肖 軍，王旭升，姜可宇

(1.解放軍91388部隊，廣東 湛江 524022;2.海軍工程大學，湖北 武漢 430033)

隨著水雷技術的發(fā)展，水雷戰(zhàn)已經(jīng)成為水下聲信息戰(zhàn)的一個重要方向，水雷探測也變得越來越重要。到目前為止，國內水雷探測的最有效設備是探雷聲納。探雷聲納作用距離作為聲納重要戰(zhàn)技指標之一，是掃雷艦制定航線間隔的重要依據(jù)。

由于以反潛為目的的聲納作用距離相對較遠，聲納的反潛搜索區(qū)域一般根據(jù)聲納方程作粗略估計［1］。而探雷聲納工作頻段為高頻，布雷海域為淺海，由于海洋環(huán)境的復雜性，聲納作用距離受到很大的限制。為了能高效地掃清某片海域，需要對聲納作用距離進行精確預報。

文章根據(jù)聲納基陣的三維指向性函數(shù)，利用聲納方程對考慮波束實際指向的探雷聲納作用距離進行了有效預報，研究結果對于指導探雷聲納的作戰(zhàn)使用具有重要意義。

1 探雷聲納基陣三維指向性

1.1 三維指向性函數(shù)

探雷聲納屬于收發(fā)合置型聲納，發(fā)射陣和接收陣均由具有一定長度和寬度的平板陣元線性排列組成。在計算指向性函數(shù)時，可以認為基陣由一組平板陣和一個均勻線列陣組合而成，分別計算平板陣和均勻線列陣的指向性函數(shù)，利用Bridge乘積定理即可獲得發(fā)射陣和接收陣的指向性函數(shù)。鑒于發(fā)射陣與接收陣具有相同的指向性函數(shù)形式，本文以發(fā)射陣為例。

圖1 探雷聲納發(fā)射基陣示意圖

圖1 所示為探雷聲納發(fā)射基陣示意圖，以基陣中心o為原點建立三維直角坐標系，基陣陣元沿X軸線性排列。取三維空間中任意一點M，定義oM在XOY面上的投影與OY軸正軸的夾角為α，oM與OZ軸正軸的夾角為γ。每個陣元具有一定的長度和寬度，可以認為單個陣元為小型平板陣，N個陣元在X軸上線性排列構成均勻線列陣。假設陣元平板長度為a，寬度為b，則對于空間中任意一點M，平板陣的三維指向性函數(shù)可表示如下［2］:

對于均勻線列陣，假設陣元數(shù)為N，陣元間距為d，波長為λ，則均勻線列陣在XOY面上的平面指向性函數(shù)可表示如下:

式中，β為oM在XOY面上的投影與OX軸正軸的夾角，根據(jù)對應關系可知，β=90°－α。根據(jù)式(1)與式(2)，對于空間中任意一點M，已知角度α和γ，即可確定oM方向的指向性函數(shù):

1.2 三維波束圖

假設基陣發(fā)射陣陣元平板長0.08m，寬0.01m，陣元間距 0.01m，個數(shù)為 16，α∈(0°，360°)，β∈(0°，90°)。根據(jù)波束的三維指向性函數(shù)形式，即可仿真實現(xiàn)發(fā)射陣的單波束三維波束圖。

圖2為探雷聲納發(fā)射陣單波束三維波束圖。從圖中可以看出，波束的主瓣近似呈尖細的扇片狀。定義X軸方向為波束的水平方向，Y軸方向為波束的垂直方向。取圖2中指向性函數(shù)值的水平方向和垂直方向值，即可分別得到發(fā)射陣水平方向和垂直方向的單波束指向性圖，并獲得對應的－3dB和－6dB單波束寬度，如圖3所示。

圖2 發(fā)射陣單波束三維波束圖

2 探雷聲納作用距離預報模型

2.1 主動聲納方程

探雷聲納屬于收發(fā)合置型主動聲納。工作時，如果接收到的目標回波信號級與背景干擾級之差剛好等于檢測閾，此時設備剛好能夠正常工作，否則不能正常工作。

假設輻射聲源級為SL，目標強度為TS，從聲源到目標的傳播損失為TL，檢測閾為DT，接收陣指向性為DI，背景干擾級主要為海洋環(huán)境噪聲和海底混響，海洋環(huán)境噪聲級為NL，等效平面波混響級為RL。相應的主動聲納方程如下:

從式中可以看出，假設檢測閾確定，式(4)中等式剛好成立時的聲納探測距離即為對應海洋環(huán)境下聲納的最大作用距離。

圖3 發(fā)射陣水平方向和垂直方向指向性圖

2.2 海底混響級

圖4 單波束照射海底區(qū)域模型

探雷聲納工作環(huán)境為淺海，海底混響為聲納工作的主要背景干擾。圖4所示為聲納單波束照射海底區(qū)域模型?？紤]到單波束的實際形狀，波束照射的海底區(qū)域不能簡單當成扇形來處理，而應該是一個近端飽滿、遠端尖細的不對稱橢圓。如圖4所示，以基陣中心O點為原點建立三維直角坐標系，使三維波束的中心軸線方向與OZ軸方向重合，中心軸線與海底的交點為Oa，OaYa軸位于OY軸在海底的投影線上，假設點M為三維單波束在海底照射區(qū)域內任意一點，角度γ為中心軸線OOa與聲線OM對應出射角的差值，與圖1中的γ相對應。對于一個確定的γ角，波束會在海底形成一條過M點的寬度為τ的混響圓環(huán)。將圓環(huán)對應的水平角度細分，即可獲得每個面元對應的水平角度α，利用探雷聲納三維波束指向性函數(shù)P(α，γ)，即可求出面元在對應聲線出射方向的指向性函數(shù)值。根據(jù)海底混響的理論公式，每個面元對應的海底混響強度可表示如下［3～5］:

式中，SL為聲源級，Sb為海底反向散射強度，Sa為吸收衰減，r為聲納的探測距離，dA為面元對應的面積，P(α，γ)為面元相對基陣方向的指向性函數(shù)值。

2.3 目標回波級

主動聲納通過接收來自目標的回聲信號實現(xiàn)目標探測。目標強度從聲強度的角度描述了目標聲散射本領的大小，本文以球形錨雷為例，其目標強度可由Ts=10lg(R2/4)求出，R為球形目標的半徑。

圖5所示為目標回波級計算模型圖，由于錨雷體積較小，探測時可以把錨雷當成一個點目標，這樣就可以把錨雷目標放在海底照射范圍的網(wǎng)格中。

與海底混響級計算類似，沉底雷目標回波級的計算模型可表示如下:

圖5 目標回波級計算模型

式中，SL為聲源級，Sa為吸收衰減，Ts為沉底雷目標強度，r為聲納的探測距離，P(α，γ)為面元相對基陣方向的指向性函數(shù)值。

2.4 海洋環(huán)境噪聲級

海洋環(huán)境噪聲級復雜多變，它與艦艇航速、海域位置、水聽器位置等因素都有關系，因此很難直接估計環(huán)境噪聲級的大小。

本文對環(huán)境噪聲級采用如下估算方式:從實際聲圖像出發(fā)，觀察實際聲圖像中接收信號的強弱變化，如果在某個距離上，接收信號強度不再隨距離變化有明顯變化，則環(huán)境噪聲級可用該距離上的海底混響級來代替。圖6左圖所示為在南海某海域獲得的聲圖像，水平方向代表探雷聲納的32路波束，縱坐標代表探雷聲納的探測距離。從左圖可以看出，探測距離600m以前，海底混響為背景干擾的主要成分，600m以后，海洋環(huán)境噪聲取代混響成為主要的背景干擾。因此該海域的環(huán)境噪聲級可以用600m處的海底混響級代替。假設聲納基陣水平角45°，俯仰角0°，海深45m，海水聲衰減系數(shù)25dB/km，海底反射強度 －35dB［6］，混響環(huán)帶細分角度為0.02°，聲速梯度值參考文獻［7］。根據(jù)式(5)，單波束海底混響級曲線如圖6右圖所示。對應左圖，相同海洋環(huán)境下600m處的海底混響級仿真值近似為42dB。

圖6 環(huán)境噪聲級計算示意圖

2.5 作用距離數(shù)值預報

根據(jù)主動聲納方程，已知了海底混響級、環(huán)境噪聲級和目標回波級，就可以對特定海洋環(huán)境下的探雷聲納作用距離進行數(shù)值預報。

本文對東海某海域的聲納作用距離預報結果如圖7所示。假設聲納基陣水平角45°，俯仰角0°，脈寬1ms。檢測閾10dB，海深45m，艦艇航速6kn，海水聲衰減系數(shù)30dB/km，環(huán)境噪聲級為42dB，海底反射強度－35dB，錨雷半徑為0.5m，混響環(huán)帶單元細分角度為0.02°，典型聲速梯度值參考文獻［7］，經(jīng)仿真計算，探雷聲納作用距離為650m左右。

圖7 聲納作用距離預報示意圖

3 波束指向對聲納探測性能的影響

以往的文獻在仿真實現(xiàn)混響級或目標回波級時，往往把聲納在海底的照射區(qū)域等效為一個規(guī)則的扇形，且認為扇形內所有散射面元的指向性全為1。為精確預報作用距離，本文通過獲得探雷聲納的三維指向性函數(shù)，仿真了－6dB波束寬度下聲納單波束在海底的實際照射范圍，并對比了等效波束和實際波束對聲納探測性能的影響。

3.1 波束指向對海底混響影響

圖8所示為等效波束與實際波束海底照射區(qū)域對比圖。從圖中可以看出，兩種波束在海底照射范圍差別較大，尤其在近距離端和遠距離端，這種差別更為明顯。等效波束對應的海底照射范圍是一個規(guī)則的扇形，而實際波束對應的照射范圍是一個中心軸線附近飽滿、兩端尖細的不對稱橢圓。

假設海深35m，其他仿真條件與圖6相同，根據(jù)圖8所示兩種波束照射范圍，仿真實現(xiàn)等效波束與實際波束對應的海底混響級變化曲線如圖9所示。從圖中可以看出，實際波束對應的海底混響強度隨探測距離有一個先上升后下降的過程，這是因為受到波束形狀的限制，波束的垂直角偏移量越小，對應的混響環(huán)帶越寬，波束對信號的響應越大。而由于忽略了波束實際形狀和各散射面元指向性的影響，等效波束對應的海底混響強度在聲納探測距離上近乎線性變化，在相同探測距離上其近似值比實際值至少高3dB以上，因此為精確計算海底混響強度，不能忽略波束指向帶來的影響。

圖8 等效波束與實際波束海底照射范圍對比圖

圖9 等效波束與實際波束海底混響對比圖

3.2 波束指向對目標回波的影響

圖10 所示為等效波束與實際波束不同距離錨雷目標回波級的對比圖。海洋環(huán)境參數(shù)與圖6仿真計算時相同，假設錨雷半徑為0.5m，錨雷目標始終位于波束中心軸線在海底的投影線上。從圖中可以看出，由于兩種波束照射范圍的區(qū)別，等效波束下的目標回波級對應的隨距離變化曲線與實際波束相差較大。因此仿真計算時同樣不能忽略波束指向的影響。

圖10 考慮波束指向與否時目標回波級對比圖

3.3 波束指向對聲納作用距離的影響

取圖7對應的仿真參數(shù)，考慮波束指向性與否時聲納作用距離對比圖如圖11所示，圖中虛線和點劃線分別代表等效波束和實際波束對應的作用距離，可以看出，考慮波束指向更能精確預報聲納作用距離。

圖11 波束指向對聲納作用距離的影響

4 結束語

本文根據(jù)探雷聲納的三維指向性函數(shù)，建立了三維單波束照射海底模型，實現(xiàn)了探雷聲納作用距離的有效預報，并分析了波束指向對探雷聲納探測性能的影響。研究結果表明，波束指向對于精確預報探雷聲納作用距離有重要意義。

［1］ 林福東，杜一平．艦艇編隊對潛搜索效能分析［J］．火力與指揮控制，2008，16(2):41-43．

［2］ 幸高翔，袁俊．陣列信號處理［M］．武漢:海軍工程大學出版社，2006:26-34．

［3］ 蔡平，梁國龍，葛鳳祥．界面混響信號的仿真研究［J］．哈爾濱工程大學學報，2000，21(4):31-35．

［4］ 汪忻，姜可宇．探雷聲納圖像仿真技術［J］．聲學技術，2010，35(12):31-32．

［5］ 肖軍，姜可宇．探雷聲納有效搜索帶仿真研究［J］．指揮控制與仿真，2011，33(5):72-75．

［6］ Jackson D R，Andrew M，John J．High-frequency Bottom Backscatter Measurements in Shallow Water［J］．J Acoustic Soc Am，1986，80(4):1188-1199．

［7］ 張旭，張永剛．中國近海聲速剖面的模態(tài)特性［J］．海洋通報，2010，29(1):29-37．