楊日杰，苗康樂，韓建輝，戰(zhàn)和

(海軍航空工程學(xué)院 電子信息工程系，山東 煙臺264001)

0 引言

火箭助推低頻寬帶噪聲干擾器(以下簡稱噪聲干擾器)是一種常用的水聲對抗器材［1］。當(dāng)艦艇受到敵方潛艇被動聲納探測、跟蹤或線導(dǎo)魚雷攻擊時，通過火箭助推器將噪聲干擾器布放到靠近敵方潛艇的海域，噪聲干擾器懸浮于預(yù)定深度并發(fā)射大功率低頻寬帶噪聲信號以降低敵方潛艇被動聲納的作用距離和探測、跟蹤性能。艦艇可在其掩護(hù)下采取規(guī)避措施，離開敵方潛艇的探測范圍［2-3］。

目前，對噪聲干擾器干擾效果的研究主要集中于距離和方向參量的影響［4］，深度參量的影響從未見諸公開報道。這是由于以往在相關(guān)研究中普遍采用球面波擴(kuò)展損失公式計算噪聲信號的傳播損失，而這種方法本身的局限性決定了不能對深度參量的影響進(jìn)行討論。實際上，在水下聲場傳播中聲源深度是影響傳播結(jié)果的重要參量之一，同樣，噪聲干擾器的工作深度對干擾效果也具有很大的影響。

本文利用噪聲信號傳播模型，在給定的戰(zhàn)場態(tài)勢和海洋環(huán)境下，對噪聲信號的水下傳播結(jié)果進(jìn)行計算，并基于計算結(jié)果分別分析了噪聲干擾器布放位置和深度對其干擾效果的影響，進(jìn)而確定了噪聲干擾器的最佳布放位置和深度。

1 噪聲信號傳播模型

Kuperman 等曾對寬帶聲信號傳播問題進(jìn)行過研究，并將寬帶聲信號傳播問題的解決方法歸結(jié)為2 種［5-6］:1)直接在時域內(nèi)尋求問題的解;2)利用單頻連續(xù)波(CW)信號傳播結(jié)果的傅里葉頻率合成在頻域內(nèi)求解此問題。同時指出，直接在時域內(nèi)求解問題需要重新開發(fā)一套全新的傳播模型和計算程序，且計算效率往往比頻域計算方法低2 ～3 個數(shù)量級，就水聲學(xué)中有實際意義的大多數(shù)問題而言選用傅里葉頻率合成方法更為有利。

首先考慮對噪聲信號的頻域分解，取滿足狄利克雷條件的帶限噪聲信號x(t)，其頻帶范圍為0 ～由連續(xù)信號的正交分解原理可知，x(t)可以用一個直流分量和一系列諧波分量之和來表示:

式中:φm為mΔf 頻率分量上的初始相位(Hz).

以采樣頻率fs對噪聲信號x(t)采樣，顯然采樣間隔為對x(t)取長度為N 的離散信號序列x(n)，則有

對x(n)做N 點快速傅里葉變換(FFT)可以得到長度為N 的頻譜序列X(k)，由離散傅里葉變換(DFT)的定義式有

由(4)式可知，對k=0 有

將(6)式帶入(5)式可得

由(7)式和(8)式可以推出

將(9)式和(10)式帶入(1)式就完成了對噪聲信號x(t)的頻域分解，x(t)的各頻率分量分別為

利用常用的聲學(xué)模型可以對噪聲信號各個頻率分量的傳播結(jié)果進(jìn)行計算，對各個頻率分量的傳播結(jié)果再進(jìn)行頻域合成，就可以得到帶限噪聲信號的傳播結(jié)果。

噪聲信號傳播模型如圖1 所示。射線模型RAY、波數(shù)積分模型FFP、簡正波模型NM、拋物方程模型PE 四個模型各有其優(yōu)缺點，是目前業(yè)界公認(rèn)有效的聲學(xué)傳播模型［7］。在本文計算中，目標(biāo)海域為我國周邊常見的淺海環(huán)境，需要處理的干擾器噪聲和艦船輻射噪聲都集中于低頻，故選擇了適宜淺海環(huán)境低頻信號傳播計算的簡正波模型［8］，并采用了聲學(xué)權(quán)威Porter 等開發(fā)的簡正波計算程序。

圖1 噪聲信號傳播模型Fig.1 Noise signal propagation model

2 戰(zhàn)場態(tài)勢設(shè)定及分析

如圖2 所示，艦艇在距離敵方潛艇15 km 時受到跟蹤或攻擊，并發(fā)射噪聲干擾器對敵進(jìn)行干擾。圖中:θ 為噪聲干擾器與艦艇相對潛艇的開角;R 為噪聲干擾器與潛艇間的距離。

圖2 戰(zhàn)場態(tài)勢示意圖Fig.2 Battleground situation

在圖2 態(tài)勢下，由于潛艇對艦艇探測或跟蹤時會將被動聲納主瓣對準(zhǔn)艦艇，所以，噪聲干擾器發(fā)射信號在潛艇被動聲納處被抑制以后的等效噪聲級為

式中:SL 為噪聲干擾器發(fā)射聲源級;TL 為傳播損失;D(θ)為被動聲納的歸一化指向性函數(shù)。RLeq越大被動聲納的接收信噪比越低，干擾效果越好，所以采用RLeq作為判定噪聲干擾器干擾效果的指標(biāo)，以下簡稱其為潛艇接收等效噪聲級。

3 噪聲干擾器最佳布放位置和深度

設(shè)該海域海深100 m，如圖3 所示其聲速梯度為理想負(fù)梯度。海水密度1.04 g/cm3，海面為理想的平整壓力釋放界面，海底為彈性半空間，海底聲速1 600 m/s，海底密度1.5 g/cm3，海底吸收系數(shù)為0.2 dB/λ，海水對低頻信號的吸收系數(shù)極小，將其忽略。

圖3 海水聲速梯度Fig.3 Sound speed gradient of seawater

設(shè)潛艇位于50 m 深度，其被動聲納接收指向性系數(shù)DI=15 dB. 設(shè)噪聲干擾器的最大射程6 km，發(fā)射聲源級160 dB，發(fā)射信號為500 ～2 000 Hz 的帶限白噪聲信號。

3.1 噪聲干擾器θ 的影響

(12)式的歸一化指向性函數(shù)D(θ)只有在θ =0°處的值為1，在其他角度處的值分布于0 ～1 之間，由此可知20lgD(θ)≤0 且只在θ =0°處等于0，所以RLeq總在θ =0°處取得最大值。說明，在其他因素一定的情況下，將噪聲干擾器布放于潛艇和艦艇連線上可以獲得最好的干擾效果。

3.2 噪聲干擾器R 的影響

為方便起見，在噪聲干擾器的深度恒30 m 情況下討論噪聲干擾器R 的影響。由噪聲干擾器最大射程及3.1 節(jié)的分析可知，艦艇可以嘗試將噪聲干擾器布放在艦艇與潛艇連線上距離潛艇9 km 以上的位置來獲取最好的干擾效果。在給定的噪聲干擾器R 下，由噪聲傳播模型對噪聲干擾器發(fā)射信號的計算結(jié)果，可得出潛艇對干擾信號的接收噪聲級為

再考慮到干擾器布放于艦艇與潛艇連線上，由(12)式可以得到此時潛艇接收等效噪聲級為

由(14)式計算得到的潛艇接收等效噪聲級隨R的變化如圖4 所示。

圖4 潛艇接收等效噪聲級隨距離變化圖Fig.4 Change of noise level received by submarine with distance

由圖4 可見，9 ～15 km 內(nèi)，隨著R 的增加，潛艇接收等效噪聲級呈波動減小的變化規(guī)律，這是由于聲波在海水中的反射、混響等現(xiàn)象會導(dǎo)致傳播損失隨距離波動增加，文獻(xiàn)［9］中的實驗結(jié)果也具有相似的規(guī)律。圖中艦艇接收噪聲級的最大值位于9.6 km 處，這說明并非將噪聲干擾器布放到距離潛艇越近的位置干擾效果就越好，而是應(yīng)該在距離潛艇較近的地方結(jié)合海洋環(huán)境條件合理選擇最佳布放位置。

3.3 噪聲干擾器深度的影響

3.2 節(jié)中，在深度恒為30 m 的情況下，計算出噪聲干擾器在R 為9.6 km 時可以得到最好的干擾效果。

因為噪聲干擾器懸浮于水中工作，所以令其深度在1 ～100 m 變化，分別利用噪聲傳播模型計算出噪聲干擾器發(fā)射信號的傳播結(jié)果，由(14)式可以得到潛艇接收等效噪聲級隨深度的變化如圖5 所示。

圖5 潛艇接收等效噪聲級隨深度變化Fig.5 Change of noise level received by the submarine with depth

由圖5 可知，將噪聲干擾器布放于1 m 深度時，潛艇接收等效噪聲級取得最小值約87.7 dB，將噪聲干擾器布置于50 m 深度時，潛艇接收等效噪聲級取得最大值約98.2 dB. 深度在1 ～100 m 之間變化時，潛艇接收等效噪聲級的最大值與最小值之差高達(dá)10.5 dB. 而反觀圖4，當(dāng)噪聲干擾器對潛距離在9 ～15 km 之間變化時，潛艇接收等效噪聲級的最大值與最小值之差僅約4.3 dB. 這說明噪聲干擾器深度對干擾效果的影響不但是不可忽略的，在遠(yuǎn)場條件下甚至能起到比對潛距離更大的影響。

3.4 最佳布放位置和深度

令噪聲干擾器在艦艇與潛艇連線上距離潛艇9 ～15 km 之間變化，并在每個距離點上計算1 ～100 m之間所有深度值上的潛艇接收等效噪聲級，可以得到潛艇接收等效噪聲級隨噪聲干擾器R 和深度變化的三維圖如圖6 所示。

圖6 潛艇接收等效噪聲級隨距離深度變化Fig.6 Change of noise level received by the submarine with distance and depth

由圖6 可看出，在深50 m 和85.0 m 附近潛艇接收等效噪聲級有2 個明顯的峰值區(qū)域，在二者之間，潛艇接收等效噪聲級變化較為平緩，所以將噪聲干擾器布放于45 ～95 m 的深度之間都可以取得比較好的干擾效果。當(dāng)深度小于45 m 時，隨著深度的降低，潛艇接收等效噪聲級急劇下降，所以將噪聲干擾器布放于深度小于45 m 的水層將大大降低干擾效果。圖6 最大值對應(yīng)的對潛距離和深度分別為9.2 km和50 m. 即在本文設(shè)定的戰(zhàn)場態(tài)勢和海洋環(huán)境下，噪聲干擾器的最佳布放位置為艦艇與潛艇連線上距離潛艇9.2 km 處，最佳布放深度為50 m.

4 結(jié)論

在給定的戰(zhàn)場態(tài)勢和海洋環(huán)境下，首先分析了噪聲干擾器θ 對干擾效果的影響，證明在其他因素一定的情況下，將噪聲干擾器布放于潛艇和艦艇連線上可以獲得最好的干擾效果，又通過數(shù)值計算分別研究了噪聲干擾器R 以及布放深度對干擾效果的影響，得到了與前人實驗結(jié)果相似的傳播損失隨距離變化規(guī)律，并證實了在遠(yuǎn)場條件下噪聲干擾器的布放深度對干擾效果的影響比其R 的影響更大，而在之前的研究中深度參量的影響一直是被忽略的。在此基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步計算得到了噪聲干擾器的最佳布放位置和深度。利用噪聲傳播模型計算潛艇的接收噪聲級有效提高了結(jié)果的精確度，突破了已有方法的局限性，該方法可推廣應(yīng)用于水聲對抗等領(lǐng)域很多問題的計算中。

References)

［1］王嚴(yán)輝，周明，趙向濤，等.寬帶噪聲干擾器對被動聲吶的干擾作用研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2008，30(3):127 -134.WANG Yan-hui，ZHOU Ming，ZHAO Xiang-tao，et al. Effect of broadband noise-jammer against passive sonar［J］. Ship Science and Technology，2008，30(3):127 -134. (in Chinese)

［2］楊日杰，高學(xué)強(qiáng)，韓建輝. 現(xiàn)代水聲對抗技術(shù)與應(yīng)用［M］. 北京:國防工業(yè)出版社，2008:106 -137.YANG Ri-jie，GAO Xue-qiang，HAN Jian-hui. Modern underwater acoustic countermeasure technology and application［M］. Beijing:National Defense Industry Press，2008:106 -137. (in Chinese)

［3］賈躍，趙學(xué)濤，林賢杰，等.基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的魚雷作戰(zhàn)效能模糊綜合評估模型及其仿真［J］.兵工學(xué)報，2009，30(9):1232-1235.JIA Yue，ZHAO Xue-tao，LIN Xian-jie，et al. Fuzzy multifactorial evaluation model of torpedo operational effectiveness based on BP neural network and its simulation［J］. Acta Armamentrarii，2009，30(9):1232 -1235.(in Chinese)

［4］楊云川，崔懷林，李志舜. 寬帶噪聲水下對抗仿真技術(shù)研究［J］.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，23(1):115 -120.YANG Yun-chuan，CUI Huai-lin，LI Zhi-shun. Research on the simulation methods of broadband jammer interference and underwater acoustic countermeasure［J］. Journal of Northwestern Polytechnical University，2005，23 (1):115 - 120. (in Chinese)

［5］Jensen F B，Kuperman W A，Michael B P，et al. Computational ocean acoustics ［M］. New York:Springer-Verlag Library Association，1992:451 -487.

［6］Porter M B. The time matched fast-field program (FFP)for modeling acoustic pulse propagation［J］. Journal of the Acoustical Society of America，1990，87(5):2013 -2018.

［7］LU Zai-hua， ZHANG Zhi-hong， GU Jian-nong. Numerical calculation of seafloor synthetic seismograms caused by low frequency point sound source［J］. Defence Technology，2013，9(2):98 -104.

［8］Santiago J A F，Wrobel L C. Modified Green’s functions for shallow water acoustic wave propagation［J］. Engineering Analysis with Boundary Elements，2004，28(11):1375 -1385.

［9］王光旭，彭朝暉，張仁和.空氣中聲源激發(fā)的淺海水下聲場傳播實驗研究［J］.聲學(xué)學(xué)報，2011，36(6):588 -595.WANG Guang-xu，PENG Zhao-hui，ZHANG Ren-he. An experimental research on air-to-water sound transmission in shallow water［J］. Acta Acustica，2011，36 (6):588 - 595. (in Chinese)