積物的體積散射截面。在小掠射角情況下，σbv為海底反向散射的主要貢獻。吊聲發(fā)射主動信號時，垂直波束寬度往往在±15°以內(nèi)，滿足小掠射角條件。因此，在計算吊聲主動探測混響級時僅需對σbv進行計算[8-9]。

式（2）～（6）中：k為波數(shù)；ρ為海底沉積層與海水密度之比；v為海底沉積層與海水聲速之比，δ為沉積物中虛波數(shù)和實波數(shù)的比率；w3為不均一性強度；γ3為不均一性指數(shù)；μ為沉積物中密度擾動的壓縮比；h0為平衡量綱設定的參考長度（1 cm）。

1.3 混響傳播因數(shù)

Porter 等人開發(fā)的Bellhop 模式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。假設海底平坦，海深為z0，設吊聲位置位于(zs,0)，散射元位于(z0,r)。根據(jù)Bellhop 模型，聲能疊加采用半相干的計算方法，吊聲位置(zs,0)到海底(z0,r)處的傳播影響為：

式（7）、（8）中：U(θ)為與掠射角θ有關的聲線振幅的權重函數(shù)；N為由聲源到達海底散射元dAmn的特征聲線的個數(shù)；ω為圓頻率；c0分別為聲源處的聲速；pj(r,z0)由Bellhop模型計算。

由聲場的互易性，對于收發(fā)合置的吊聲，Hm(θmn)=Hn(θ′mn)=H(θ)，僅需計算H(θ)。設吊聲距海底高度為h，根據(jù)r=h/sinθ進行坐標轉(zhuǎn)換，獲取Bellhop模型計算結果，求得H(θ)。

1.4 海底散射面積與混響級計算

吊聲發(fā)射主動信號時，垂直波束寬度往往在±15°以內(nèi)，滿足小掠射角條件。設脈寬為τ，對混響有貢獻的海底散射面積A(t)近似為一個半徑為r，寬度為0.5ct的海底圓環(huán)[10-11]。如圖1所示，可以看出，dAmn≈rdφdr，θ=arcsin(h/r)=arcsin(2h/ct)。

圖1 海底散射面積計算

對于平坦海底，由于海底反向散射的各向同性，混響級計算起始時間為t0=2h/(csinθ)。混響為

設B(θ,φ)=1，水平波束寬度Φ為12°，B′(θ,φ)為

則混響級化簡為

2 仿真與結果分析

2.1 海底混響計算與分析

設吊放聲納聲源級為216 dB，發(fā)射頻率9.0 kHz，發(fā)射脈寬39 ms，垂直波束寬度-15°～+15°。海水平均聲速為c=1 500 m/s，t從t0到12 s以間隔0.001 s進行離散化。設反潛海域海深為70 m，泥沙底。為了分析梯度值對混響級的影響，取等聲速與負梯度聲場條件，聲速梯度值分別為0 s-1、-0.085 7 s-1、-0.228 6 s-1、-0.371 4 s-1。吊聲主動工作探潛深度在5～65 m 之間，間隔5 m取13個離散的值。圖2～5為4個聲速梯度值條件下，吊聲不同探潛深度時，在12 s內(nèi)，海底混響隨時延衰減情況。

圖2 等聲速條件下海底混響級

圖3 聲速梯度-0.085 7 s-1條件下海底混響級

圖4 聲速梯度-0.228 6 s-1條件下海底混響級

圖5 聲速梯度-0.371 4 s-1條件下海底混響級

從圖2～5 可以看出，混響級總體上隨吊聲深度增大，隨時延衰減。在負梯度條件下，在某些時刻出現(xiàn)混響“峰”現(xiàn)象，這是由于聲線向海底彎曲造成的；在等聲速條件下，僅在接近海底的深度出現(xiàn)較弱的混響“峰”現(xiàn)象。

混響峰數(shù)值分析結果見表1所示。從圖3～5及表1可以看出，聲速梯度和吊聲深度相同前提下，混響峰高度隨時延變小，峰之間間隔減小，但不明顯；聲速梯度相同，吊聲深度不同時，混響峰高度隨深度增大，峰之間間隔變小，即吊聲深度減小時，混響峰呈現(xiàn)“展寬”現(xiàn)象；當聲速梯度不同時，隨著梯度值增大，混響峰高度增大，混響峰間隔減小，即隨著聲速梯度值減小時，混響峰呈現(xiàn)“展寬”現(xiàn)象；混響峰比相鄰時間段混響級高15～20 dB左右，其中第1個“峰”時刻超出最多，其余依次遞減；在接近海底的深度上，混響峰現(xiàn)象減弱，但整體上混響值較大。仿真與分析結果解釋了吊聲海上試驗過程中通過調(diào)整探潛深度可以使得混響“聚集”的現(xiàn)象。

表1 混響首峰高度及峰間隔均值

2.2 吊聲信號余量估算

設距離吊聲足夠小距離s0處的聲壓為q0(t)，則吊聲發(fā)射聲源聲能級定義[12]為：

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

式（9）、（10）中：ρ0c0為吊聲處海水特性阻抗；PΩ為單位立體角聲功率。

設聲能傳播損失因子為F，則，

聲能傳播損失定義為

設聲納傳感器處的信混比Rhp，波束形成后的信混比為Rarr，則聲納列增益為

設吊聲信混比門限，即檢測概率為p時的信混比為Rp，則檢測閾為

信號余量定義為：

根據(jù)聲納方程各項的估算，即可計算吊聲陣列輸出信號余量SEE。

2.3 負梯度淺海條件下吊聲主動探測深度選擇

不失一般性，取梯度值為-0.228 6 s-1的負梯度聲速條件，吊聲探測深度為10 m、25 m，潛艇目標弦角60°，潛艇處于不同深度時的信號余量計算結果如圖6所示?？梢钥闯?，吊聲在10 m、25 m探測時，大多數(shù)混響峰處于不同時延處。計算結果顯示，混響峰出現(xiàn)時，信號余量低于0，吊聲很難發(fā)現(xiàn)潛艇目標；混響峰出現(xiàn)與否，信號余量相差最大可達10 dB以上；在同一距離上，當潛艇深度不同時，信號余量通常在小于3～5 dB。

圖6 聲速梯度-0.228 6 s-1條件吊聲10 m、25 m探潛時信號余量分析

經(jīng)分析可知，負梯度條件下混響為主要干擾背景時，由于混響峰現(xiàn)象的存在，不應單獨考慮同深探測的問題。通過對從圖3～5及表1的分析，總體上看，吊聲應盡量在靠近海面的深度進行探測，此時混響級整體水平較低，且混響峰高度最小，峰之間間隔也較大；同時吊聲應適當增大深度補充探測一次，以免回聲信號掩蔽在混響峰區(qū)域。例如，在圖5所示的情況下，吊聲在10 m 探潛時，在4.56 s 處出現(xiàn)混響峰，當潛艇目標距離吊聲3.41 km，且深度在10～60 m 之間時，信號余量為-8～-4 dB之間，吊聲很難發(fā)現(xiàn)潛艇。此時，若吊聲改變探測深度，在25 m 探測，可使目標回波信號偏離混響峰時刻，此時信號余量為-1～2 dB之間，吊聲發(fā)現(xiàn)概率明顯提高。

3 結論

仿真與分析結果表明，負梯度條件下，淺?；祉懻w隨時間衰減，在某些時刻出現(xiàn)“峰”現(xiàn)象，混響級高于相鄰時間段10～15 dB。其出現(xiàn)時刻（即位置）、間隔、高度隨時延變??；隨著吊聲工作深度減小，混響峰數(shù)量、高度減小，間隔增大，呈現(xiàn)展寬現(xiàn)象；隨著梯度值減小，混響峰高度減小，混響峰間隔增大，也呈現(xiàn)展寬現(xiàn)象，混響峰現(xiàn)象減弱；在接近海底的深度上，混響峰現(xiàn)象減弱，整體上混響值較大。

負梯度淺海條件下，吊聲主動探測時，吊聲應首先在接近海面深度探測，使混響能量集中在較小的時間間隔內(nèi)；然后，適當增大工作深度進行補充探測，避免潛艇目標回聲信號掩蔽在混響峰區(qū)域，以提高搜潛效果。

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