于 源, 鄢社鋒, 侯朝煥

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混響背景下主動探測聲納性能預(yù)報(bào)

于 源, 鄢社鋒, 侯朝煥

(中國科學(xué)院聲學(xué)研究所 聲學(xué)智能制導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室, 北京, 100190)

根據(jù)主動聲納方程, 進(jìn)行了混響背景下主動探測聲納的性能預(yù)報(bào), 討論了主動探測聲納工作頻率對作用距離的影響, 比較了不同混響反向散射強(qiáng)度下主動探測聲納作用距離的變化情況。分析結(jié)果表明, 混響背景下主動探測聲納的作用距離隨頻率的降低而減小; 隨著混響反向散射強(qiáng)度的減小, 主動聲納性能增強(qiáng), 作用距離增大, 這對工程實(shí)際中更好地選取主動聲納參數(shù), 進(jìn)而提高主動探測聲納性能具有一定的參考意義。

主動聲納方程; 主動探測聲納; 混響; 性能預(yù)報(bào)

0 引言

聲納是利用聲波作為信息載體對水中目標(biāo)進(jìn)行探測、定位、識別、跟蹤和實(shí)現(xiàn)水下導(dǎo)航、測量和通信的各種設(shè)備, 被廣泛應(yīng)用于軍用領(lǐng)域和民用領(lǐng)域, 如反潛、探魚、測深和導(dǎo)航等, 是海軍作戰(zhàn)中不可或缺的重要手段。

如果按聲納的功能來分, 可以分為主動聲納(具有回聲測距和測目標(biāo)徑向運(yùn)動速度的功能)、被動聲納(具有測向或被動測距功能)、水聲通信聲納、水聲對抗、聲誘餌和魚雷報(bào)警聲納等[1]。其中主動聲納利用一個發(fā)射器來產(chǎn)生聲脈沖, 脈沖經(jīng)過水介質(zhì)到達(dá)目標(biāo), 然后以回波的形式返回至水聽器, 此時(shí)要將回波檢測出來, 必須克服噪聲和混響背景?；祉懯莵碜院Ｃ?、海底及海洋體積散射的回波干擾。由于聲脈沖的發(fā)射與回聲接收之間的時(shí)間差可以被測出來, 且海洋中的聲速已知, 所以就可以利用脈沖照射產(chǎn)生的回聲對水下目標(biāo)進(jìn)行探測、定位以及識別。

聲納性能預(yù)報(bào)通常需要從相應(yīng)的聲納方程中解出含有作用距離的參數(shù), 而聲納作用距離是現(xiàn)代的海軍戰(zhàn)術(shù)研究中最受關(guān)注的指標(biāo)。如果在特定的海區(qū), 能夠預(yù)先知道己方聲納的作用距離, 就會大大增加本艇聲納的戰(zhàn)斗力。本文采用主動聲納方程進(jìn)行混響背景下主動探測聲納性能預(yù)報(bào)和相關(guān)研究。

1 主動聲納方程

工作在背景干擾環(huán)境中的聲納, 接收到有用的聲納信號同時(shí)也接收到背景干擾信號。如果接收信號級與背景干擾級之差恰好等于設(shè)備的檢測閾(指接收機(jī)剛好檢測到目標(biāo)所需的輸入信噪比)[2], 即

由檢測閾的定義可知, 此時(shí)設(shè)備剛好可以完成預(yù)定職能[3]。若式(1)的左端小于右端, 則設(shè)備不能正常工作。所以式(1)通常作為組成聲納方程的基本原則。

根據(jù)式(1)所示的原則, 可得主動聲納方程

2 混響背景下的主動聲納方程

改寫成較詳細(xì)的形式為

主要混響源通常在海面、海底處, 或者在具有海水體積的一個水平層中, 因此

將式(6)、式(7)代入式(5), 整理得

3 主動探測聲納性能預(yù)報(bào)及分析

根據(jù)式(9)和設(shè)定的聲納參數(shù)即可給出作用距離隨主動探測聲納工作頻率的變化曲線。

給定的主動聲納參數(shù)由表1所示。

表1 主動聲納參數(shù)

這里需要說明的是, 由于脈沖寬度=1 s時(shí), CW脈沖的帶寬為2 Hz, 這會導(dǎo)致極低的混響指數(shù), 這時(shí)主動聲納的作用距離小到可以忽略, 故本文中只針對FM脈沖這種信號形式進(jìn)行主動聲納性能預(yù)報(bào)。

利用式(8), 代入表1中的數(shù)值, 可以預(yù)報(bào)出該聲納在20~30 kHz頻段內(nèi)不同工作頻率下的性能, 由此可得聲納作用距離, 具體結(jié)果由表2 給出。

表2 Sb=-33 dB時(shí)的聲納作用距離

表3 Sb=-35 dB時(shí)的聲納作用距離

該主動聲納在混響背景下的作用距離隨頻率的變化如圖1所示。

圖1 混響背景下主動聲納作用距離隨頻率的變化

由圖可以看出, 在該指定頻段內(nèi), 混響背景下主動探測聲納的作用距離隨頻率的降低而減小。這和噪聲背景下主動探測聲納的作用距離隨著頻率的降低而增大的情況并不相同。這是由于頻率降低時(shí), 水平波束寬度會變大, 此時(shí)混響指數(shù)會減小, 即沒有足夠的抗混響性能。為使主動聲納獲得較大的作用距離, 就會產(chǎn)生增加頻率的需求。因此, 在工程實(shí)際中, 在基陣尺寸一定的情況下, 為了使主動聲納能夠獲得較大的作用距離, 工作頻率的選擇應(yīng)當(dāng)能在抗噪聲背景性能和抗混響背景性能之間做出權(quán)衡, 這往往需要在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行反復(fù)迭代, 以獲得一個最優(yōu)頻率。

4 結(jié)束語

本文在主動聲納方程的基礎(chǔ)上, 進(jìn)行了混響背景下主動探測聲納的性能預(yù)報(bào), 并為此分析了工作頻率對聲納作用距離的影響, 對不同混響反向散射強(qiáng)度下主動探測聲納的作用距離進(jìn)行了比較并給出了相關(guān)結(jié)論。這對工程實(shí)際中選取更優(yōu)的主動聲納參數(shù), 提高主動探測聲納的性能具有參考作用。

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Performance Prediction of Active Detection Sonar under Reverberation

YU Yuan, YAN She-feng, HOU Chao-huan

(Intelligent Sensing and Signal Processing Lab, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

According to active sonar equation, we predict the performance of active detection sonar under reverberation, discuss the influence of the frequency of active detection sonar on the detection range, and compare the detection ranges of the active sonar under different reverberation backscattering strength. The results show that the detection range of the active sonar decreases with decreasing frequency, and the performance of the active sonar enhances and the detection range extends with the weakening of reverberation backscattering strength. This study may be useful for selecting parameters of active detection sonar to enhance its performance in engineering.

active sonar equation; active detection sonar; reverberation; performance prediction

TJ630.34; U666.7

A

1673-1948(2011)03-0192-03

2011-04-07;

2011-05-24.

于 源(1985-), 女, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)樗曅盘柼幚?

(責(zé)任編輯: 楊力軍)