混響背景下主動探測聲納性能預報

于 源, 鄢社鋒, 侯朝煥

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混響背景下主動探測聲納性能預報

于 源, 鄢社鋒, 侯朝煥

(中國科學院聲學研究所 聲學智能制導實驗室, 北京, 100190)

根據主動聲納方程, 進行了混響背景下主動探測聲納的性能預報, 討論了主動探測聲納工作頻率對作用距離的影響, 比較了不同混響反向散射強度下主動探測聲納作用距離的變化情況。分析結果表明, 混響背景下主動探測聲納的作用距離隨頻率的降低而減小; 隨著混響反向散射強度的減小, 主動聲納性能增強, 作用距離增大, 這對工程實際中更好地選取主動聲納參數, 進而提高主動探測聲納性能具有一定的參考意義。

主動聲納方程; 主動探測聲納; 混響; 性能預報

0 引言

聲納是利用聲波作為信息載體對水中目標進行探測、定位、識別、跟蹤和實現水下導航、測量和通信的各種設備, 被廣泛應用于軍用領域和民用領域, 如反潛、探魚、測深和導航等, 是海軍作戰中不可或缺的重要手段。

如果按聲納的功能來分, 可以分為主動聲納(具有回聲測距和測目標徑向運動速度的功能)、被動聲納(具有測向或被動測距功能)、水聲通信聲納、水聲對抗、聲誘餌和魚雷報警聲納等[1]。其中主動聲納利用一個發射器來產生聲脈沖, 脈沖經過水介質到達目標, 然后以回波的形式返回至水聽器, 此時要將回波檢測出來, 必須克服噪聲和混響背景。混響是來自海面、海底及海洋體積散射的回波干擾。由于聲脈沖的發射與回聲接收之間的時間差可以被測出來, 且海洋中的聲速已知, 所以就可以利用脈沖照射產生的回聲對水下目標進行探測、定位以及識別。

聲納性能預報通常需要從相應的聲納方程中解出含有作用距離的參數, 而聲納作用距離是現代的海軍戰術研究中最受關注的指標。如果在特定的海區, 能夠預先知道己方聲納的作用距離, 就會大大增加本艇聲納的戰斗力。本文采用主動聲納方程進行混響背景下主動探測聲納性能預報和相關研究。

1 主動聲納方程

工作在背景干擾環境中的聲納, 接收到有用的聲納信號同時也接收到背景干擾信號。如果接收信號級與背景干擾級之差恰好等于設備的檢測閾(指接收機剛好檢測到目標所需的輸入信噪比)[2], 即

由檢測閾的定義可知, 此時設備剛好可以完成預定職能[3]。若式(1)的左端小于右端, 則設備不能正常工作。所以式(1)通常作為組成聲納方程的基本原則。

根據式(1)所示的原則, 可得主動聲納方程

2 混響背景下的主動聲納方程

改寫成較詳細的形式為

主要混響源通常在海面、海底處, 或者在具有海水體積的一個水平層中, 因此

將式(6)、式(7)代入式(5), 整理得

3 主動探測聲納性能預報及分析

根據式(9)和設定的聲納參數即可給出作用距離隨主動探測聲納工作頻率的變化曲線。

給定的主動聲納參數由表1所示。

表1 主動聲納參數

這里需要說明的是, 由于脈沖寬度=1 s時, CW脈沖的帶寬為2 Hz, 這會導致極低的混響指數, 這時主動聲納的作用距離小到可以忽略, 故本文中只針對FM脈沖這種信號形式進行主動聲納性能預報。

利用式(8), 代入表1中的數值, 可以預報出該聲納在20~30 kHz頻段內不同工作頻率下的性能, 由此可得聲納作用距離, 具體結果由表2 給出。

表2 Sb=-33 dB時的聲納作用距離

表3 Sb=-35 dB時的聲納作用距離

該主動聲納在混響背景下的作用距離隨頻率的變化如圖1所示。

圖1 混響背景下主動聲納作用距離隨頻率的變化

由圖可以看出, 在該指定頻段內, 混響背景下主動探測聲納的作用距離隨頻率的降低而減小。這和噪聲背景下主動探測聲納的作用距離隨著頻率的降低而增大的情況并不相同。這是由于頻率降低時, 水平波束寬度會變大, 此時混響指數會減小, 即沒有足夠的抗混響性能。為使主動聲納獲得較大的作用距離, 就會產生增加頻率的需求。因此, 在工程實際中, 在基陣尺寸一定的情況下, 為了使主動聲納能夠獲得較大的作用距離, 工作頻率的選擇應當能在抗噪聲背景性能和抗混響背景性能之間做出權衡, 這往往需要在設計過程中進行反復迭代, 以獲得一個最優頻率。

4 結束語

本文在主動聲納方程的基礎上, 進行了混響背景下主動探測聲納的性能預報, 并為此分析了工作頻率對聲納作用距離的影響, 對不同混響反向散射強度下主動探測聲納的作用距離進行了比較并給出了相關結論。這對工程實際中選取更優的主動聲納參數, 提高主動探測聲納的性能具有參考作用。

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[2] 戰凱, 陳建華. 低頻主動聲納最優探測頻率仿真研究[C]//2006年系統仿真技術及其應用研討會, 2006, 8(4): 564-566.

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Performance Prediction of Active Detection Sonar under Reverberation

YU Yuan, YAN She-feng, HOU Chao-huan

(Intelligent Sensing and Signal Processing Lab, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

According to active sonar equation, we predict the performance of active detection sonar under reverberation, discuss the influence of the frequency of active detection sonar on the detection range, and compare the detection ranges of the active sonar under different reverberation backscattering strength. The results show that the detection range of the active sonar decreases with decreasing frequency, and the performance of the active sonar enhances and the detection range extends with the weakening of reverberation backscattering strength. This study may be useful for selecting parameters of active detection sonar to enhance its performance in engineering.

active sonar equation; active detection sonar; reverberation; performance prediction

TJ630.34; U666.7

A

1673-1948(2011)03-0192-03

2011-04-07;

2011-05-24.

于 源(1985-), 女, 在讀碩士, 主要研究方向為水聲信號處理.

(責任編輯: 楊力軍)