多普勒計(jì)程儀聲學(xué)暴露距離快速預(yù)報(bào)方法

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(1.海軍潛艇學(xué)院,山東 青島 266071;2.中國(guó)人民解放軍94854部隊(duì),北京 100841)

為了實(shí)現(xiàn)深海海區(qū)的絕對(duì)速度測(cè)量,往往采用大功率發(fā)射低頻信號(hào),由此所帶來(lái)的聲學(xué)暴露,是設(shè)備的設(shè)計(jì)者以及使用者所關(guān)心的重要問(wèn)題。研究多普勒計(jì)程儀[1]的聲學(xué)暴露性,關(guān)鍵在于研究當(dāng)前海區(qū)環(huán)境下多普勒計(jì)程儀聲信號(hào)的傳播特性,快速地確定信號(hào)的最大傳播距離。射線模型是分析頻率大于500 Hz聲波傳播情況的最簡(jiǎn)便有效的方法,相較于其他模型更加直觀快捷,且精度較高。射線理論采用本征聲線描述聲場(chǎng),通過(guò)搜索滿足一定條件的本征聲線,從而得到多普勒計(jì)程儀聲信號(hào)的傳播距離。根據(jù)多普勒計(jì)程儀的特點(diǎn)對(duì)文獻(xiàn)[2]給出的本征聲線快速搜索方法進(jìn)行改進(jìn),縮小搜索范圍,提高聲線的搜索效率。

1 聲線傳播特性分析

多普勒計(jì)程儀聲吶掠射角θ0一般大于60°,波束寬度θ-3dB小于30°。旁瓣的能量較低,傳播衰減快,在此忽略不計(jì)。預(yù)報(bào)時(shí)主要考慮出射角介于45°和75°之間的聲線。根據(jù)聲線傳播的斯涅爾定律可知,聲線若要在水中自主反轉(zhuǎn),即反轉(zhuǎn)處的聲線θ角達(dá)到0°,需要滿足如下條件[3]。

(1)

式中:c0——發(fā)射點(diǎn)處的聲速;

c——聲線反轉(zhuǎn)處的聲速。

聲線自發(fā)射深度發(fā)出,經(jīng)過(guò)一次海面和海底反射后,回到發(fā)射深度時(shí)所經(jīng)過(guò)的傳播過(guò)程為一個(gè)傳播周期l。則聲線由發(fā)射點(diǎn)傳播至接收點(diǎn)的傳播過(guò)程L可以表示為

L=n·l+l′

(2)

不管時(shí)代如何變遷，技術(shù)如何更迭，人們對(duì)知識(shí)的渴求，從來(lái)沒(méi)有停止過(guò)步伐，圖書館仍是用戶獲取信息的殿堂。新一代智慧圖書館重點(diǎn)在于“智慧”二字，一個(gè)智慧的空間里，資源被智慧地關(guān)聯(lián)，服務(wù)被智慧地提供。那么，怎樣的服務(wù)才算是智慧服務(wù)？當(dāng)我們換位思考時(shí)，問(wèn)題便迎刃而解。

受多普勒計(jì)程儀發(fā)射掠射角的約束,l′的傳播形式只有兩種,見圖1。

a、b-發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)；a′-聲線傳播一周期后回到發(fā)射深度時(shí)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)；①、②-聲線圖1 多普勒計(jì)程儀聲線的傳播路徑

2 聲學(xué)暴露距離快速預(yù)報(bào)

多普勒計(jì)程儀聲學(xué)暴露距離是該設(shè)備發(fā)射的聲信號(hào)能夠被對(duì)方聲吶探測(cè)到的最大水平距離。如果采用射線理論描述,就是由多普勒計(jì)程儀發(fā)射的眾多聲線中,能夠被接收方聲吶接收到的且傳播距離最遠(yuǎn)的聲線所對(duì)應(yīng)的水平距離。因此,多普勒計(jì)程儀聲學(xué)暴露距離的預(yù)報(bào)涉及到本征聲線的搜索問(wèn)題。

2.1 本征聲線快速搜索算法

多普勒計(jì)程儀信號(hào)頻率位于高頻段,在水中傳播時(shí)衰減快,傳播距離很短。在此距離內(nèi),海水(海底)介質(zhì)的聲學(xué)特性在水平方向上的變化不明顯,所以可將非水平分層介質(zhì)近似為分層介質(zhì),并忽略海底地形的影響。

圖2 聲線的傳播周

以圖1中聲線①為例,設(shè)一個(gè)傳播周期所對(duì)應(yīng)的水平距離為D；聲線自發(fā)射深度開始,經(jīng)一次海底反射后回到發(fā)射深度的傳播過(guò)程所對(duì)應(yīng)的水平距離為D1；聲線未經(jīng)任何反射,自發(fā)射(接收)深度到達(dá)接收(發(fā)射)深度的傳播過(guò)程所對(duì)應(yīng)的水平距離為D12；聲線自接收深度開始,經(jīng)一次海面反射后回到接收深度的傳播過(guò)程所對(duì)應(yīng)的水平距離為D2,見圖2,其對(duì)應(yīng)的特征聲線水平傳播距離S可表示為：

(3)

式中:Z——海區(qū)深度；

za——發(fā)射深度；

zb——接收深度;

ca——發(fā)射點(diǎn)處的聲速;

θ0——聲線在發(fā)射點(diǎn)處的出射角。

由此,搜索特征聲線問(wèn)題轉(zhuǎn)化為對(duì)整數(shù)N的求解,可采用牛頓下山法進(jìn)行迭代。

2.2 算法改進(jìn)

方程組(3)沒(méi)有考慮設(shè)備的發(fā)射功率以及對(duì)方聲吶的探測(cè)能力,在計(jì)算時(shí),由于特征聲線傳播的水平距離S和周期數(shù)N同為未知量,得到的結(jié)果將是滿足方程組(3)的所有聲線的集合,還需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行篩選,才能得到多普勒計(jì)程儀的暴露距離,增加了計(jì)算的耗時(shí)。為了縮短預(yù)報(bào)時(shí)間,本文對(duì)算法進(jìn)行了改進(jìn),將本征聲線的搜索與傳播損失計(jì)算結(jié)合,限制搜索范圍。

TL=SL-NL-(DT-DI)

(4)

被動(dòng)聲吶方程中的聲源級(jí)SL與發(fā)射功率Pa和發(fā)射指向性指數(shù)DIT有關(guān)；海洋環(huán)境噪聲級(jí)NL與發(fā)射頻率、海面風(fēng)速和水域航運(yùn)密度有關(guān)；接收指向性指數(shù)DI和檢測(cè)閾DT由接收方被動(dòng)聲吶的性能決定。從被動(dòng)聲吶方程可知：在海洋環(huán)境參數(shù)、計(jì)程儀和接收設(shè)備性能已知的情況下,傳播損失TL被惟一確定。在多普勒計(jì)程儀發(fā)射的聲線中,傳播損失為TL且傳播距離最遠(yuǎn)的聲線所對(duì)應(yīng)的水平距離即為暴露距離。

與特征聲線的水平傳播距離S一樣,聲線自發(fā)射點(diǎn)至接收點(diǎn)的傳播損失TL也可以表示為聲線在N個(gè)傳播周期的傳播損失與聲線在一周期內(nèi)由發(fā)射深度傳至接收深度的傳播過(guò)程所對(duì)應(yīng)的傳播損失之和。同樣以圖1中標(biāo)號(hào)為①的聲線為例,設(shè)D、D1、D2、D12所對(duì)應(yīng)的傳播損失為TLD、TLD1、TLD2、TLD12,則:

(5)

聲波在介質(zhì)中的傳播損失主要包括擴(kuò)展損失、衰減損失和界面引起的損失。由圖2可知,TLD1、TLD2、TLD12表達(dá)式為

(6)

式中:BL——海底發(fā)射損失;

α——海水吸收系數(shù);

Γs——海面反射損失。

另外,多普勒計(jì)程儀聲吶指向性的存在,使得不同出射角度的聲線對(duì)應(yīng)不同聲級(jí)。聲線的出射方向和主瓣主軸的夾角越大,聲級(jí)越小。計(jì)算時(shí),主要考慮波束寬度內(nèi)的聲線。在波束寬度最邊緣處的聲級(jí)比主瓣主軸處的聲級(jí)下降-3 dB,因此在預(yù)報(bào)時(shí),預(yù)先根據(jù)該數(shù)值對(duì)不同出射角度的聲線進(jìn)行聲級(jí)插值處理。

2.3 算法實(shí)現(xiàn)步驟

1) 計(jì)算聲源級(jí)SL、海洋環(huán)境噪聲級(jí)NL和傳播損失TL。

2) 以Δθ為(0<Δθ<θ-3dB)單位對(duì)聲線進(jìn)行分組,并對(duì)每一分組所對(duì)應(yīng)的聲線進(jìn)行SL聲級(jí)插值。

3) 計(jì)算每一分組的D、D1、D2、D12及其對(duì)應(yīng)的傳播損失TLD、TLD1、TLD2、TLD12。

4) 以所有的分組聲線為搜索范圍,采用牛頓下山法迭代求解N,并最終得到多普勒計(jì)程儀聲學(xué)暴露距離。

3 仿真計(jì)算

假設(shè)多普勒計(jì)程儀聲吶換能器的發(fā)射掠射角為60°,波束寬度為30°,海區(qū)深度為125 m,發(fā)射深度100 m,接收深度50 m,3級(jí)海況,海面風(fēng)速6 m/s,海水平均溫度4℃,聲速梯度見圖3。

圖3 聲速梯度

假設(shè)多普勒計(jì)程儀工作頻率為200 和40 kHz,發(fā)射功率分別為500 和1 000 W時(shí),不同底質(zhì)類型對(duì)應(yīng)的多普勒計(jì)程儀聲學(xué)暴露距離預(yù)報(bào)結(jié)果見表1、2。經(jīng)測(cè)量,所有數(shù)據(jù)的計(jì)算時(shí)間均小于0.05 s。

表1 頻率200 kHz,不同底質(zhì)的聲學(xué)暴露距離

表2 頻率40 kHz,不同底質(zhì)的聲學(xué)暴露距離

4 結(jié)束語(yǔ)

多普勒計(jì)程儀聲學(xué)暴露距離快速預(yù)報(bào)方法采用本征聲線預(yù)報(bào)暴露距離,保證了預(yù)報(bào)精度；將本征聲線的搜索與傳播損失計(jì)算結(jié)合,縮小了搜索范圍,減少了搜索耗時(shí)。該方法滿足了多普勒計(jì)程儀使用決策在精確度和實(shí)時(shí)性方面的要求,有利于多普勒計(jì)程儀的正確使用,在提高水下導(dǎo)航精度的同時(shí),最大可能的保障水下運(yùn)載器的隱蔽性。

[1] 田坦.水下定位與導(dǎo)航技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2007.

[2] 孫枕戈,馬遠(yuǎn)良,屠慶平.分層海洋介質(zhì)中本征聲線的快速計(jì)算[J].應(yīng)用聲學(xué),1996,16(4)：7-12.

[3] 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,1993.