一種估計吊放聲吶工作深度的簡易方法

戰(zhàn)和，金中原，楊日杰

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一種估計吊放聲吶工作深度的簡易方法

戰(zhàn)和1,2，金中原1，楊日杰1

(1. 海軍航空工程學院，山東煙臺 264001；2. 92074部隊，浙江寧波 315020)

反潛戰(zhàn)中，吊放聲吶的工作深度對探測效果影響較大，研究如何根據(jù)不同聲速剖面確定最佳工作深度使探測距離達到最遠，可有效提高探測效率。先將聲速剖面劃分為典型的幾類，然后設計了一種使計算機能夠自動識別其類型的方法，再在此基礎上利用Bellhop模型找出不同聲速剖面下的最佳工作深度規(guī)律。仿真結果證明快速算法在一定條件下可替代逐深度計算聲吶作用距離，再通過比較選出最佳工作深度的傳統(tǒng)算法的。

反潛戰(zhàn)；聲速剖面識別；吊放聲吶；最佳工作深度

0 引言

在直升機反潛作戰(zhàn)中，獲取作戰(zhàn)海區(qū)的聲速剖面并根據(jù)該聲速剖面快速確定吊放聲吶的工作深度[1-2]，以使吊放聲吶的探測效果達到最佳，是影響直升機吊放聲吶探潛效果的決定性因素[3]。尋找最佳深度的傳統(tǒng)方法是利用水聲傳播模型計算各個工作深度上的作用距離，以最遠者為最佳[1]。由于是逐深度計算，該方法計算精度很高，但速度卻十分緩慢，可供理論研究使用，卻無法滿足作戰(zhàn)中的實時性要求。因此，可考慮研究傳統(tǒng)方法的結論，總結歸納相應規(guī)律，研究一種在聲速剖面數(shù)據(jù)基礎上，能夠自動識別聲速剖面類型并利用規(guī)律快速給出吊放聲吶最佳工作深度的方法，具有顯著的軍事效益。

1 聲速剖面類型劃分

由于經緯度、海域、洋流、季節(jié)甚至測量時刻的不同，獲得的聲速剖面曲線也不同。有關資料將海洋中0~500 m深度內所有可能出現(xiàn)的聲速剖面劃分為8種類型，其中包含了夏季在30~100 m深度左右的溫度躍層的剖面。聲速剖面體現(xiàn)了聲速值隨水深變化的趨勢，根據(jù)該變化趨勢，進一步可歸納出4種典型的聲速剖面，如圖1所示。

在最佳工作深度選擇的意義下，海洋聲速剖面可大致歸納為四種聲速剖面類型：A、正梯度聲速剖面，聲速值隨深度加深而增大；B、負梯度聲速剖面，聲速值隨深度加深而減??；C、存在非兩端極大值的聲速剖面，且聲速值隨深度加深先增大后減??；D、存在非兩端極小值的聲速剖面，且聲速值隨深度加深先減小后增大。

2 聲速剖面類型識別算法

獲取聲速剖面的手段多種多樣，但是不論通過何種方式方法獲取聲速剖面，也不論獲取的聲速剖面屬于何種類型，對計算機而言，都只是若干“深度-聲速”數(shù)據(jù)對。因此，在基于聲速剖面類型選擇最佳工作深度之前，必須設計適當?shù)乃惴ㄊ褂嬎銠C能夠對聲速剖面的類型進行識別。

觀察圖1中四條聲速剖面曲線，能夠發(fā)現(xiàn)他們都可以表示為二次曲線的一部分，故可考慮利用二次曲線的數(shù)學特征，采用二次曲線擬合，獲取二次項擬合系數(shù)a2和一次項擬合系數(shù)a1；再通過簡單運算得到二次曲線的對稱軸所在深度-a1/2*a2，記為Dmid。將聲速剖面起點深度記為D0，終點深度記為Dmax(Dmax>D0)，則可由a2的正負結合Dmid、D0、Dmax之間的大小關系將獲取的任意聲速剖面識別歸類至圖1定義的四種類型。為形象說明該算法，特繪制如圖2所示的類型識別示意圖。

圖2中顯示的是聲速-深度坐標系下，二次項系數(shù)分別取正、負值時的標準二次曲線，結合圖1中劃分出的四種常見的聲速剖面類型，可發(fā)現(xiàn)各種類型的聲速剖面從圖形上都是二次曲線的一部分。例如，方框A選中部分沿深度方向呈簡單的正梯度，因此可視為A型聲速剖面，同理方框B、方框C、方框D選中部分也可分別視為B、C、D型聲速剖面。

因此，可設計識別算法如下：

(1) 為減少運算量，僅取出聲速剖面中位于深度標準層上的聲速值，當海深較淺時可適當插入其他深度對應的聲速值；

(2) 以標準層深度值作為自變量、對應聲速值作為函數(shù)值，擬合為一條二次曲線，計算出a1、a2和Dmid的值；

(3) 根據(jù)圖2中的六個方框進行分類討論：a2<0且Dmid>Dmax時識別為A型聲速剖面；a2<0且DmidDmid>D0時識別為C型聲速剖面；a2>0且Dmid>Dmax時識別為B型聲速剖面；a2>0且Dmid0且Dmax>Dmid>D0時識別為D型聲速剖面。算法流程如圖3所示。

3 最佳工作深度分析

吊放聲吶在某種聲速剖面下的最佳工作深度，指的就是使吊放聲吶能夠獲得最佳聲傳播條件的深度，意味著在這個深度上吊放聲吶可獲得最大的作用距離。而影響吊放聲吶作用距離的因素很多，除聲速剖面外，還包括海底底質[4]、海水吸收系數(shù)等環(huán)境因素，聲吶工作頻率、接收機檢測閾、處理增益等設備因素，目標深度、目標強度等外在因素。為此，本文在假定其他因素一定的情況下，通過仿真分析典型聲速剖面下不同工作深度上的作用距離，找出最佳工作深度。

計算作用距離時選用Bellhop模型[5-7]，限于篇幅，本文僅以B型聲速剖面為例詳細介紹最佳工作深度的推理過程。仿真條件如下：海深為800 m、海底底質為砂-粉砂-粘土混合型底質(密度為1550 kg/m3)、壓縮波波速為1566 m/s、壓縮波衰減系數(shù)為0.2 dB/λ、切變波波速和切變波衰減系數(shù)取0、B型聲速剖面(負梯度)、噪聲級為58 dB、吊放聲吶聲源級為203 dB、目標強度為10 dB、處理增益為14 dB、檢測閾為10 dB(檢測概率50%)、頻率為3 kHz、水平波束開角為±30°、目標深度為500 m。

圖4為吊放聲吶工作深度從15~300 m變化時對應的作用距離變化曲線。從圖中可以看出，作用距離隨吊放深度的變化波動較大，但整體趨勢體現(xiàn)為吊放深度越深，作用距離越遠。對于該現(xiàn)象可以這樣理解：B型聲速梯度下聲線向下彎曲，吊放深度越深，經海表反射的聲線數(shù)量就越少，反射損失就少，作用距離相對較大；當?shù)醴派疃壤^續(xù)加深到一定程度時，發(fā)射的聲線在未達到海表時已“折”向下，避免了海表反射，作用距離則進一步增大。

從圖4中還可看到，作用距離在100 m深度附近有較大提升，這是由于仿真中假設目標位于100 m，此時聲波往返路程較短，海水吸收少，信號余量大?？紤]到水下目標出于隱蔽的目的，其活動深度往往處于溫度(聲速)躍層下沿，因此可在已知目標深度時將目標深度作為吊放聲吶最佳工作深度；目標深度未知時，若吊放聲吶電纜長度足夠，應選擇海深中點作為吊放聲吶的最佳工作深度。

利用同樣的推理過程，對其他三種類型的聲速剖面，可得到以下結論：在目標深度未知時，A型聲速剖面下應選擇海深中點深度；C型聲速剖面下應選擇下半段曲線中點深度；D型聲速剖面下應選擇曲線拐點深度。在已知目標深度時，均選擇目標深度作為吊放聲吶最佳工作深度。

4 性能分析

理論上，利用Bellhop模型逐深度計算吊放聲吶作用距離求取最佳工作深度的傳統(tǒng)方法必然是最精確的，其結論也可作為“真值”對其他方法進行精度檢測。但該方法最致命的缺陷在于計算速度過慢，無法滿足反潛直升機空中作業(yè)的實時性要求。而本文中提出的快速算法可大大提高運算速度，至于結果的準確程度則可以通過與傳統(tǒng)算法的對比分析得知，如表1所示。

表1 快速算法與傳統(tǒng)算法對比分析表

表1是快速算法和傳統(tǒng)算法的對比分析表，計算條件中水深為800 m，C、D兩種聲速剖面的聲速拐點深度為200 m，其余條件與上節(jié)相同。

表中列出了四種典型聲速剖面下分別使用兩種算法求得的最佳工作深度、在該深度上對應的吊放聲吶作用距離和計算耗時，其中作用距離一項由Bellhop模型在對應深度上求得，用以檢測快速算法給出的最佳工作深度精度。

從表中可以看出，快速算法的計算耗時僅為毫秒級(調試發(fā)現(xiàn)其中還有30多毫秒耗費在擬合運算中)，比逐深度計算的傳統(tǒng)算法快了4個數(shù)量級，大大提高了運算速度；而且針對D型聲速剖面，快速算法結論與真值完全一致；對于其他三型聲速剖面，雖然從作用距離方面看，快速算法的結果與理論上的“最佳”存在一定誤差，但由深度誤差引入的探測距離誤差最大時依然控制在25%左右，對水聲作用距離而言，該誤差范圍是可接受的[8-9]。因此，在對計算速度要求較高時可使用快速算法替代傳統(tǒng)算法。

5 結論

通過對不同聲速剖面下吊放聲吶最佳工作深度規(guī)律的研究，結合聲速剖面的劃分和自動識別方法，構建了一種快速計算吊放聲吶最佳工作深度的算法。在作戰(zhàn)和訓練中獲取作戰(zhàn)海域的深度-聲速數(shù)據(jù)后，利用該算法可快速自動識別聲速剖面類型，并計算出吊放聲吶的最佳工作深度，可作為機載輔助決策系統(tǒng)的一個有效工具。

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Simple approach to getting working depth of dipping-sonar

ZHAN He1,2, JIN Zhong-yuan1, YANG Ri-jie1

(1. Naval Aeronautics and Astronautics University,Yantai 264001,Shandong, China; 2.Unit 92074,PLA,Ningbo315020,Zhejiang, China)

In anti-submarine warfare, the working depth of dipping-sonar greatly affects detection results. Research on the optimum working depths under different sound speed profiles for the longest distance detection is helpful to improve the detection efficient of dipping sonar. In this paper, the sound speed profiles are firstly classified into typical types, then a smart fast algorithm is designed to achieve auto-recognition by computer; and finally with the Bellhop model, the change regulation of the optimum working depth for different types of sound speed profiles is figured out. Simulation results show that in some conditions the fast algorithm could be a substitution of the traditional algorithm, with which the detection distance of every depth needs to be calculated and then by comparing each other to select an optimal working depth.

anti-submarine warfare; classification of sound speed profiles; dipping-sonar; optimal working depth

TB566

A

1000-3630(2016)-01-0029-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.01.007

2015-10-26;

2015-12-30

國家自然科學基金資助項目(61271444)

戰(zhàn)和(1984－), 男, 山東龍口人, 博士研究生, 研究方向為水聲工程與航空反潛。

戰(zhàn)和, E-mail: zhanhe@foxmail.com