主動(dòng)聲納探測性能預(yù)報(bào)分析及軟件設(shè)計(jì)?

朱 偉 馮金鹿 李宵宇

（杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所 杭州 310012）

1 引言

在現(xiàn)代的海軍戰(zhàn)術(shù)研究中，聲納的戰(zhàn)法研究越來越受到海軍的重視。如果在特定的海區(qū)，能夠預(yù)先知道已方聲納的作用距離、區(qū)域內(nèi)的探測能力，就會(huì)大大的增加聲納的戰(zhàn)斗力。根據(jù)主動(dòng)聲納方程，影響聲納作用距離的參數(shù)有聲源級(jí)、傳播損失、目標(biāo)強(qiáng)度、噪聲級(jí)、接收指向性指數(shù)、等效平面波混響級(jí)、檢測閾。在實(shí)際使用過程中，聲納作用距離存在較大的不確定性，傳播損失的準(zhǔn)確性，目標(biāo)強(qiáng)度的起伏，噪聲級(jí)、混響級(jí)的起伏，不同方位的干擾等都會(huì)引起聲納作用距離預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。主動(dòng)聲納方程有兩種形式：一種是用于確定克服噪聲背景的性能，另一種用于確定克服混響背景的性能。盡管還有一些方程形式將兩種背景結(jié)合在一起去估計(jì)性能，但是將噪聲與混響性能分開來計(jì)算是有益的，這樣做可以更好地理解在設(shè)備參數(shù)變化時(shí)以及在不同環(huán)境下工作時(shí)會(huì)有什么樣的效果［1］。因此本文深入分析了噪聲限制下的主動(dòng)聲納方程和混響限制下的主動(dòng)聲納方程，并且分析了具體參數(shù)對(duì)聲納作用距離的影響，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了混響級(jí)和噪聲級(jí)的估算方法，最后提出了主動(dòng)聲納性能預(yù)報(bào)系統(tǒng)方案，并編寫了性能預(yù)報(bào)軟件。

2 主動(dòng)聲納方程

噪聲限制下的主動(dòng)聲納方程：

引入信號(hào)余量SE：

其中(N-DI+10 lg B)是全部帶寬上的，波束內(nèi)的噪聲，而(5lg d-10 lg BT-5lg n)是檢測門限。

混響限制下的主動(dòng)聲納方程是

其中(SL-2TLR+TSR)是全部帶寬上的波束內(nèi)的混響，(5 lg d-10lg BT-5lg n)是檢測門限。

在進(jìn)行聲納性能預(yù)報(bào)時(shí)，需要判斷出聲納所處的干擾背景是噪聲還是混響。主動(dòng)聲納在噪聲限制和混響限制下的檢測能力有很大差異，主要的影響因素也不盡相同。回波信號(hào)和混響的強(qiáng)度都是隨距離而衰減的，而噪聲則保持不變。圖1給出了回聲級(jí)（SL-2TL+TS）、噪聲掩蔽級(jí)（NL-DI+DT）與混響掩蔽級(jí)（RL+DT）隨作用距離的變化曲線［2］。

從圖1中可以看出，回聲級(jí)隨作用距離下降的速度要比混響掩蔽級(jí)隨作用距離下降的更快。回聲級(jí)變化曲線與混響掩蔽級(jí)變化曲線、噪聲掩蔽級(jí)變化曲線的交點(diǎn)，分別代表著混響限制下的主動(dòng)聲納作用距離Rr和噪聲限制下的主動(dòng)聲納作用距離Rn（或 R′n），可由對(duì)應(yīng)限制條件下的主動(dòng)聲納方程求得。當(dāng)混響級(jí)高于噪聲級(jí)，Rr小于Rn，此時(shí)，回聲淹沒在混響背景中，聲納作用距離受混響限制。當(dāng)由于某種原因造成噪聲級(jí)增大至圖中虛線位置時(shí)，R′n小于Rn，此時(shí)，回聲淹沒在噪聲背景中，聲納作用距離受噪聲限制。

3 仿真分析

噪聲限制下的主動(dòng)聲納方程：聲納作用距離受聲源級(jí)SL，目標(biāo)強(qiáng)度TS，噪聲級(jí)NL，傳播損失TL的影響。艦殼主動(dòng)聲納安裝于艦艏導(dǎo)流罩內(nèi)，主要受到海洋環(huán)境噪聲和平臺(tái)自噪聲的背景干擾，后者包括機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動(dòng)力噪聲三種成分［3］。由于噪聲源的種類眾多，作用機(jī)理十分復(fù)雜，因此很難用精確的數(shù)學(xué)模型來描述聲納環(huán)境噪聲，通常可以采用典型曲線或經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)其作出估計(jì)和預(yù)報(bào)。海洋環(huán)境噪聲（NL1）連續(xù)譜-6dB/每倍頻程變化，平臺(tái)自噪聲（NL2）隨航速變化，NL2=NL0+60lg（V/V0）且連續(xù)譜-6dB/每倍頻程變化。綜合考慮噪聲級(jí)NL為：NL=10lg(10NL1/10+10NL2/10)。

環(huán)境噪聲級(jí)取60dB，NL0=70dB，V0=18kn，則本艦航速為10kn，14kn，18kn時(shí)的噪聲級(jí)NL分別為：61.1dB，65.0dB，70.4dB。在特定的傳播條件下，如圖2所示其作用距離分別為11km，15km，19km，所以聲納的作用距離受噪聲級(jí)影響明顯，與環(huán)境噪聲和本艦航速密切相關(guān)。

目標(biāo)強(qiáng)度與目標(biāo)形狀、性質(zhì)和尺寸等因素有關(guān)，與主動(dòng)聲納信號(hào)的頻率也有密切關(guān)系。為盡量防止被反潛聲納探測到，現(xiàn)代潛艇普遍敷設(shè)消聲瓦以提高自身的隱蔽性。潛艇敷設(shè)的消聲瓦主要作用是“吸聲”，它能在聲隱身、減振和降噪等三方面提高潛艇的隱身性能，消聲瓦對(duì)不同頻率的吸收效果也會(huì)有較大的差別。目標(biāo)強(qiáng)度難以計(jì)算和鮮有實(shí)際潛艇值的公開資料，在相關(guān)文獻(xiàn)中有許多關(guān)于TS的測量結(jié)果，大多符合標(biāo)準(zhǔn)的“蝴蝶圖”，在聲納設(shè)計(jì)時(shí)一般取潛艇目標(biāo)強(qiáng)度范圍為5dB～25dB。正橫方向最大達(dá)25dB，艏艉方向最小，約10dB，在45°和135°舷角方向，約為15dB，對(duì)于主動(dòng)聲納而言，目標(biāo)姿態(tài)角的變化，會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)強(qiáng)度發(fā)生較大的變化。

如圖 3所示，分別為 TS=5dB，TS=10dB，TS=15dB時(shí)相應(yīng)的回聲級(jí)與噪聲級(jí)的圖，相應(yīng)的聲納作用距離為：15km，17km，21km，由此可見，目標(biāo)姿態(tài)角的變化引起目標(biāo)強(qiáng)度變化，從而導(dǎo)致聲納作用距離發(fā)生明顯變化。所以在預(yù)報(bào)聲納作用距離是有必要引入?yún)?shù)：目標(biāo)姿態(tài)角。

目標(biāo)深度對(duì)探測距離的影響，圖3中為中等水文條件下，目標(biāo)深度為30m、60m、90m對(duì)應(yīng)的聲納作用距離分別為：14km、15km、17km，在該水文條件下，聲納作用距離隨目標(biāo)深度變化相對(duì)較小。

混響限制下的主動(dòng)聲納方程：

當(dāng)回波信號(hào)與混響具有相同的傳播途徑時(shí)，2TL=2TLR。混響目標(biāo)強(qiáng)度TSR=Sb+10lg A，主要混響源通常處在海面、海底處，或者在具有海水體積的一個(gè)水平層中，因此：

其中θh為水平波束寬度，Sb為海底散射強(qiáng)度。由SE=0可得混響限制條件下的主動(dòng)聲納作用距離［4］：

其中10lg(B/θh)就是混響指數(shù)（RI），是衡量及比較抗混響背景性能的有用指標(biāo)。R為混響背景下的作用距離。

對(duì)以海底混響為主的情況下，聲納作用距離與聲源級(jí)關(guān)系不大，特別是淺海環(huán)境下。θh為水平波束寬度，Sb為海底散射強(qiáng)度、信號(hào)帶寬為影響作用距離的關(guān)鍵因素。通常情況下，聲納設(shè)計(jì)完成后θh和信號(hào)帶寬為固定值。

給定主動(dòng)聲納參數(shù)：脈寬1s，帶寬B=1000Hz，目標(biāo)強(qiáng)度TS=10dB，θh=16°，5lg d=12，5lg n=3，當(dāng)Sb=-33dB～-37dB時(shí)對(duì)應(yīng)的混響限制下的作用距離如表1所示。

表1 不同Sb下聲納作用距離

從表1中可以發(fā)現(xiàn)Sb值對(duì)混響限制下的聲納作用距離有很大的影響，所以Sb值是在主動(dòng)聲納探測性能的確定與設(shè)計(jì)中具有重要影響的參數(shù)。要提高主動(dòng)聲納探測性能預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，需要對(duì)可能遇到的Sb值作出正確估計(jì)。另外在混響限制區(qū)，目標(biāo)強(qiáng)度也是影響聲納探測性能的重要參數(shù)。

4 性能預(yù)報(bào)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

主動(dòng)聲納性能預(yù)報(bào)軟件主要涉及聲納工作參數(shù)，海洋環(huán)境參數(shù)，目標(biāo)信息的設(shè)置，利用回波估算混響級(jí)和噪聲級(jí)，預(yù)報(bào)當(dāng)前工作環(huán)境下的聲納最大作用距離和全向探測性能，進(jìn)行聲納使用支持。

主動(dòng)聲納性能預(yù)報(bào)實(shí)現(xiàn)過程：

1）確定聲納本身的工作參數(shù)，主要包括工作頻率、帶寬、脈寬、聲源級(jí)。

2）建立海洋環(huán)境參數(shù)。海洋環(huán)境有聲速梯度，海底底質(zhì)，海底吸收，海底密度等，聲速梯度可以利用實(shí)際的測量數(shù)據(jù)，也可以采用典型聲梯數(shù)據(jù)。海底底質(zhì)、海底吸收、海底密度等參數(shù)選用經(jīng)驗(yàn)值或者數(shù)據(jù)庫中的值。

3）目標(biāo)信息設(shè)置。目標(biāo)信息指目標(biāo)反射強(qiáng)度，目標(biāo)深度。目標(biāo)的反射強(qiáng)度隨目標(biāo)類型、信號(hào)頻率、目標(biāo)姿態(tài)角變化。

4）根據(jù)信號(hào)頻率和精度要求選擇KRAKEN模型計(jì)算傳播損失。

5）混響級(jí)、噪聲級(jí)計(jì)算。利用聲納回波數(shù)據(jù)估算混響級(jí)和噪聲級(jí)，比較確定使用混響背景下聲納方程，噪聲背景下聲納方程。在實(shí)際使用中，按照設(shè)置的聲納工作參數(shù)發(fā)射后接收的回波中，包含混響和噪聲，通過回波數(shù)據(jù)估算混響級(jí)和噪聲級(jí)，通常情況下，在某個(gè)距離上，回波能量不再隨距離變化，該距離以內(nèi)估算得到的為混響級(jí)，使用混響限制下的聲納方程預(yù)報(bào)作用距離；該距離之外的為噪聲級(jí)，使用噪聲限制下的聲納方程預(yù)報(bào)作用距離。

6）計(jì)算SE，將不同波束、不同距離點(diǎn)的SE都作為預(yù)報(bào)軟件的輸出。SE=0處對(duì)應(yīng)聲納最大作用距離。SE越大，畫面越亮，表示該區(qū)域探測到目標(biāo)的概率越大。

圖5 為本文設(shè)計(jì)的主動(dòng)聲納性能預(yù)報(bào)畫面，分三個(gè)區(qū)域，上半部分為360°全向的聲納探測性能顯示，右下角為參數(shù)設(shè)置區(qū)域，分別設(shè)置聲納工作參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、目標(biāo)參數(shù)，左側(cè)顯示聲速梯度和傳播損失。

5 結(jié)語

本文以主動(dòng)聲納方程為基礎(chǔ)，重點(diǎn)分析了海底散射強(qiáng)度、平臺(tái)噪聲、目標(biāo)信息（目標(biāo)姿態(tài)角，目標(biāo)深度）等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)聲納作用距離的影響，針對(duì)混響級(jí)和噪聲級(jí)，提出了估算噪聲級(jí)、混響級(jí)的方法，用于聲納性能預(yù)報(bào)，可提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，并以此構(gòu)建了艦殼主動(dòng)聲納性能預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

該軟件可用于預(yù)報(bào)與分析，不同聲納工作參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、目標(biāo)參數(shù)下的聲納探測性能、作用距離。影響聲納作用距離的參數(shù)有很多，要提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，需要盡可能地獲得準(zhǔn)確的參數(shù)值，比如海底散射系數(shù)、海底底質(zhì)、聲速梯度等，需進(jìn)一步研究。