三元陣被動測距在淺海低頻條件下的聲速修正

陳艷麗，宮在曉，郭良浩，章偉裕

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三元陣被動測距在淺海低頻條件下的聲速修正

陳艷麗1,2，宮在曉1，郭良浩1，章偉裕1,2

(1. 中國科學院聲學研究所聲場聲信息國家重點實驗室，北京 100080；2. 中國科學院大學，北京 100080)

聲速是三點被動測距方法中影響距離解算精度的重要參數(shù)，當聲吶系統(tǒng)的工作頻率較高時,一般直接使用海水聲速。但隨著遠距離探測聲吶技術(shù)的發(fā)展，聲吶工作頻率越來越低。淺海波導中傳播的低頻聲信號的相速度和群速度明顯不同于海水聲速，選取哪個聲速項用于距離解算是一個值得研究的問題。通過理論分析與pekeris波導中的數(shù)值仿真，確定了三點被動測距解算公式中的速度項應為相速度。仿真結(jié)果表明選用簡正波相速度用于距離解算能有效降低淺海低頻時三點被動測距方法的誤差。

低頻聲場；淺海波導；三點被動測距；聲速選取

0 引言

為提高被動三元陣的測距[1-3]精度，國內(nèi)外學者對時延測量誤差和安裝精度誤差進行了深入研究，但對于速度參數(shù)的選取問題卻鮮有問津。之前的應用中由于聲吶工作頻段較高，距離解算的速度項一般取海水聲速。目前隨著聲吶技術(shù)的發(fā)展和遠距離探測的需要，低頻化已成為聲吶發(fā)展的方向。頻率降低后，淺海波導聲傳播中簡正波的相速度、群速度與海水聲速的差異將變大[4]，此時三點測距方法中聲速選取是否準確對距離解算會有較大影響，故有必要對低頻淺海聲場中三點測距方法聲速的選取進行研究。

本文通過理論分析和pekeris波導中的數(shù)值仿真得出三點被動測距距離解算公式中速度項應為相速度。

1 三點測距模型

圖1 三元陣被動測距模型

公式(4)表明，基陣安裝精度、時延估計和聲速參數(shù)都對測距結(jié)果有影響。理論上，聲速項相對誤差與測距相對誤差有如下關(guān)系：

由式(5)可知，聲速的正確選取對精確測距有著重要影響。之前對三點測距性能改進的研究，內(nèi)容多集中于基陣安裝和時延估計[1]方面，關(guān)于聲速選取的研究甚少。宮在曉等人對簡正波聲場中測向方法應選取的聲速進行了修正[5]，本文則對低頻淺海聲場時三元陣被動測距最佳聲速(參考聲速)的選取進行研究。

2 理論分析

各階簡正波的相速度和群速度分別為

分析式(10)可知，在相關(guān)函數(shù)最大值處有

三點測距公式使用時，一般采用廣義互相法得到相鄰陣元接收信號的時延差，由式(1)、(2)、(3)可得：

3 數(shù)值仿真

仿真環(huán)境為Pekeris波導，海深100 m，海水聲速1500 m/s、密度1.0 g/cm3，海底聲速1600 m/s、密度1.85 g/cm3。用KRAKEN聲場計算程序[6]產(chǎn)生仿真所用的數(shù)據(jù)，仿真分為兩部分，第一部分按理論分析的思路進行聲速選取的驗證；第二部分進行三點測距仿真，探究聲速選取帶來的測距誤差。

3.1 聲速選取驗證

窄帶聲信號的頻段分別為20~30 Hz、30~50 Hz和50~100 Hz時，其激發(fā)的簡正波相速度及處理得到的參考聲速分別如圖2~7所示。

圖2 20~30 Hz頻段簡正波相速度

圖3 20~30 Hz頻段參考聲速

圖4 30~50 Hz頻段簡正波相速度

圖5 30~50 Hz頻段參考聲速

圖6 50~100 Hz頻段簡正波相速度

圖7 50~100 Hz頻段參考聲速

將圖2和圖3、圖4和圖5、圖6和圖7進行對比，可以看出參考聲速并非海水聲速1500 m/s，而是與聲源激發(fā)的簡正波相速度范圍一致。

同時，不同頻率的參考聲速也有較大差異，如圖3、5、7所示，當信號僅激發(fā)一階簡正波時，參考聲速在不同距離上數(shù)值穩(wěn)定；但信號激發(fā)簡正波多于一階時，參考聲速出現(xiàn)震蕩，且震蕩隨簡正波階數(shù)增多而加劇。通過程序參數(shù)設定使30~50 Hz、50~100 Hz激發(fā)信號中只含單階簡正波，重復上述仿真，得到的參考聲速無震蕩且在各自對應階簡正波的相速度范圍之內(nèi)，說明不同階簡正波之間的干涉引起了參考聲速的震蕩。

3.2 三點測距仿真

圖8 20~30 Hz頻段0°方向測距誤差

圖9 30~50 Hz頻段0°方向測距誤差

圖10 50~100 Hz頻段0°方向測距誤差

4 結(jié)論

理論分析和Pekeris波導中的數(shù)值仿真表明：在低頻淺海聲場條件下，為減小測距誤差，三點測距方法應采用的聲速并非是海水聲速，而應是簡正波相速度。本文所討論的結(jié)果對低頻三點測距方法具有一定的指導價值，但后續(xù)還需進一步開展參考聲速自適應選取研究和實驗數(shù)據(jù)驗證等工作。

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The correction of velocity parameter for passive ranging of three-element array at low frequency in shallow water

CHEN Yan-li1,2, GONG Zai-xiao1, GUO Liang- hao1, ZHANG Wei-yu1,2

(1. State Key Laboratory of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China)

The velocity parameter is an important parameter for the passive ranging of three-element array. When the sonar works at high frequency, the velocity parameter is usually set as the sound speed of water. With the sonar technology developing for the long range detection, sonar frequency is becoming much lower. Phase velocity and group velocity of low-frequency sound in shallow water are completely different from the sound speed of water. So, it is important for getting a higher ranging accuracy to determine which velocity should be chosen for passive ranging of three-element array. Theoretical analysis and simulation results in Pekeris waveguide show that the phase velocity should be used for passive ranging of three-element array at low frequency in shallow water, and it could improve the ranging accuracy effectively.

low-frequency sound field; shallow-water wave guide; passive ranging of three-element array; sound speed

TN011.6

A

1000-3630(2014)-06-0485-04

10.3969/j.issn1000-3630.2014.06.001

2014-01-13;

2014-04-17

國家自然科學基金資助項目(11074269, 11174312)。

陳艷麗(1988－), 女, 河南洛陽人, 博士研究生, 研究方向為水聲 信號處理。

陳艷麗, E-mail: chenyanli@mail.ioa.ac.cn