強(qiáng)聲源對低頻主動拖線陣聲納的干擾效果研究＊

何 彪 韓樹平

（海軍潛艇學(xué)院學(xué)員三隊1） 青島 266042）（海軍潛艇學(xué)院水聲中心2） 青島 266042）

1 引言

日益發(fā)展的降噪技術(shù)使得傳統(tǒng)的被動拖線陣聲納對水下目標(biāo)的探測能力大幅下降，也催生了低頻主動拖線陣聲納，其組成示意圖如圖1所示［1］。由于工作在低頻，并且是遠(yuǎn)距離探測，其發(fā)射基陣較大，發(fā)射功率也較高，具有不依賴水下目標(biāo)的輻射噪聲，遠(yuǎn)距離警戒等特點［2］。常規(guī)的水聲對抗器材由于受到工作時間、干擾范圍等的限制無法對其形成有效的干擾，而裝載在水面船舶上的強(qiáng)聲源（聲源級大于180dB）克服了上述缺點。本文提出使用強(qiáng)聲源對低頻主動拖線陣聲納進(jìn)行壓制性干擾的方法，對影響其干擾效果的幾個因素進(jìn)行了仿真分析。

圖1 低頻主動拖線陣聲納示意圖

2 強(qiáng)聲源對低頻主動拖線陣的干擾

在噪聲背景下，低頻主動拖線陣聲納受到強(qiáng)聲源干擾時的聲納方程為其中，SL為低頻主動拖線陣聲納發(fā)射陣的發(fā)射聲源級，TL（R）為水下目標(biāo)與低頻主動拖線陣聲納之間的距離為R時的傳播損失，TS為目標(biāo)強(qiáng)度，DI為低頻主動拖線陣聲納接收陣的接收指向性指數(shù)，DT為低頻主動拖線陣聲納接收陣的檢測閾，NL1為干擾噪聲級，定義為［3～6］

式中，NL為環(huán)境噪聲級，SLj為強(qiáng)聲源的干擾聲源級，Δfj為強(qiáng)聲源的工作帶寬，ΔfT為低頻主動拖線陣聲納接收陣的接收帶寬，假定Δfj＝ΔfT，TL（rj）為強(qiáng)聲源到低頻主動拖線陣聲納的距離為rj時的傳播損失，D（θ）為低頻主動拖線陣聲納接收陣的指向性函數(shù)，使用D（θ）中相鄰兩個極小值方向夾角的分角線方向來近似旁瓣的方向［3，7］，可得式中，N為低頻主動拖線陣聲納接收陣的陣元個數(shù)，dr為低頻主動拖線陣聲納接收陣的陣元間距，λ為發(fā)射聲信號的波長，k為低頻主動拖線陣聲納接收陣波束的旁瓣序號（k＝0表示主瓣）。由于需要滿足sinθ＝λ（k＋0.5）／（Ndr）≤1，故k的取值范圍應(yīng)為［0，Ndr／λ－0.5］。強(qiáng)聲源處于哪一個旁瓣，k就取相應(yīng)的值，旁瓣序號k使用下式計算

其中，θt為水下目標(biāo)相對于低頻主動拖線陣聲納接收陣的方位角，θj為強(qiáng)聲源相對于低頻主動拖線陣聲納接收陣的方位角，round（·）函數(shù)的定義如下

從式（4）可以看到，旁瓣序號k和水下目標(biāo)與強(qiáng)聲源之間的方位開角｜θt－θj｜大致相對應(yīng)，｜θtθj｜越大，k的取值越大。將NL1帶入式（1）化簡得

假定傳播距離小于2km時以球面波傳播，而當(dāng)傳播距離大于2km時以柱面波傳播，忽略吸收損失，則當(dāng)?shù)皖l主動拖線陣聲納的探測距離R（km）滿足R≥2km時有

代入式（6）可得

當(dāng)DI和DT為定值時，M為常數(shù)，從式（9）可見R與 10SL／20、10TS／20和 10TL（rj）／20呈正比關(guān) 系，與10SLj／20和｜D（θ）｜呈反比關(guān)系。

3 干擾效果仿真分析

設(shè)低頻主動拖線陣聲納的工作頻率為1kHz，接收陣的陣元數(shù)N＝64，陣元間距dr＝0.75m，發(fā)射陣的發(fā)射聲源級SL＝210dB，發(fā)射脈沖寬度T＝2s，強(qiáng)聲源的干擾聲源級SLj＝185dB，4級海況時在1kHz工作頻率上的環(huán)境噪聲級NL＝70dB［8］，強(qiáng)聲源開始工作之后使得低頻主動拖線陣聲納接收陣在虛警概率Pf＝10－5時的檢測概率由Pd＝0.9下降為Pd＝0.1。由上述假設(shè)條件可知，低頻主動拖線陣聲納接收陣的指向性指數(shù)DI＝10lgN≈18dB。

當(dāng)?shù)皖l主動拖線陣聲納的接收陣使用匹配濾波器對回波進(jìn)行檢測時，低頻主動拖線陣聲納接收陣的檢測閾DT＝10lg（d／2T）［9，11］，其中T為確知回波的波形寬度，d為檢測指數(shù)，滿足d＝［Φ－1（Pd）－Φ－1（Pf）］2，Φ（·）為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)，計算得DT＝3.5dB。設(shè)被探測目標(biāo)強(qiáng)度TS＝25dB。

基于以上條件，針對影響強(qiáng)聲源干擾低頻主動拖線陣聲納效果的因素—低頻主動拖線陣聲納接收陣波束的旁瓣、強(qiáng)聲源到低頻主動拖線陣聲納的距離以及強(qiáng)聲源的干擾聲源級，以低頻主動拖線陣聲納的探測距離R為指標(biāo)，對干擾效果進(jìn)行仿真分析。

3.1 旁瓣對干擾效果的影響

取強(qiáng)聲源到低頻主動拖線陣聲納的距離rj＝5nmile（海里），目標(biāo)相對于低頻主動拖線陣聲納的方位角θt＝0°，低頻主動拖線陣聲納接收陣波束的旁瓣序號k在［0，31］范圍內(nèi)變化時，低頻主動拖線陣聲納的探測距離R的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 旁瓣序號k對聲納探測距離R的影響

由圖2可知隨著低頻主動拖線陣聲納旁瓣序號k的增加，低頻主動拖線陣聲納的探測距離R逐漸增大，干擾效果逐漸變差。目標(biāo)和強(qiáng)聲源之間的方位開角｜θt－θj｜越大，旁瓣序號k越大，從而干擾效果就越差。

3.2 強(qiáng)聲源到低頻主動拖線陣聲納的距離對干擾效果的影響

取強(qiáng)聲源相對于低頻主動拖線陣聲納的方位角θj＝10°，在目標(biāo)相對于低頻主動拖線陣聲納的方位θt在（－90°，90°）范圍內(nèi)變化，強(qiáng)聲源到低頻主動拖線陣聲納的距離rj的取值為｛2nmile，5nmile，8nmile｝時，低頻主動拖線陣聲納的探測距離R的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 距離rj對聲納探測距離R的影響

圖4 干擾聲源級SLj對聲納探測距離R的影響

由圖3可以看到，隨著強(qiáng)聲源到低頻主動拖線陣聲納的距離rj的增加，低頻主動拖線陣聲納的探測距離R呈增大的趨勢，干擾效果變差。目標(biāo)和強(qiáng)聲源之間的方位開角越小（θt≈θj），即強(qiáng)聲源越靠近低頻主動拖線陣聲納接收陣波束的主瓣，干擾效果就越好。這與3.1節(jié)中的結(jié)論相吻合。

3.3 干擾聲源級對干擾效果的影響

取強(qiáng)聲源到低頻主動拖線陣聲納的距離rj＝2nmile，強(qiáng)聲源相對于低頻主動拖線陣聲納的方位角θj＝10°，當(dāng)目標(biāo)相對于低頻主動拖線陣聲納的方位θt在（－90°，90°）范圍內(nèi)變化，強(qiáng)聲源的干擾聲源級SLj的取值為｛180dB，190dB，200dB｝時，低頻主動拖線陣聲納的探測距離R的變化規(guī)律如圖4所示。

由圖4可以看到，隨著強(qiáng)聲源的干擾聲源級SLj的增加，低頻主動拖線陣聲納的探測距離R呈減小的趨勢，干擾效果有較大的改善。

4 結(jié)語

本文提出了使用裝載在水面船舶上的強(qiáng)聲源對低頻主動拖線陣聲納的探測進(jìn)行壓制性干擾的方法，并就低頻主動拖線陣聲納接收陣波束的旁瓣、強(qiáng)聲源到低頻主動拖線陣聲納的距離以及強(qiáng)聲源的干擾聲源級等三個因素對低頻主動拖線陣聲納探測距離的影響進(jìn)行了仿真分析。通過仿真結(jié)果可以看出，對于低頻主動拖線陣聲納特定的探測聲源級，當(dāng)強(qiáng)聲源的干擾聲源級較高、強(qiáng)聲源與低頻主動拖線陣聲納之間的距離較近、強(qiáng)聲源盡量靠近低頻主動拖線陣聲納波束主瓣時，可以有效降低低頻主動拖線陣聲納的探測距離，取得較為理想的干擾效果。由于裝載強(qiáng)聲源的船舶能耗、安全性等條件的限制以及對被探測目標(biāo)先驗信息的缺失，應(yīng)該根據(jù)客觀實際對上述影響干擾效果的因素進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇。

［1］A.D.Waite.實用聲納工程［M］.王德石，等譯.第三版.北京：電子工業(yè)出版社，2004：256～260

［2］凌國民.海洋水聲監(jiān)視技術(shù)［J］.聲學(xué)與電子工程，2001（1）：1～6

［3］夏志軍，章新華，張玉珊，等.噪聲干擾器對抗魚雷主動聲吶效果研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2008，30（4）：161～164

［4］王嚴(yán)輝，周明，趙向濤，等.寬帶噪聲干擾器對被動聲吶的干擾作用研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2008，30（3）：127～130

［5］周明，初磊.高頻噪聲干擾器干擾主動聲自導(dǎo)魚雷仿真研究［J］.兵工學(xué)報，2010，31（3）：327～330

［6］楊日杰，高學(xué)強(qiáng)，韓建輝.現(xiàn)代水聲對抗技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008：21

［7］宋志杰，史秋亮，韓梅，等.潛艇水聲對抗原理與應(yīng)用［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2002：88～90

［8］惠俊英，生雪莉.水下聲信道［M］.第二版.北京：國防工業(yè)出版社，2007：20～22

［9］朱埜.主動聲吶檢測信息原理［M］.北京：海洋出版社，1990：12～13

［10］蘆俊，朱衛(wèi)良，毛偉民，等.基于虛擬儀器的直接頻率合成器相位噪聲測量［J］.計算機(jī)與數(shù)字工程，2010，38（9）

［11］陸銘華.艦艇作戰(zhàn)模擬理論與方法［M］.北京：海軍出版社，2000：100