陳艷麗，宮在曉，郭良浩，章偉裕

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三元陣被動(dòng)測(cè)距在淺海低頻條件下的聲速修正

陳艷麗1,2，宮在曉1，郭良浩1，章偉裕1,2

(1. 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所聲場(chǎng)聲信息國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100080；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100080)

聲速是三點(diǎn)被動(dòng)測(cè)距方法中影響距離解算精度的重要參數(shù)，當(dāng)聲吶系統(tǒng)的工作頻率較高時(shí),一般直接使用海水聲速。但隨著遠(yuǎn)距離探測(cè)聲吶技術(shù)的發(fā)展，聲吶工作頻率越來越低。淺海波導(dǎo)中傳播的低頻聲信號(hào)的相速度和群速度明顯不同于海水聲速，選取哪個(gè)聲速項(xiàng)用于距離解算是一個(gè)值得研究的問題。通過理論分析與pekeris波導(dǎo)中的數(shù)值仿真，確定了三點(diǎn)被動(dòng)測(cè)距解算公式中的速度項(xiàng)應(yīng)為相速度。仿真結(jié)果表明選用簡(jiǎn)正波相速度用于距離解算能有效降低淺海低頻時(shí)三點(diǎn)被動(dòng)測(cè)距方法的誤差。

低頻聲場(chǎng)；淺海波導(dǎo)；三點(diǎn)被動(dòng)測(cè)距；聲速選取

0 引言

為提高被動(dòng)三元陣的測(cè)距[1-3]精度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)時(shí)延測(cè)量誤差和安裝精度誤差進(jìn)行了深入研究，但對(duì)于速度參數(shù)的選取問題卻鮮有問津。之前的應(yīng)用中由于聲吶工作頻段較高，距離解算的速度項(xiàng)一般取海水聲速。目前隨著聲吶技術(shù)的發(fā)展和遠(yuǎn)距離探測(cè)的需要，低頻化已成為聲吶發(fā)展的方向。頻率降低后，淺海波導(dǎo)聲傳播中簡(jiǎn)正波的相速度、群速度與海水聲速的差異將變大[4]，此時(shí)三點(diǎn)測(cè)距方法中聲速選取是否準(zhǔn)確對(duì)距離解算會(huì)有較大影響，故有必要對(duì)低頻淺海聲場(chǎng)中三點(diǎn)測(cè)距方法聲速的選取進(jìn)行研究。

本文通過理論分析和pekeris波導(dǎo)中的數(shù)值仿真得出三點(diǎn)被動(dòng)測(cè)距距離解算公式中速度項(xiàng)應(yīng)為相速度。

1 三點(diǎn)測(cè)距模型

圖1 三元陣被動(dòng)測(cè)距模型

公式(4)表明，基陣安裝精度、時(shí)延估計(jì)和聲速參數(shù)都對(duì)測(cè)距結(jié)果有影響。理論上，聲速項(xiàng)相對(duì)誤差與測(cè)距相對(duì)誤差有如下關(guān)系：

由式(5)可知，聲速的正確選取對(duì)精確測(cè)距有著重要影響。之前對(duì)三點(diǎn)測(cè)距性能改進(jìn)的研究，內(nèi)容多集中于基陣安裝和時(shí)延估計(jì)[1]方面，關(guān)于聲速選取的研究甚少。宮在曉等人對(duì)簡(jiǎn)正波聲場(chǎng)中測(cè)向方法應(yīng)選取的聲速進(jìn)行了修正[5]，本文則對(duì)低頻淺海聲場(chǎng)時(shí)三元陣被動(dòng)測(cè)距最佳聲速(參考聲速)的選取進(jìn)行研究。

2 理論分析

各階簡(jiǎn)正波的相速度和群速度分別為

分析式(10)可知，在相關(guān)函數(shù)最大值處有

三點(diǎn)測(cè)距公式使用時(shí)，一般采用廣義互相法得到相鄰陣元接收信號(hào)的時(shí)延差，由式(1)、(2)、(3)可得：

3 數(shù)值仿真

仿真環(huán)境為Pekeris波導(dǎo)，海深100 m，海水聲速1500 m/s、密度1.0 g/cm3，海底聲速1600 m/s、密度1.85 g/cm3。用KRAKEN聲場(chǎng)計(jì)算程序[6]產(chǎn)生仿真所用的數(shù)據(jù)，仿真分為兩部分，第一部分按理論分析的思路進(jìn)行聲速選取的驗(yàn)證；第二部分進(jìn)行三點(diǎn)測(cè)距仿真，探究聲速選取帶來的測(cè)距誤差。

3.1 聲速選取驗(yàn)證

窄帶聲信號(hào)的頻段分別為20~30 Hz、30~50 Hz和50~100 Hz時(shí)，其激發(fā)的簡(jiǎn)正波相速度及處理得到的參考聲速分別如圖2~7所示。

圖2 20~30 Hz頻段簡(jiǎn)正波相速度

圖3 20~30 Hz頻段參考聲速

圖4 30~50 Hz頻段簡(jiǎn)正波相速度

圖5 30~50 Hz頻段參考聲速

圖6 50~100 Hz頻段簡(jiǎn)正波相速度

圖7 50~100 Hz頻段參考聲速

將圖2和圖3、圖4和圖5、圖6和圖7進(jìn)行對(duì)比，可以看出參考聲速并非海水聲速1500 m/s，而是與聲源激發(fā)的簡(jiǎn)正波相速度范圍一致。

同時(shí)，不同頻率的參考聲速也有較大差異，如圖3、5、7所示，當(dāng)信號(hào)僅激發(fā)一階簡(jiǎn)正波時(shí)，參考聲速在不同距離上數(shù)值穩(wěn)定；但信號(hào)激發(fā)簡(jiǎn)正波多于一階時(shí)，參考聲速出現(xiàn)震蕩，且震蕩隨簡(jiǎn)正波階數(shù)增多而加劇。通過程序參數(shù)設(shè)定使30~50 Hz、50~100 Hz激發(fā)信號(hào)中只含單階簡(jiǎn)正波，重復(fù)上述仿真，得到的參考聲速無震蕩且在各自對(duì)應(yīng)階簡(jiǎn)正波的相速度范圍之內(nèi)，說明不同階簡(jiǎn)正波之間的干涉引起了參考聲速的震蕩。

3.2 三點(diǎn)測(cè)距仿真

圖8 20~30 Hz頻段0°方向測(cè)距誤差

圖9 30~50 Hz頻段0°方向測(cè)距誤差

圖10 50~100 Hz頻段0°方向測(cè)距誤差

4 結(jié)論

理論分析和Pekeris波導(dǎo)中的數(shù)值仿真表明：在低頻淺海聲場(chǎng)條件下，為減小測(cè)距誤差，三點(diǎn)測(cè)距方法應(yīng)采用的聲速并非是海水聲速，而應(yīng)是簡(jiǎn)正波相速度。本文所討論的結(jié)果對(duì)低頻三點(diǎn)測(cè)距方法具有一定的指導(dǎo)價(jià)值，但后續(xù)還需進(jìn)一步開展參考聲速自適應(yīng)選取研究和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證等工作。

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The correction of velocity parameter for passive ranging of three-element array at low frequency in shallow water

CHEN Yan-li1,2, GONG Zai-xiao1, GUO Liang- hao1, ZHANG Wei-yu1,2

(1. State Key Laboratory of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China)

The velocity parameter is an important parameter for the passive ranging of three-element array. When the sonar works at high frequency, the velocity parameter is usually set as the sound speed of water. With the sonar technology developing for the long range detection, sonar frequency is becoming much lower. Phase velocity and group velocity of low-frequency sound in shallow water are completely different from the sound speed of water. So, it is important for getting a higher ranging accuracy to determine which velocity should be chosen for passive ranging of three-element array. Theoretical analysis and simulation results in Pekeris waveguide show that the phase velocity should be used for passive ranging of three-element array at low frequency in shallow water, and it could improve the ranging accuracy effectively.

low-frequency sound field; shallow-water wave guide; passive ranging of three-element array; sound speed

TN011.6

A

1000-3630(2014)-06-0485-04

10.3969/j.issn1000-3630.2014.06.001

2014-01-13;

2014-04-17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11074269, 11174312)。

陳艷麗(1988－), 女, 河南洛陽人, 博士研究生, 研究方向?yàn)樗?信號(hào)處理。

陳艷麗, E-mail: chenyanli@mail.ioa.ac.cn