干擾存在時(shí)被動(dòng)聲吶工作背景建模與分析

譚君紅，周勝增

?

干擾存在時(shí)被動(dòng)聲吶工作背景建模與分析

譚君紅，周勝增

(上海船舶電子設(shè)備研究所，上海201108)

在實(shí)際應(yīng)用中，聲吶的工作背景除了各向同性背景噪聲外，通常還會(huì)存在干擾。干擾存在時(shí)經(jīng)典的被動(dòng)聲吶方程存在一定的局限性。在經(jīng)典被動(dòng)聲吶方程的基礎(chǔ)上，討論了干擾對(duì)被動(dòng)聲吶工作背景的影響。提出了一種更加實(shí)用的工作背景模型，并詳細(xì)分析了波束域的工作背景模型，應(yīng)用此背景模型對(duì)經(jīng)典被動(dòng)聲吶方程進(jìn)行了修正，修正后的方程可用于干擾存在時(shí)被動(dòng)聲吶的性能預(yù)報(bào)。最后通過(guò)不同干噪比條件下的仿真驗(yàn)證了波束域工作背景模型的正確性。提出的工作背景模型可為被動(dòng)聲吶設(shè)備在干擾存在條件下的性能預(yù)報(bào)提供參考。

被動(dòng)聲吶；干擾；工作背景；建模

0 引言

經(jīng)典的被動(dòng)聲吶方程是以各向同性背景噪聲為基礎(chǔ)的。在實(shí)際使用中，聲吶的工作環(huán)境除了各向同性背景噪聲外，通常還會(huì)存在干擾。以拖曳式被動(dòng)聲吶為例，海洋環(huán)境噪聲和拖曳流噪聲屬于各向同性背景噪聲，而本艦或者其他非關(guān)注目標(biāo)就是干擾[1-3]。干擾存在時(shí)，被動(dòng)聲吶的工作背景就不僅僅是各向同性的背景噪聲，使用經(jīng)典的被動(dòng)聲吶方程來(lái)分析干擾的影響或者對(duì)被動(dòng)聲吶進(jìn)行性能預(yù)報(bào)都會(huì)存在一定的局限性。

本文以經(jīng)典的被動(dòng)聲吶方程為基礎(chǔ)，對(duì)干擾存在時(shí)被動(dòng)聲吶工作背景進(jìn)行建模與分析，并通過(guò)不同干噪比條件下的仿真對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，可對(duì)被動(dòng)聲吶在干擾存在的條件下進(jìn)行性能預(yù)報(bào)。

1 被動(dòng)聲吶方程

由文獻(xiàn)[4]可知，被動(dòng)聲吶方程為

式中，是輻射噪聲源的聲源級(jí)，是單程傳播損失，是背景噪聲級(jí)，是接收指向性指數(shù)，是接收檢測(cè)閾，各參數(shù)均以分貝(dB)為單位。

優(yōu)質(zhì)因素是與作用距離有關(guān)的較為科學(xué)的衡量標(biāo)準(zhǔn)。被動(dòng)聲吶的優(yōu)質(zhì)因素定義為[5]

值是被動(dòng)聲吶允許的最大單程傳播損失。在其余各參數(shù)都已知的條件下，可計(jì)算出值，當(dāng)考慮到介質(zhì)的傳播特性[6-7]后，就能由傳播損失得到設(shè)備的最大作用距離，從而對(duì)聲吶設(shè)備進(jìn)行作用距離預(yù)報(bào)[8-10]。

上述方程的前提是被動(dòng)聲吶設(shè)備工作在各向同性背景噪聲的環(huán)境下。實(shí)際使用中，被動(dòng)聲吶設(shè)備的工作環(huán)境比較復(fù)雜，除了各向同性背景噪聲外，還會(huì)存在本艦干擾、多目標(biāo)干擾等，這些干擾的存在將提高干擾方位附近的聲吶工作背景，此時(shí)聲吶工作背景就與干擾自身大小、干擾與目標(biāo)的方位差、接收陣的指向性圖密切相關(guān)。因此需要對(duì)干擾存在時(shí)被動(dòng)聲吶的工作背景進(jìn)行建模來(lái)分析討論。

2 被動(dòng)聲吶工作背景建模與分析

由式(1)可知，不考慮干擾的情況下，被動(dòng)聲吶的工作環(huán)境為各向同性背景噪聲，其陣元域背景噪聲級(jí)為，波束域背景噪聲級(jí)為-。

綜上所述，干擾存在條件下被動(dòng)聲吶的工作背景模型如下：

波束域工作背景直接影響被動(dòng)聲吶的工作性能，下面對(duì)模型中的波束域工作背景進(jìn)行討論分析[11]：

說(shuō)明被動(dòng)聲吶的工作背景仍為背景噪聲，干擾沒(méi)有抬高被動(dòng)聲吶的工作背景。

對(duì)波束域工作背景的建?？蓪?duì)干擾存在時(shí)的被動(dòng)聲吶進(jìn)行性能預(yù)報(bào)。根據(jù)干擾存在時(shí)被動(dòng)聲吶的工作背景模型，可將被動(dòng)聲吶方程式(1)修正為

相應(yīng)地，優(yōu)質(zhì)因素由式(2)修正為

3 拖線陣被動(dòng)聲吶工作背景仿真

圖1 干擾存在時(shí)被動(dòng)聲吶的背景分布圖

根據(jù)第2節(jié)的分析：

(3) 當(dāng)干擾級(jí)滿足式(8)即82 dB＜＜94 dB時(shí)，100°波束域工作背景級(jí)應(yīng)略高于波束域背景噪聲級(jí)53 dB，此時(shí)干噪比介于12 dB與24 dB之間。

仿真干噪比為30、24、18、12、0 dB以及只有背景噪聲時(shí)的方位譜級(jí)如圖2所示。

圖2 不同仿真條件下的方位譜

4 結(jié)論

本文在經(jīng)典的被動(dòng)聲吶方程基礎(chǔ)上，考慮聲吶實(shí)際應(yīng)用時(shí)的工作環(huán)境，討論了干擾存在時(shí)對(duì)被動(dòng)聲吶工作背景的影響，對(duì)干擾存在時(shí)被動(dòng)聲吶的工作背景進(jìn)行了建模與分析。最后通過(guò)不同干噪比條件下的仿真驗(yàn)證了波束域工作背景模型的正確性。本文提出的工作背景模型可為干擾存在時(shí)被動(dòng)聲吶的性能預(yù)報(bào)提供重要參考。

[1] 劉清宇, 李磊, 蔡惠智. 一種被動(dòng)拖曳聲吶陣列信號(hào)模擬器設(shè)計(jì)[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2009, 28(4): 463-466.LIU Qingyu, LI Lei, CAI Huizhi. The array simulator design of passive towed sonar[J]. Technical Acoustics, 2009, 28(4): 463-466.

[2] 李啟虎, 李淑秋, 孫長(zhǎng)瑜, 等. 主被動(dòng)拖線陣聲吶中拖曳平臺(tái)噪聲和拖魚(yú)噪聲在淺海使用時(shí)的干擾特性[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 32(1): 1-4.LI Qihu, LI Shuqiu, SUN Changyu, et al. The interference characterstics of platform and towed body noise in shallow water for active /passive towed array sonar[J]. Acta Acustica, 2007, 32(1): 1-4.

[3] 余華兵, 孫長(zhǎng)瑜, 李啟虎.探潛先鋒-拖曳線列陣聲吶[J]. 物理, 2006, 35(5): 420-423.YU Huabing, SUN Changyu, LI Qihu. Towed line array sonar spearheads submarine detection[J]. Physics, 2006, 35(5): 420-423.

[4] 劉伯勝, 雷家煜.水聲學(xué)原理[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2006: 6-11.LIU Bosheng, LEI Jiayu. Principle of underwater acoustics[M]. Harbin: Press of Harbin Engineering University, 2006: 6-11.

[5] 田坦, 劉國(guó)枝, 孫大軍. 聲吶技術(shù)[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2000: 17.TIAN tan, LIU Guozhi, SUN Dajun. Sonar technology[M]. Harbin: Press of Harbin Engineering University, 2000: 17.

[6] 趙淑坤, 于金花, 常哲, 等. 聲傳播損失試驗(yàn)分析與仿真[J]. 電子設(shè)計(jì)工程, 2014, 22(12): 72-74.ZHAO Shukun, YU Jinhua, CHANG Zhe, et al. Sound transmission loss experiment analysis and simulation[J]. Electronic Design Engineering, 2014, 22(12): 72-74.

[7] 黃海, 笪良龍, 張林. 基于蒙特卡羅方法的海洋環(huán)境不確定性仿真[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2007, 24(9): 308-311.HUANG Hai, DA Lianglong, ZHANG Lin. Simulation of ocean environmental uncertainty based on Monte Carlo algorithm[J]. Computer Simulation, 2007, 24(9): 308-311.

[8] 季蓓, 程健慶, 曹志敏. 被動(dòng)聲吶作用距離預(yù)報(bào)的仿真研究[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2007, 24(3): 31-34. JI Bei, CHENG Jianqing, CAO Zhimin. Simulation of detection range forecast for passive sonar[J]. Computer Simulation, 2007, 24(3): 31-34

[9] 張振華, 笪良龍, 謝駿. 被動(dòng)聲吶作用距離主影響因素研究[J]. 科技信息, 2010(23): 23-24. ZHANG Zhenhua, DA Lianglong, XIE Jun. Research on main influence factors of passive soanr detection range[J]. Science & Technology Information, 2010(23): 23-24.

[10] 李凡, 郭圣明, 王魯軍, 等. 一種新的聲吶作用距離指標(biāo)評(píng)估方法[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2009, 28(3): 235-239. LI Fan, GUO Shengming, WANG Lujun, et al. A new approach to prediction of sonar detection range index[J]. Technical Acoustics, 2009, 28(3): 235-239.

[11] WaiteA D.實(shí)用聲吶工程[M]. 王得石, 譯. 北京: 北京工業(yè)出版社, 2004: 89. WaiteA D. Sonar for practising engineers[M]. tanslated by WANG Deshi. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2004: 89.

Modeling and analysis of passive sonar working background under directional interference

TANJun-hong, ZHOU Sheng-zeng

(Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai 201108, China)

Passive sonar equation can be used to forecast sonar range. The working background is usually supposed to be isotropic noise. However, directional interference often exists in real application, where the application of classic passive sonar equation is limited. Based on the classic passive sonar equation, the influence of directional interference on the passive sonar working background is discussed, and a more useful working background model for passive sonar under directional interference is presented with the detailed analysis of the working background model in beam domain. The passive sonar equation is modified according to this model, and then it can be used to forecast sonar range under directional interference. Finally, the correctness of the working background model in beam domain is validated by simulation in different interference to noise ratios. The presented model can provide an important reference for acoustic compatible analysis and performance prediction of passive sonar under directional interference.

passive sonar; interference; background; modeling

TB556

A

1000-3630(2017)-02-0192-03

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.02.017

2016-03-02;

2016-06-02

譚君紅(1987－), 女, 山東青島人, 研究生, 研究方向?yàn)樗曅盘?hào)處理。

譚君紅, E-mail: tanjunhong621@163.com