一種估計(jì)吊放聲吶工作深度的簡易方法

戰(zhàn)和，金中原，楊日杰

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一種估計(jì)吊放聲吶工作深度的簡易方法

戰(zhàn)和1,2，金中原1，楊日杰1

(1. 海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺(tái) 264001；2. 92074部隊(duì)，浙江寧波 315020)

反潛戰(zhàn)中，吊放聲吶的工作深度對探測效果影響較大，研究如何根據(jù)不同聲速剖面確定最佳工作深度使探測距離達(dá)到最遠(yuǎn)，可有效提高探測效率。先將聲速剖面劃分為典型的幾類，然后設(shè)計(jì)了一種使計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)識(shí)別其類型的方法，再在此基礎(chǔ)上利用Bellhop模型找出不同聲速剖面下的最佳工作深度規(guī)律。仿真結(jié)果證明快速算法在一定條件下可替代逐深度計(jì)算聲吶作用距離，再通過比較選出最佳工作深度的傳統(tǒng)算法的。

反潛戰(zhàn)；聲速剖面識(shí)別；吊放聲吶；最佳工作深度

0 引言

在直升機(jī)反潛作戰(zhàn)中，獲取作戰(zhàn)海區(qū)的聲速剖面并根據(jù)該聲速剖面快速確定吊放聲吶的工作深度[1-2]，以使吊放聲吶的探測效果達(dá)到最佳，是影響直升機(jī)吊放聲吶探潛效果的決定性因素[3]。尋找最佳深度的傳統(tǒng)方法是利用水聲傳播模型計(jì)算各個(gè)工作深度上的作用距離，以最遠(yuǎn)者為最佳[1]。由于是逐深度計(jì)算，該方法計(jì)算精度很高，但速度卻十分緩慢，可供理論研究使用，卻無法滿足作戰(zhàn)中的實(shí)時(shí)性要求。因此，可考慮研究傳統(tǒng)方法的結(jié)論，總結(jié)歸納相應(yīng)規(guī)律，研究一種在聲速剖面數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，能夠自動(dòng)識(shí)別聲速剖面類型并利用規(guī)律快速給出吊放聲吶最佳工作深度的方法，具有顯著的軍事效益。

1 聲速剖面類型劃分

由于經(jīng)緯度、海域、洋流、季節(jié)甚至測量時(shí)刻的不同，獲得的聲速剖面曲線也不同。有關(guān)資料將海洋中0~500 m深度內(nèi)所有可能出現(xiàn)的聲速剖面劃分為8種類型，其中包含了夏季在30~100 m深度左右的溫度躍層的剖面。聲速剖面體現(xiàn)了聲速值隨水深變化的趨勢，根據(jù)該變化趨勢，進(jìn)一步可歸納出4種典型的聲速剖面，如圖1所示。

在最佳工作深度選擇的意義下，海洋聲速剖面可大致歸納為四種聲速剖面類型：A、正梯度聲速剖面，聲速值隨深度加深而增大；B、負(fù)梯度聲速剖面，聲速值隨深度加深而減小；C、存在非兩端極大值的聲速剖面，且聲速值隨深度加深先增大后減小；D、存在非兩端極小值的聲速剖面，且聲速值隨深度加深先減小后增大。

2 聲速剖面類型識(shí)別算法

獲取聲速剖面的手段多種多樣，但是不論通過何種方式方法獲取聲速剖面，也不論獲取的聲速剖面屬于何種類型，對計(jì)算機(jī)而言，都只是若干“深度-聲速”數(shù)據(jù)對。因此，在基于聲速剖面類型選擇最佳工作深度之前，必須設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)乃惴ㄊ褂?jì)算機(jī)能夠?qū)β曀倨拭娴念愋瓦M(jìn)行識(shí)別。

觀察圖1中四條聲速剖面曲線，能夠發(fā)現(xiàn)他們都可以表示為二次曲線的一部分，故可考慮利用二次曲線的數(shù)學(xué)特征，采用二次曲線擬合，獲取二次項(xiàng)擬合系數(shù)a2和一次項(xiàng)擬合系數(shù)a1；再通過簡單運(yùn)算得到二次曲線的對稱軸所在深度-a1/2*a2，記為Dmid。將聲速剖面起點(diǎn)深度記為D0，終點(diǎn)深度記為Dmax(Dmax>D0)，則可由a2的正負(fù)結(jié)合Dmid、D0、Dmax之間的大小關(guān)系將獲取的任意聲速剖面識(shí)別歸類至圖1定義的四種類型。為形象說明該算法，特繪制如圖2所示的類型識(shí)別示意圖。

圖2中顯示的是聲速-深度坐標(biāo)系下，二次項(xiàng)系數(shù)分別取正、負(fù)值時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)二次曲線，結(jié)合圖1中劃分出的四種常見的聲速剖面類型，可發(fā)現(xiàn)各種類型的聲速剖面從圖形上都是二次曲線的一部分。例如，方框A選中部分沿深度方向呈簡單的正梯度，因此可視為A型聲速剖面，同理方框B、方框C、方框D選中部分也可分別視為B、C、D型聲速剖面。

因此，可設(shè)計(jì)識(shí)別算法如下：

(1) 為減少運(yùn)算量，僅取出聲速剖面中位于深度標(biāo)準(zhǔn)層上的聲速值，當(dāng)海深較淺時(shí)可適當(dāng)插入其他深度對應(yīng)的聲速值；

(2) 以標(biāo)準(zhǔn)層深度值作為自變量、對應(yīng)聲速值作為函數(shù)值，擬合為一條二次曲線，計(jì)算出a1、a2和Dmid的值；

(3) 根據(jù)圖2中的六個(gè)方框進(jìn)行分類討論：a2<0且Dmid>Dmax時(shí)識(shí)別為A型聲速剖面；a2<0且DmidDmid>D0時(shí)識(shí)別為C型聲速剖面；a2>0且Dmid>Dmax時(shí)識(shí)別為B型聲速剖面；a2>0且Dmid0且Dmax>Dmid>D0時(shí)識(shí)別為D型聲速剖面。算法流程如圖3所示。

3 最佳工作深度分析

吊放聲吶在某種聲速剖面下的最佳工作深度，指的就是使吊放聲吶能夠獲得最佳聲傳播條件的深度，意味著在這個(gè)深度上吊放聲吶可獲得最大的作用距離。而影響吊放聲吶作用距離的因素很多，除聲速剖面外，還包括海底底質(zhì)[4]、海水吸收系數(shù)等環(huán)境因素，聲吶工作頻率、接收機(jī)檢測閾、處理增益等設(shè)備因素，目標(biāo)深度、目標(biāo)強(qiáng)度等外在因素。為此，本文在假定其他因素一定的情況下，通過仿真分析典型聲速剖面下不同工作深度上的作用距離，找出最佳工作深度。

計(jì)算作用距離時(shí)選用Bellhop模型[5-7]，限于篇幅，本文僅以B型聲速剖面為例詳細(xì)介紹最佳工作深度的推理過程。仿真條件如下：海深為800 m、海底底質(zhì)為砂-粉砂-粘土混合型底質(zhì)(密度為1550 kg/m3)、壓縮波波速為1566 m/s、壓縮波衰減系數(shù)為0.2 dB/λ、切變波波速和切變波衰減系數(shù)取0、B型聲速剖面(負(fù)梯度)、噪聲級為58 dB、吊放聲吶聲源級為203 dB、目標(biāo)強(qiáng)度為10 dB、處理增益為14 dB、檢測閾為10 dB(檢測概率50%)、頻率為3 kHz、水平波束開角為±30°、目標(biāo)深度為500 m。

圖4為吊放聲吶工作深度從15~300 m變化時(shí)對應(yīng)的作用距離變化曲線。從圖中可以看出，作用距離隨吊放深度的變化波動(dòng)較大，但整體趨勢體現(xiàn)為吊放深度越深，作用距離越遠(yuǎn)。對于該現(xiàn)象可以這樣理解：B型聲速梯度下聲線向下彎曲，吊放深度越深，經(jīng)海表反射的聲線數(shù)量就越少，反射損失就少，作用距離相對較大；當(dāng)?shù)醴派疃壤^續(xù)加深到一定程度時(shí)，發(fā)射的聲線在未達(dá)到海表時(shí)已“折”向下，避免了海表反射，作用距離則進(jìn)一步增大。

從圖4中還可看到，作用距離在100 m深度附近有較大提升，這是由于仿真中假設(shè)目標(biāo)位于100 m，此時(shí)聲波往返路程較短，海水吸收少，信號余量大。考慮到水下目標(biāo)出于隱蔽的目的，其活動(dòng)深度往往處于溫度(聲速)躍層下沿，因此可在已知目標(biāo)深度時(shí)將目標(biāo)深度作為吊放聲吶最佳工作深度；目標(biāo)深度未知時(shí)，若吊放聲吶電纜長度足夠，應(yīng)選擇海深中點(diǎn)作為吊放聲吶的最佳工作深度。

利用同樣的推理過程，對其他三種類型的聲速剖面，可得到以下結(jié)論：在目標(biāo)深度未知時(shí)，A型聲速剖面下應(yīng)選擇海深中點(diǎn)深度；C型聲速剖面下應(yīng)選擇下半段曲線中點(diǎn)深度；D型聲速剖面下應(yīng)選擇曲線拐點(diǎn)深度。在已知目標(biāo)深度時(shí)，均選擇目標(biāo)深度作為吊放聲吶最佳工作深度。

4 性能分析

理論上，利用Bellhop模型逐深度計(jì)算吊放聲吶作用距離求取最佳工作深度的傳統(tǒng)方法必然是最精確的，其結(jié)論也可作為“真值”對其他方法進(jìn)行精度檢測。但該方法最致命的缺陷在于計(jì)算速度過慢，無法滿足反潛直升機(jī)空中作業(yè)的實(shí)時(shí)性要求。而本文中提出的快速算法可大大提高運(yùn)算速度，至于結(jié)果的準(zhǔn)確程度則可以通過與傳統(tǒng)算法的對比分析得知，如表1所示。

表1 快速算法與傳統(tǒng)算法對比分析表

表1是快速算法和傳統(tǒng)算法的對比分析表，計(jì)算條件中水深為800 m，C、D兩種聲速剖面的聲速拐點(diǎn)深度為200 m，其余條件與上節(jié)相同。

表中列出了四種典型聲速剖面下分別使用兩種算法求得的最佳工作深度、在該深度上對應(yīng)的吊放聲吶作用距離和計(jì)算耗時(shí)，其中作用距離一項(xiàng)由Bellhop模型在對應(yīng)深度上求得，用以檢測快速算法給出的最佳工作深度精度。

從表中可以看出，快速算法的計(jì)算耗時(shí)僅為毫秒級(調(diào)試發(fā)現(xiàn)其中還有30多毫秒耗費(fèi)在擬合運(yùn)算中)，比逐深度計(jì)算的傳統(tǒng)算法快了4個(gè)數(shù)量級，大大提高了運(yùn)算速度；而且針對D型聲速剖面，快速算法結(jié)論與真值完全一致；對于其他三型聲速剖面，雖然從作用距離方面看，快速算法的結(jié)果與理論上的“最佳”存在一定誤差，但由深度誤差引入的探測距離誤差最大時(shí)依然控制在25%左右，對水聲作用距離而言，該誤差范圍是可接受的[8-9]。因此，在對計(jì)算速度要求較高時(shí)可使用快速算法替代傳統(tǒng)算法。

5 結(jié)論

通過對不同聲速剖面下吊放聲吶最佳工作深度規(guī)律的研究，結(jié)合聲速剖面的劃分和自動(dòng)識(shí)別方法，構(gòu)建了一種快速計(jì)算吊放聲吶最佳工作深度的算法。在作戰(zhàn)和訓(xùn)練中獲取作戰(zhàn)海域的深度-聲速數(shù)據(jù)后，利用該算法可快速自動(dòng)識(shí)別聲速剖面類型，并計(jì)算出吊放聲吶的最佳工作深度，可作為機(jī)載輔助決策系統(tǒng)的一個(gè)有效工具。

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Simple approach to getting working depth of dipping-sonar

ZHAN He1,2, JIN Zhong-yuan1, YANG Ri-jie1

(1. Naval Aeronautics and Astronautics University,Yantai 264001,Shandong, China; 2.Unit 92074,PLA,Ningbo315020,Zhejiang, China)

In anti-submarine warfare, the working depth of dipping-sonar greatly affects detection results. Research on the optimum working depths under different sound speed profiles for the longest distance detection is helpful to improve the detection efficient of dipping sonar. In this paper, the sound speed profiles are firstly classified into typical types, then a smart fast algorithm is designed to achieve auto-recognition by computer; and finally with the Bellhop model, the change regulation of the optimum working depth for different types of sound speed profiles is figured out. Simulation results show that in some conditions the fast algorithm could be a substitution of the traditional algorithm, with which the detection distance of every depth needs to be calculated and then by comparing each other to select an optimal working depth.

anti-submarine warfare; classification of sound speed profiles; dipping-sonar; optimal working depth

TB566

A

1000-3630(2016)-01-0029-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.01.007

2015-10-26;

2015-12-30

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61271444)

戰(zhàn)和(1984－), 男, 山東龍口人, 博士研究生, 研究方向?yàn)樗暪こ膛c航空反潛。

戰(zhàn)和, E-mail: zhanhe@foxmail.com