主動全向聲納浮標性能預測

梁巍，楊日杰，熊雄，程翔

（1.海軍航空工程學院電子信息工程系，山東煙臺264001；2.92635部隊，山東青島266000；3.91498部隊，河北秦皇島066000；4.95972部隊，甘肅酒泉735018）

主動全向聲納浮標性能預測

梁巍1，2，楊日杰1，熊雄3，程翔4

（1.海軍航空工程學院電子信息工程系，山東煙臺264001；2.92635部隊，山東青島266000；3.91498部隊，河北秦皇島066000；4.95972部隊，甘肅酒泉735018）

主動聲納浮標適合探測安靜型潛艇，預測主動聲納浮標的性能已成為航空反潛戰的重要內容。文章首先簡要分析了水聲傳播模型、海底和海面損失模型以及混響模型等聲納模型的優劣并進行合理選擇；在此基礎上，提出了一種主動全向聲納浮標性能預測系統的總體方案，并設計了相應軟件；最后，針對不同的海洋環境進行仿真實驗。該系統能預測主動聲納浮標在各傳播方向、水平距離和深度的傳播損失及檢測概率，可以用于分析浮標性能的時空變化特性，為優化使用聲納浮標提供參考。

主動全向聲納浮標；性能預測；檢測概率；傳播損失

聲納浮標在航空反潛中已得到廣泛應用，隨著潛艇降噪技術的發展，在環境噪聲大的海域，被動聲納浮標探測范圍越來越小。與被動浮標相比，主動浮標更加適合探測安靜型潛艇。因此，預測主動聲納浮標的性能已成為航空反潛戰的重要內容。

預測主動聲納浮標性能需要合理選擇聲納模型和衡量聲納性能指標。根據聲納方程，聲納模型應該包括聲源、目標強度、聲傳播、噪聲、混響、海面/海底損失和信號檢測等。在選擇這些模型時需權衡精確性和計算速度。例如，采用早期的基于經驗公式的聲傳播模型，運算速度快，但精度較差［1-2］。在性能指標選取上，已有文獻大多涉及聲納作用距離，很少關注各處的檢測概率和虛警概率［1-4］。通常將作用距離定義為在正確檢測目標概率等于給定值時的最大作用距離，很多情況下該檢測概率取0.5。隨著計算機技術的發展，為優化使用聲納，不僅需聲納的作用距離，還需要各傳播方向、水平距離和深度上的檢測概率。因此，用聲傳播方向、水平距離和深度的檢測概率衡量主動聲納的性能將更加全面，必要的情況下還可以給出相應虛警概率。

鑒于上述考慮，文章首先從精確度、運算速度、處理水平變化能力和頻率適應性等方面對比分析各聲納模型的優劣并進行合理選擇；然后，提出了一種預測主動全向聲納浮標性能的設計方案；最后，進行了仿真實驗并分析了不足點。

1　主動聲納模型

主動單基地聲納依據噪聲或混響限制條件的不同表述成以下聲納方程［5-6］：

式（1）～（3）中：SL為聲源級；TL為傳播損失；TS為目標強度；NL為環境噪聲級；RL為混響級；DI為指向性指數，對于全向聲納浮標DI=0；DT為檢測域，在本文中DT用的是濾波器系統；d為檢測指數，由接收機的ROC曲線確定；T為脈沖長度；B為接收機有效帶寬。

假定主動全向聲納浮標發射脈沖為單頻脈沖信號，脈寬一般在1 s以內，結合聲源級、換能器指向性就可以建立聲源模型；由于不同的聲納設備采用的信號檢測方式可能不一樣，不能建立統一的信號檢測模型。因此，在性能預測過程中假定接收機的ROC曲線已知；目標強度通過目標不同型號予以確定；環境噪聲可根據實測的噪聲譜確定，也可以通過經典的深海平均噪聲譜大體估算［7］。

1.1聲傳播模型

按照物理特性和數學函數，將現有聲傳播模型分為5大類：射線理論、簡正波模型、PE模型、多徑展開模型和快速聲場模型［7］。以下從3方面對比這幾種聲學模型的優劣。

1）在處理水平變化的海洋環境方面，射線理論和PE模型最適合，經過擴展的簡正波模型也能處理，但處理能力弱。

2）在精確性和計算速度方面，PE方法計算聲場精確，經常作為一種標準模型檢驗其他模型的準確性，但對大于1 kHz的工作頻率，計算速度極慢，作為工程應用不合適。簡正波模型在低頻淺海環境下計算速度快，還能正確描繪聲場，但在高頻、深海環境中也存在計算速度慢的缺點。

3）在處理主動傳播方面，PE模型只能計算前向場且沒有時間差，通常被認為不適合主動傳播建模；簡正波理論嚴格講也沒有時間差或者說不能計算散射場，然而用模擬射線的方法將簡正波能量分解成上行波和下行波，使之能適合處理主動聲傳播；由于射線理論中的射線按時間點分布，很容易處理邊界混響和散射，所以說射線理論是最適合主動聲傳播的模型。

對于主動聲納的聲傳播模型，雖然射線理論計算聲場存在弱點，但從處理主動聲傳播、水平變化的水聲環境和計算速度等方面考慮，選擇射線理論較合適。1996年提出的GRAB（Gaussian Ray Bundle）模型，允許射線有“寬度”，深度方向上的能量分布從射線中央向上下作高斯擴展，該技術一定程度上改善了射線理論的性能，在1 kHz頻率時，與標準預測模型EFEPE相比吻合較好［8］。本文只考慮主動全向聲納浮標，工作頻率一般在1～20 kHz之間，因而選用基于GRAB的射線理論作為聲傳播模型。以下闡述基于GRAB的傳播損失的計算過程。

射線聲學滿足波動方程：

式（4）中：c為聲速，與位置s=（x，y，z）有關；p為聲壓。

設聲壓為：

式（5）中：A（s）為聲壓幅度；ω為聲源頻率；k0=ω/c0為聲源處波數；φ（s）具有長度量綱。

將式（4）代入式（3）：

用特征法求解，得二維聲線軌跡方程［9］：

式（8）中：s表示射線的弧長；［r（s），z（s）］是水平距離-深度平面內的射線軌跡；正切于s處的射線。

設（r0，z0）是聲源的水平距離和深度的坐標，α為射線初始角，則方程（8）的初始條件為：

每束射線引起的聲壓為

式（10）中：τ（s）為沿聲線的傳播時間；n（s）是接收點到聲束中心射線的法向距離；?（n，s）表示聲束范圍內聲場的分布規律。

對于基于GRAB的射線理論，它們的計算式表示如下：

式（12）～（13）中，a=-4ln（β）/（δα）2，β為聲束因子，表示相鄰聲束中心射線之間的距離。

在某接收點處（r，z）的總聲壓為各聲束在該點引起的聲壓和p（r，z）［10］：

式（14）中：N（r，z）為該接收點處聲場的特征聲線數目；pj（r，z）為第j條特征聲線束產生的聲壓。

聲場中，不同位置有貢獻的特征聲線數目是不同的，隨接收位置以及聲線與海面和海底界面接觸的次數而變化。

根據定義可得傳播損失：

式（15）p（r，z）部分采用非相干處理，忽略了每根特征聲線的聲壓相位，p0為離聲源中心1 m處的聲壓，

傳播損失計算和尋找本征聲線，采用了Bellhop程序（http：//oalib.hlsresearch.com）。為了提高運算速度，關閉了“curvature double”、“beam shifts”和“海平面高度”等出于研究目的的選項，聲速采用線性插值，海面/海底反射系數從外部輸入，計算方法在1.3節中論述。

1.2混響模型

混響是存在于海洋中的大量無規則散射體對入射聲信號產生的散射波信號在接收點疊加而形成的。根據海洋中產生混響的散射源不同可將混響分為體積混響、海面混響與海底混響。

邊界混響強度可以表示為［11］：

式（17）中：t、r分別表示聲源和接收器；I0表示聲源聲強；dA是散射元面積；φ為水平方位角；θs、θr分別表示入射角和散射角；S（θt，θs，φ）表示散射強度；Ps（θs）、Pr（θr）分別表示源信號到散射單元、散射單元到源信號的傳播損失。

基于不同傳播模型的混響計算主要區別在P項。目前，計算混響強度通常采用簡正波模型、PE模型和射線模型［11-14］。與傳播模型類似，簡正波方法不適合水平距離變化的環境，PE方法在1 kHz以上計算速度慢。一般的射線方法有些局限性，不適合“焦散線”和“匯聚區”，而且遍歷散射體與接收器/發射器之間的本征射線相當費時。但射線方法的計算時間與頻率無關，只與射線的采樣強度有關。GRAB射線模型允許射線“折彎”，較容易尋找本征聲線，一定程度上提高了運行速度［15］。另外GRAB可以有效地處理相關特性。故采用基于GRAB射線理論的混響模型，計算方法見文獻［16］。

1.3海面和海底反射損失

計算海面和海底損失的方法很多，基于射線理論的方法將聲波看作平面波，海面在無風情況下反射系數為-1?？紤]到海面和海底的不平整性而引起前向散射，將這種散射的影響計入到界面損失中去，在粗糙度較小的情況下，反射系數用經驗公式取代：［17］

2　主動全向聲納浮標性能預測實現過程

預測主動全向聲納浮標性能的步驟如下：

1）確定聲納本身的技術指標，主要包括工作頻率、帶寬、聲源級、收發換能器的水平/垂直指向性指數及聲納深度等。

2）建立海洋環境。海洋環境有聲速剖面數據、海底高程、沉積層屬性等。結合聲納的工作頻帶，該步驟可完成海洋環境噪聲和海面/海底反射系數的計算。

3）目標信息設置。目標信息指目標強度、目標位置（水平方位、距離和深度），其中目標位置均勻分布在N個水平方向對應的二維垂直剖面上。

4）根據頻率和精度要求選擇Bellhop程序計算聲傳播損失。

5）混響強度計算。當不知道是混響遮蔽為主還是噪聲遮蔽為主時，平均混響強度和海洋環境噪聲均要計算，以便比較，確定采用式（1）還是式（2）計算檢測概率。

6）求檢測閾DT，結合ROC曲線，得到檢測概率和虛警概率。

3　主動全向聲納浮標性能預測軟件設計

主動浮標性能預測軟件可以在給定聲納特性、目標特性和海洋環境的條件下，方便地計算傳播損失和檢測概率并能生成指定水平方向的聲線軌跡剖面。因此，將預測系統設計成5部分：聲納特性模塊、目標特性模塊、海洋環境模塊、操作界面模塊和Bellhop擴展模塊，如圖1所示。

圖1　總體方案Fig.1 Overall plan

聲納設置和目標設置分別用來獲取聲納和目標的屬性。海洋環境模塊較為復雜，包括海洋地理數據庫、水聲環境數據庫、海洋環境設置程序、海洋環境瀏覽程序等［18］。其中，海洋環境瀏覽程序用來查看某海域在一定時間的CTD（Conductivity Temperature Depth）數據、海深和海底屬性等，方便確定聲納投放地點。海洋環境設置程序不僅可以利用實際的測量數據，也可根據需要自定義海洋環境用于檢驗分析?；贐ellhop的擴展模塊完成海面/海底損失計算、傳播損失計算、本征聲線尋找、混響計算和海洋環境噪聲計算、檢測概率和虛警概率的計算等功能。

3.1數據庫設計

為了便于分析聲納性能的時變性，建立了海洋地理數據庫和水聲環境數據庫。海洋地理數據，包括海深和海底屬性（包括粗糙度、底質和沉積層厚度等）。遺憾的是除了沉積層深度外海底屬性數據非常缺乏，只有少數海域有公開數據，大部分海域只有簡單的底質描述，因而該數據庫不完整也不精確。水聲環境數據庫包括歷年測量的CTD數據和按月份平均的溫深鹽數據。所有這些數據資料均可從互聯網上下載（http：//www.nodc.noaa.gov）。

3.2操作界面設計

操作界面是預測軟件的控制中心，完成各種參數的輸入、計算結果（包括數據、曲線和圖片）的顯示。整個軟件有2個主要操作界面：參數設置界面和性能瀏覽界面。參數設置界面如圖2所示。左邊為電子地圖操作區，可以用放大或縮小模式查看海深和CTD數據分布狀況，放置聲納等。右邊為設置區，不僅可以設定聲納參數、目標參數、運行參數等，還能瀏覽溫度曲線、聲速曲線和聲納指向性圖等二維圖片。

圖2　設置界面Fig.2 Set interface

4　仿真實驗

假定目標強度為20dB，將無指向性的單頻聲納浮標（7.5 kHz）放置在某海域中，具體位置和CTD數據如圖2所示，取2月份的平均水聲數據，圖3顯示了該聲納的性能，左側是指定深度的檢測概率剖面，右側從上到下依次表示指定水平方向的聲線、傳播損失和檢測概率垂直剖面。由于聲納置于“斜坡”上，東面是水聲環境較好盆地，海深超過2km，西面是傾斜的沿海地帶，由300 m左右的深度驟然降至2km以下，水聲環境較差。由圖3可知在300 m接收深度上往東檢測概率超過50%的距離將近16km，往西卻不到10km。將同樣的聲納置于幾乎是各向同性的淺海環境中，聲速為1.510km/s，混響是主要干擾，圖4標示了聲納處于30 m接收深度的水平檢測概率?？梢姍z測概率超過50%的距離小于10km，在各水平方向上性能幾乎一致。

圖3　主動聲納深海性能預測Fig.3 Deep sea performance prediction of active sonar

圖4　主動聲納淺海性能預測Fig.4 Shallow-water performance prediction of active sonar

5　小結

本文以聲納方程為基礎，從頻率適用性、處理水平變化環境的能力、處理主動聲傳播能力、計算精度和速度等方面對比了聲傳播模型和混響模型，從而合理選用了基于GRAB射線理論的傳播模型和混響模型。采用各水平方向、距離和深度上的檢測概率和虛警概率作為衡量主動聲納性能的指標。在此基礎上，架構了主動全向聲納浮標性能預測系統，設計了相應軟件，并針對2種不同的海洋環境進行仿真實驗。

預測系統可以利用歷年的測量數據分析聲納性能的時空變化特性，為反潛訓練和考核提供一個有價值的手段；另外，該系統也可依據實測的或仿真的海洋地理環境數據、水聲數據計算主動聲納的傳播損失和檢測概率，為主動全向聲納浮標的優化使用提供參考。

該系統還有諸多不足。首先，表現在海底損失方面，缺乏完整的高分辨的地理聲學數據，而且反射系數應采用更為精確的計算模型；需建立聲納數據庫和目標潛艇的數據庫，使性能估算更有針對性；不能預測多基地聲納系統的性能。

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Active Omni-Directional Sonobuoys Performance Prediction

LIANG Wei1，2，YANG Rijie1，XIONG Xiong3，CHENG Xiang4
（1.Department of Electronic Information Engineering，NAAU，Yantai Shandong 264001，China；2.The 92635thUnit of PLA，Qingdao Shandong 266000，China；3.The 91498thUnit of PLA，Qinhuangdao Hebei 066000，China；4.The 95972ndUnit of PLA，Jiuquan Gansu 735018，China）

Active omni-directional sonobuoys are fit for tracking quiet submarine.The active sonobuoys performance prediction has been an important part in aviation anti-submarine warfare.Firstly，sonar models including acoustic transmission model，sea surface/bottom loss model and reverberation model were analyzed and selected.On these bases，the design scheme of a simulation system for active omni-directional sonobuoys performance prediction is presented and the software was established.Finally，simulations under different condition were given.The system can predict transmission loss and detection probability at any horizontal direction，distance and depth，which can be used to analyze active sonobuoys performance under different time and space so as to use sonobuoys reasonably.

active omni-directional sonobuoys；performance prediction；detection probability；transmission loss

E925.4；U666.7

A

1673-1522（2016）03-0385-05DOI:10.7682/j.issn.1673-1522.2016.03.015

2016-03-20；

2016-05-02

國家自然科學基金資助項目（61271444）

梁巍（1984-），男，碩士生；楊日杰（1963-），男，教授，博士。