基于水下滑翔機(jī)的水聽(tīng)器陣設(shè)計(jì)與探測(cè)性能分析

魏陽(yáng)杰，王淵，張營(yíng)，劉志武，趙洪冰

（1.中國(guó)航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京，210007；2.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094）

0 引言

水下滑翔機(jī)具有自噪聲低、能耗低、效率高、續(xù)航能力強(qiáng)、隱蔽性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，一方面可為海洋科學(xué)研究、海洋搜救打撈、海底設(shè)備布放檢測(cè)維修回收、海洋資源開(kāi)發(fā)與利用等提供支撐；另一方面方面可用于海洋軍事目標(biāo)（例如敵潛艇、艦船、水下無(wú)人探測(cè)平臺(tái)）的探測(cè)和偵察，為情報(bào)搜集等提供支撐。與浮標(biāo)和潛標(biāo)等無(wú)人平臺(tái)相比，水下滑翔機(jī)具有優(yōu)越的機(jī)動(dòng)性、可控性和高效性，無(wú)需專門的動(dòng)力系統(tǒng)，成本低廉，適合大規(guī)模組網(wǎng)應(yīng)用，構(gòu)建水聲偵察網(wǎng)。因此，水下滑翔機(jī)特別適宜用于水聲偵察領(lǐng)域［1-3］。

1 作用對(duì)象分析

1.1 主動(dòng)聲納信號(hào)

主戰(zhàn)艦艇需要裝備主動(dòng)聲納用于探測(cè)、攻擊以及導(dǎo)航等，從而會(huì)輻射出主動(dòng)聲納信號(hào)。

驅(qū)逐艦安裝的主動(dòng)聲納典型型號(hào)為美國(guó)海軍“伯克”級(jí)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦裝備的AN/SQS-53C型綜合主戰(zhàn)聲納以及英軍42型導(dǎo)彈驅(qū)逐艦裝備的2050/2016型綜合聲納。護(hù)衛(wèi)艦安裝的主動(dòng)聲納典型型號(hào)為美國(guó)海軍“佩里級(jí)”級(jí)護(hù)衛(wèi)艦裝備的AN/SQS-53B型綜合主戰(zhàn)聲納。主動(dòng)反潛浮標(biāo)也會(huì)產(chǎn)生主動(dòng)聲納信號(hào)，其典型代表為美軍的SSQ-62E型主動(dòng)聲源浮標(biāo)。以上聲吶主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，其中SSQ-62E型主動(dòng)聲源浮標(biāo)聲源級(jí)≥200 dB；工作深度含27 m、120 m、460 m三檔可選。艦艇主戰(zhàn)聲納的效率一般在0.2～0.7之間，方向性指數(shù)一般在10～20 dB之間，則對(duì)于150 kW功率聲源，當(dāng)效率為0.2時(shí)可計(jì)算其聲源級(jí)的上限與下限分別為：

表1 各型號(hào)主動(dòng)聲吶技術(shù)參數(shù)

當(dāng)效率為0.7時(shí)可計(jì)算其聲源級(jí)的上限與下限分別為：

1.2 水聲通信信號(hào)

有時(shí)為了水聲通信的需要，潛艇、水下無(wú)人平臺(tái)等通常會(huì)裝備用于水聲通信的主動(dòng)聲納設(shè)備，國(guó)外常用的水聲通信裝備的通信距離大于3 km，典型的工作頻段為2～30 kHz，信號(hào)形式有擴(kuò)頻信號(hào)、MFSK信號(hào)、MPSK信號(hào)以及OFDM信號(hào)等，信號(hào)形式類型較豐富。水聲通信設(shè)備的聲源級(jí)一般都比較大，一般≥170 dB（10 kHz）。

1.3 輻射噪聲信號(hào)

任何船艦在運(yùn)行時(shí)，主機(jī)和輔機(jī)都一直在運(yùn)作，而且船體的其他結(jié)構(gòu)部件由于機(jī)械振動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生噪聲，通常意義下船艦輻射噪聲分為3個(gè)大類：機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動(dòng)力噪聲。

1） 機(jī)械噪聲是船艦低速航行時(shí)的船艦噪聲的主要成分。船艦旋轉(zhuǎn)的不平衡部件、重復(fù)不連續(xù)工作的部件、往復(fù)部件，這些部件所產(chǎn)生的噪聲均為有線譜噪聲，其主要成分就是振動(dòng)基頻及其諧波分量。其他機(jī)械噪聲還有各種管道、泵管中流體所產(chǎn)生的空化、排氣以及軸承、軸頸上機(jī)械部件等產(chǎn)生的連續(xù)譜噪聲。總的來(lái)說(shuō)，機(jī)械噪聲是構(gòu)成船艦噪聲的低頻部分，其中推進(jìn)系統(tǒng)的輻射噪聲具體表現(xiàn)為強(qiáng)線譜和弱連續(xù)譜的疊加，這些線譜的幅度和頻率都與船速相關(guān)。而輔機(jī)部分所產(chǎn)生的線譜與航速無(wú)關(guān)，其線譜的幅值和頻率都表現(xiàn)得相對(duì)穩(wěn)定。

2） 螺旋槳噪聲是由螺旋槳自身振動(dòng)和在水中旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的噪聲，與機(jī)械噪聲類似，螺旋槳噪聲也會(huì)產(chǎn)生連續(xù)譜以及線譜噪聲。

3） 水動(dòng)力噪聲是不規(guī)則水流作用于船艦后產(chǎn)生的噪聲。大多數(shù)情況下，水動(dòng)力噪聲對(duì)船艦輻射噪聲的貢獻(xiàn)不大，通常都被淹沒(méi)在機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲中，但在某些特殊情況下，比如當(dāng)空腔被激勵(lì)成線譜噪聲的共振源時(shí)，水動(dòng)力噪聲就會(huì)成為主要的噪聲源。

通過(guò)前面的分析可以發(fā)現(xiàn)船艦輻射噪聲其實(shí)就是由連續(xù)譜和線譜疊加而成，其有如下的特性：

1） 續(xù)譜噪聲主要由機(jī)械噪聲，螺旋槳噪聲和水動(dòng)力噪聲共同產(chǎn)生。連續(xù)譜的主要頻段可以從幾赫茲到數(shù)萬(wàn)赫茲，在低頻段是以6～12 dB／倍頻程的正斜率增加，而在高頻段是以-6 dB／倍頻程的負(fù)斜率下降，其中譜峰值一般出現(xiàn)在100～1 000 Hz之間。

2） 線譜主要分布在輻射噪聲的低頻部分，少數(shù)情況會(huì)出現(xiàn)在1 000 Hz附近。線譜的頻率較為穩(wěn)定，且有一定的規(guī)律。

3） 聲級(jí)隨距離的衰減量一般與水深和海底介質(zhì)有關(guān)，但在遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)一本近似為6 dB／倍頻程。

典型潛艇目標(biāo)的輻射噪聲級(jí)總結(jié)如圖1所示，并定義噪聲潛艇的源級(jí)為140 dB，安靜型潛艇的源級(jí)為120 dB，極安靜型潛艇的源級(jí)為100 dB［3］。

圖1 典型潛艇目標(biāo)的輻射噪聲級(jí)

2 基于水下滑翔機(jī)的水聽(tīng)器陣設(shè)計(jì)

由于矢量水聽(tīng)器通常適合用于低頻段的水聲偵察，且在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上應(yīng)用效果不佳，所以為了兼顧對(duì)目標(biāo)海域低頻以及中高頻水聲信號(hào)進(jìn)行全向偵察，采用高靈敏度、小型化標(biāo)量壓電陶瓷型水聽(tīng)器進(jìn)行組陣，同時(shí)結(jié)合功耗以及水下滑翔機(jī)的外形特點(diǎn)，設(shè)計(jì)水聽(tīng)器陣，如圖2所示。

圖2 基于水下滑翔機(jī)水聽(tīng)器陣結(jié)構(gòu)示意圖

3 水聽(tīng)器陣探測(cè)性能分析

3.1 作用距離分析

仿真中假設(shè)海底為平坦海底，海深1 000 m，海水密度為1.6 g/cm3，聲速分布采用典型munk聲速分布如圖3所示。

圖3 munk聲速分布圖

假設(shè)聲源深度100 m，利用BELLHOP射線聲學(xué)模型，當(dāng)聲源為230 dB@3 kHz的主動(dòng)聲納目標(biāo)時(shí)，計(jì)算其傳播損失與FOM之間的對(duì)比，如圖4所示。可以看出，在本文仿真的海洋環(huán)境下，本文水聽(tīng)陣系統(tǒng)對(duì)典型聲源級(jí)為230 dB@3 kHz的艦艇主戰(zhàn)聲納目標(biāo)的最大作用距離超過(guò)100 km。

圖4 聲源頻率為3 kHz時(shí)偵察距離分析

設(shè)聲源深度100 m，利用BELLHOP射線聲學(xué)模型，當(dāng)聲源為170 dB@10 kHz的水聲通信聲納目標(biāo)時(shí)，計(jì)算其傳播損失與FOM之間的對(duì)比，如圖5所示。可以看出，在本文仿真的海洋環(huán)境下，本文水聽(tīng)陣系統(tǒng)對(duì)典型聲源級(jí)為170 dB@10 kHz的水聲通信聲納目標(biāo)的最大作用距離超過(guò)15 km。

圖5 聲源頻率為10 kHz時(shí)偵察距離分析

同理對(duì)于輻射噪聲的偵察，假設(shè)聲源深度100 m，采用簡(jiǎn)正波模型，當(dāng)聲源為140 dB@100 Hz噪聲潛艇輻射噪聲目標(biāo)時(shí)，計(jì)算其傳播損失與FOM之間的對(duì)比，如圖6所示。可以看出，在本文仿真的海洋環(huán)境下，本文水聽(tīng)陣系統(tǒng)對(duì)噪聲潛艇目標(biāo)的最大作用距離超過(guò)9 km。

圖6 聲源頻率為100 Hz時(shí)偵察距離分析

3.2 測(cè)向性能分析

水下聽(tīng)陣系統(tǒng)采用波束比幅測(cè)向體制，出于計(jì)算量以及測(cè)向精度的考慮，在水平方向預(yù)成16個(gè)波束，覆蓋水平方向0～180°。當(dāng)入射角度為90°、偵察頻率為1 kHz時(shí)，仿真其波束圖如圖7所示，其主瓣寬度大約在33°左右，仿真得到的16個(gè)波束的覆蓋圖如圖8所示，可見(jiàn)其滿足相鄰波束之間3 dB覆蓋，滿足使用要求。

圖7 入射角度為90°波束

圖8 水聽(tīng)器陣16波束覆蓋圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于水下滑翔機(jī)的水聽(tīng)器陣，并詳細(xì)分析了該陣的性能，通過(guò)分析可知，當(dāng)偵察頻率為1 kHz時(shí)，該陣的方位分辨率在33°左右。同時(shí)通過(guò)對(duì)基于水下滑翔機(jī)的水聽(tīng)器陣性能分析可知，其對(duì)聲源級(jí)230 dB@3 kHz主動(dòng)聲納信號(hào)的有效作用距離最大可達(dá)100 km以上，對(duì)聲源級(jí)170 dB@10 kHz水聲通信信號(hào)的有效作用距離最大可達(dá)15 km以上，對(duì)聲源級(jí)140 dB@100 Hz輻射噪聲信號(hào)的有效作用距離最大可達(dá)9 km以上，系統(tǒng)性能良好。