艦載聲吶與航空吊放聲吶協(xié)同雙基地搜索范圍研究

韓建輝，楊日杰，鄭曉慶，李大衛(wèi)

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艦載聲吶與航空吊放聲吶協(xié)同雙基地搜索范圍研究

韓建輝1,2，楊日杰2，鄭曉慶2，李大衛(wèi)2

(1. 西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西西安 710072； 2. 海軍航空工程學(xué)院電子信息工程系，山東煙臺(tái) 264001)

針對(duì)艦載聲吶與航空吊放聲吶構(gòu)成的異類傳感器雙基地工作問(wèn)題，建立了基于聲吶方程的海洋環(huán)境噪聲背景下雙基地搜索范圍模型。在艦載聲吶與航空吊放聲吶雙基地協(xié)同工作系統(tǒng)中，艦載聲吶發(fā)射探測(cè)信號(hào)，艦載聲吶和航空吊放聲吶均接收水下目標(biāo)回波信號(hào)。根據(jù)能量關(guān)系建立了擴(kuò)展面積、擴(kuò)展距離、等效半徑模型，定量分析了聲源級(jí)、基線長(zhǎng)度等因素對(duì)系統(tǒng)搜索范圍的影響。仿真結(jié)果表明，當(dāng)艦載聲吶聲源級(jí)相對(duì)于吊放聲吶聲源級(jí)足夠大時(shí)，協(xié)同雙基地工作模式在較大的基線長(zhǎng)度范圍內(nèi)不僅在搜索范圍上優(yōu)于艦載聲吶和吊放聲吶均獨(dú)立工作時(shí)的單基地聯(lián)合搜潛，而且在搜索寬度上也有優(yōu)勢(shì)。

雙基地聲吶；搜潛范圍；航空吊放聲吶；艦載聲吶

0 引言

隨著減震降噪、消聲等技術(shù)的不斷發(fā)展和制造工藝的不斷升級(jí)與完善，水下目標(biāo)的輻射噪聲級(jí)越來(lái)越低，主動(dòng)反射波越來(lái)越弱，其隱身能力得到了持續(xù)的改進(jìn)。水下目標(biāo)隱身能力的增強(qiáng)對(duì)聲吶系統(tǒng)的搜索、檢測(cè)、跟蹤和目標(biāo)識(shí)別等形成了巨大的挑戰(zhàn)，使傳統(tǒng)的吊放聲吶、聲吶浮標(biāo)、艦殼聲吶和拖曳聲吶等對(duì)水下目標(biāo)的探測(cè)能力明顯降低，作用距離快速減小，水下目標(biāo)搜索任務(wù)變得越來(lái)越困難。多基地聲吶技術(shù)是應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的有效方法之一，聲吶接收機(jī)和發(fā)射機(jī)分置，接收機(jī)遠(yuǎn)距離接收水下目標(biāo)反射回波。由于接收機(jī)不輻射聲能量，水下目標(biāo)難以判斷其是否存在，隱蔽性好，同時(shí)可利用主動(dòng)大功率聲源的能量?jī)?yōu)勢(shì)，提高探測(cè)距離。艦載聲吶與航空吊放聲吶多基地搜索是一種可行的多基地工作方式，艦載聲吶發(fā)射大功率探測(cè)聲信號(hào)，航空吊放聲吶接收水下目標(biāo)反射回波，通過(guò)機(jī)載聲吶信號(hào)處理系統(tǒng)完成對(duì)目標(biāo)的探測(cè)和定位。

文獻(xiàn)[1]研究了海洋環(huán)境噪聲背景下雙基地聲吶探測(cè)范圍，分析了雙基地的優(yōu)勢(shì)區(qū)域和優(yōu)勢(shì)角。文獻(xiàn)[2]給出了多基地聲吶在浮標(biāo)布陣中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[3]研究了多基地聲吶探測(cè)范圍。文獻(xiàn)[4]對(duì)混響背景下單、雙基地聲吶的探測(cè)范圍進(jìn)行了比較。文獻(xiàn)[5-9]研究了多基地聲吶系統(tǒng)的傳感器布設(shè)問(wèn)題。在上述文獻(xiàn)中為了簡(jiǎn)化分析常常忽略海水吸收，且常常將單個(gè)具有主被動(dòng)功能傳感器的發(fā)射參數(shù)和接收參數(shù)分別作為雙基地聲吶的收發(fā)參數(shù)，以此為基礎(chǔ)開(kāi)展研究，此時(shí)雙基地聲吶的最大探測(cè)范圍是以收、發(fā)基地為焦點(diǎn)的卵形線所圍面積。而實(shí)際搜索過(guò)程中異類聲吶傳感器聯(lián)合多基地探測(cè)也是重要的搜索方式之一。異類聲吶傳感器多基地搜索是否可以提高水下搜索范圍，其探測(cè)能力對(duì)于獨(dú)立聯(lián)合工作聲吶具有多大優(yōu)勢(shì)，并沒(méi)有進(jìn)行定量的分析。本文以多基地聲吶方程為基礎(chǔ)，從能量關(guān)系出發(fā)，對(duì)艦載聲吶與航空吊放聲吶多基地搜潛進(jìn)行研究，在仿真的基礎(chǔ)上定量分析其相對(duì)于獨(dú)立聯(lián)合工作的探測(cè)范圍和能力，對(duì)于艦載聲吶與航空吊放聲吶多基地水下搜索和使用具有重要的意義。

1 艦載聲吶與航空吊放聲吶多基地搜潛范圍

1.1 雙基地聲吶幾何配置

雙基地聲吶幾何配置關(guān)系如圖1所示。表示發(fā)射聲源，它可以作為聲源向水下輻射聲脈沖，也可以工作在單基地模式，同時(shí)具有發(fā)射聲波和接收目標(biāo)回波的功能。為接收機(jī)，它與發(fā)射機(jī)分開(kāi)一定的距離，以被動(dòng)方式工作，其位置難以被目標(biāo)確定，隱蔽性好。為水下目標(biāo)。為發(fā)射機(jī)到目標(biāo)的距離。為目標(biāo)至接收機(jī)的距離。通常，在接收端所測(cè)量的是距離和。在雙基地條件下，定義基線長(zhǎng)度為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離。為在聲波發(fā)射端所測(cè)量的波束指向角。為接收波束指向角。為分置角，定義為以目標(biāo)為頂點(diǎn)，發(fā)射基地、接收基地與目標(biāo)連線之間的夾角。

1.2 雙基地探測(cè)范圍

艦載聲吶發(fā)射大功率探測(cè)聲波，機(jī)載吊放聲吶接收目標(biāo)的反射回波。雙基地聲吶方程如下：

若艦載聲吶和機(jī)載聲吶均獨(dú)立工作，則相應(yīng)的艦載單基地聲吶方程為

(3)

(5)

艦載聲吶與航空吊放聲吶構(gòu)成的雙基地系統(tǒng)等效半徑[1]為。則有：

由式(6)容易看出，若艦載聲吶的聲源級(jí)高于吊放聲吶的聲源級(jí)，雙基地系統(tǒng)等效半徑大于吊放聲吶單基地作用距離。

式(6)確定的軌跡是以發(fā)射機(jī)和接收機(jī)為焦點(diǎn)的卡西尼卵形線，當(dāng)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)位于同一位置時(shí)，探測(cè)范圍是半徑為的圓；當(dāng)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)相距大于時(shí)，探測(cè)范圍分裂為兩個(gè)封閉區(qū)域。圖2給出了不同基線距離條件下雙基地系統(tǒng)的探測(cè)范圍。

假設(shè)艦載聲吶單基地工作半徑等于雙基地聲吶系統(tǒng)等效半徑。雙基地?cái)U(kuò)展面積定義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。圖3給出了擴(kuò)展面積示意圖，圖中左側(cè)為艦載聲吶單基地工作覆蓋范圍，卵形線為雙基地覆蓋范圍，虛線所圍面積即為雙基地?cái)U(kuò)展面積。

以艦載聲吶和吊放聲吶基線中點(diǎn)作為極點(diǎn)，以基線為極軸建立極坐標(biāo)系，對(duì)雙基地搜索面積進(jìn)行積分求解[1]，利用三角關(guān)系和積分因子冪級(jí)數(shù)展開(kāi)得到搜索面積和擴(kuò)展面積。

(8)

(10)

考慮到球面波傳播損失和海水吸收損失，

(13)

由于考慮了海水吸收損失，作用距離相對(duì)未考慮時(shí)下降，相應(yīng)的有效覆蓋面積也降低，其覆蓋范圍類似于卡西尼卵形線。當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)位于同一位置時(shí)，覆蓋范圍為圓形，隨著接收機(jī)距離發(fā)射機(jī)越來(lái)越遠(yuǎn)，覆蓋范圍封閉曲線開(kāi)始逐漸扭曲，最終分離為兩個(gè)獨(dú)立的封閉區(qū)域。與未考慮海水吸收損失時(shí)類似，此時(shí)的雙基地等效半徑即為雙基地覆蓋范圍開(kāi)始發(fā)生扭曲時(shí)基線長(zhǎng)度的一半，即

解方程可得：

(15)

2 仿真分析

2.1 不考慮聲吸收的理想情況下協(xié)同雙基地搜索范圍仿真

不考慮聲吸收，假設(shè)艦載聲吶單基地工作半徑等于雙基地聲吶系統(tǒng)等效半徑，為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)距離，歸一化基線距離為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)間的距離與雙基地聲吶系統(tǒng)等效半徑的比值。取值范圍為1~5。為艦載聲吶發(fā)射聲源級(jí)與吊放聲吶發(fā)射聲源級(jí)之差，取值范圍為[0,20]，單位為dB。吊放聲吶作用范圍為，艦載聲吶與吊放聲吶構(gòu)成的協(xié)同雙基地系統(tǒng)的擴(kuò)展面積為，擴(kuò)展面積比。不考慮海水吸收情況，圖4給出了擴(kuò)展面積比隨歸一化基線距離和聲源級(jí)差的變化關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)聲源級(jí)差一定、且時(shí)，擴(kuò)展面積隨著基線距離的增加而增加，當(dāng)時(shí)，擴(kuò)展面積隨著基線距離的增加而迅速減小。當(dāng)聲源級(jí)差比較小時(shí)，面積比小于1，此時(shí)擴(kuò)展面積相對(duì)于吊放聲吶探測(cè)范圍沒(méi)有增加，而隨著聲源級(jí)差的增加，面積比超過(guò)1，且聲源級(jí)差越大，增加速度越快。

2.2 考慮海水聲吸收時(shí)協(xié)同雙基地搜索范圍仿真

艦載聲吶作為主動(dòng)聲源發(fā)射探測(cè)信號(hào)，機(jī)載吊放聲吶與艦載聲吶同時(shí)接收水下目標(biāo)回波信號(hào)，構(gòu)成雙基地工作方式，這里稱為雙基地協(xié)同工作模式。采用數(shù)值解法分別仿真不同艦載聲吶聲源級(jí)條件下協(xié)同雙基地聲吶工作覆蓋范圍與雙基地?cái)U(kuò)展面積。

由公式(15)可得到雙基地等效半徑。圖5(a)給出了艦載聲吶聲源級(jí)取230 dB、基線距離分別取1～2.5倍等效半徑時(shí)，雙基地聲吶的工作覆蓋范圍，圖5(b)給出了相應(yīng)的擴(kuò)展面積比。此時(shí)雙基地等效半徑為30743 m?；€距離采用雙基地等效距離歸一化，擴(kuò)展面積指雙基地協(xié)同工作模式覆蓋范圍與艦載聲吶獨(dú)立工作覆蓋范圍之差，擴(kuò)展面積比定義為擴(kuò)展面積與吊放聲吶單基地工作覆蓋范圍的比值，即歸一化雙基地?cái)U(kuò)展面積。擴(kuò)展面積比大于1，則協(xié)同雙基地的搜索范圍大于艦載聲吶和吊放聲吶單基地工作范圍，協(xié)同雙基地工作搜索范圍存在優(yōu)勢(shì)，若擴(kuò)展面積比小于1，則搜索范圍優(yōu)勢(shì)喪失。

(a) 艦載聲吶與吊放聲吶雙基地工作覆蓋范圍對(duì)比，SL=230 dB

(b) 歸一化雙基地?cái)U(kuò)展面積比，SL=230 dB

圖5 雙基地工作范圍和擴(kuò)展面積比（V=230 dB）

Fig.5 Operation region and extended area ratio of bistaic sonar (SL=230 dB)

由圖5(a)可知，隨著吊放聲吶距離艦載發(fā)射源越來(lái)越遠(yuǎn)，雙基地聲吶覆蓋范圍越來(lái)越小，當(dāng)大于2倍等效半徑后覆蓋范圍分裂為兩個(gè)獨(dú)立區(qū)域，此后雙基地覆蓋范圍隨著基線長(zhǎng)度增加迅速降低。由圖5(b)可知，隨著基線距離的增加，雙基地協(xié)同工作模式下擴(kuò)展面積先增加后減小，基線距離為1.8時(shí)，擴(kuò)展面積達(dá)到最大值，為吊放聲吶單獨(dú)工作覆蓋范圍的1.93倍，基線距離在1.1~2.2范圍內(nèi)，擴(kuò)展面積均大于吊放聲吶獨(dú)立工作面積，在該基線范圍內(nèi)協(xié)同雙基地工作均可獲得搜索面積優(yōu)勢(shì)。

(a) 艦載聲吶與吊放聲吶雙基地工作覆蓋范圍對(duì)比，SL=220 dB

(b) 歸一化雙基地?cái)U(kuò)展面積比，SL=220 dB

圖6 雙基地工作范圍和擴(kuò)展面積比（SL=220 dB）

Fig.6 Operation region and extended area ratio of bistaic sonar (SL=220 dB)

當(dāng)艦載聲吶聲源級(jí)高于機(jī)載吊放聲吶聲源級(jí)較大時(shí)，雙基地協(xié)同工作模式在較大的基線分布范圍內(nèi)相對(duì)于艦載聲吶和機(jī)載吊放聲吶獨(dú)立工作均有搜索范圍優(yōu)勢(shì)，在優(yōu)勢(shì)基線范圍內(nèi)擴(kuò)展面積比先增加后減小，而當(dāng)艦載聲吶聲源級(jí)高于機(jī)載吊放聲吶聲源級(jí)較小時(shí)，雙基地協(xié)同工作模式搜索范圍優(yōu)勢(shì)逐漸減小，甚至喪失。

(a) 艦載聲吶與吊放聲吶雙基地工作覆蓋范圍對(duì)比，SL=210 dB

(b) 歸一化雙基地?cái)U(kuò)展面積比，SL=210 dB

圖7 雙基地工作范圍和擴(kuò)展面積比(SL=210 dB)

Fig.7 Operation region and extended area ratio of bistaic sonar (SL=210 dB)

表1 參數(shù)對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

本文從能量關(guān)系出發(fā)分析了艦載聲吶與航空吊放聲吶協(xié)同雙基地工作時(shí)的覆蓋范圍，給出了覆蓋面積的理論計(jì)算公式，比較了該工作模式與艦載聲吶和機(jī)載吊放聲吶獨(dú)立工作的優(yōu)勢(shì)，仿真結(jié)果表明，當(dāng)艦載聲吶聲源級(jí)相對(duì)于吊放聲吶聲源級(jí)足夠大時(shí)，雙基地協(xié)同工作模式在較大的基線分布范圍內(nèi)不僅在搜索范圍上優(yōu)于單基地聯(lián)合搜潛，而且在搜索寬度上也有優(yōu)勢(shì)，當(dāng)艦載聲吶聲源級(jí)為230 dB時(shí)協(xié)同雙基地工作最大擴(kuò)展面積可達(dá)到吊放聲吶獨(dú)立工作搜索面積的1.93倍。但艦載聲吶聲源級(jí)不夠高時(shí)，雙基地協(xié)同工作模式搜索范圍優(yōu)勢(shì)喪失，當(dāng)艦載聲吶聲源級(jí)為210 dB時(shí)的協(xié)同雙基地工作最大擴(kuò)展面積僅為吊放聲吶獨(dú)立工作搜索面積的0.58倍。本文假設(shè)目標(biāo)強(qiáng)度在空間上是各向均勻的，關(guān)于水下目標(biāo)強(qiáng)度對(duì)艦機(jī)雙基地協(xié)同工作的影響需要進(jìn)一步的研究。

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Search area of cooperative bistatic system consisting of shipboard sonar and aerial dipping sonar

HAN Jian-hui1,2, YANG Ri-jie2, ZHENG Xiao-qing2, LI Da-wei2

(1. College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnic University, Xi’an 710072, Shaanxi, China;2. Department of Electronic Information Engineering, Naval Aeronautical Astronautical University, Yantai 264001, Shandong,China)

Aim at the operation problem of heterogeneous sensor bistatic system consisting of shipboard sonar and dipping sonar, a bistatic search model based on the sonar equation under ocean ambient noise is established. In the bistatic cooperative system, both shipboard sonar and dipping sonar receive underwater target echo signal, but the detection signal is transmitted by shipboard sonar. Based on energy relationship, the extended search area, range and equivalent radius of bistatic cooperative system consisting of shipboard sonar and aerial dipping sonar are modeled. Influences of factors such as source level and baseline length on the search area of the system are analyzed. Simulation results show that when source level of shipboard is high enough compared with dipping sonar, the bistatic cooperative system outperforms monostatic cooperative system not only in search area but also in search width.

bistatic sonar, searching area, aerial dipping sonar, shipboard sonar

TB566

A

1000-3630(2016)-02-0114-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.02.006

2015-05-04;

2015-08-04

國(guó)家自然科學(xué)基金(61271444)、“泰山學(xué)者”建設(shè)工程專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(2011)

韓建輝(1981－), 男, 安徽肥東人, 講師, 博士后, 研究方向?yàn)樗晫?duì)抗、水聲信號(hào)處理。

韓建輝, E-mail:hanjianhui01@163.com