杜敬林， 馬忠成， 李　然， 崔劍鋒

(大連測控技術(shù)研究所， 遼寧 大連 116013)

水下目標(biāo)低頻輻射噪聲矢量聲場干涉測試分析

杜敬林， 馬忠成， 李然， 崔劍鋒

(大連測控技術(shù)研究所， 遼寧 大連 116013)

摘要:矢量傳感器具有與頻率無關(guān)的偶極子指向性， 可以同步、 共點(diǎn)和獨(dú)立測量聲場中的聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速， 在水下目標(biāo)輻射噪聲測量領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.本文采用虛源干涉模型和簡正波矢量聲場理論， 計(jì)算和仿真分析了水下目標(biāo)低頻輻射噪聲聲壓與質(zhì)點(diǎn)振速近程聲場的時(shí)間-頻率干涉圖案， 利用單矢量傳感器輻射噪聲測量系統(tǒng)在北黃海海域?qū)蝹€(gè)和兩個(gè)目標(biāo)的水下輻射噪聲進(jìn)行了測試和分析.結(jié)果表明： 水下目標(biāo)低頻輻射噪聲聲場質(zhì)點(diǎn)振速水平分量與聲壓的時(shí)間-頻率干涉條紋具有相似性， 而聲場質(zhì)點(diǎn)振速比聲壓的時(shí)間-頻率干涉條紋清晰， 且質(zhì)點(diǎn)振速能夠抑制目標(biāo)與目標(biāo)輻射噪聲之間的干涉； 利用質(zhì)點(diǎn)振速LOFAR圖， 可以判定水下目標(biāo)的數(shù)目， 區(qū)分水面和水下目標(biāo).

關(guān)鍵詞:水下目標(biāo)輻射噪聲； 矢量傳感器； 質(zhì)點(diǎn)振速； 虛源模型； 干涉圖案

輻射噪聲一直是衡量艦船戰(zhàn)斗力及生存能力的主要性能之一， 由于其軍事意義重大而一直受到研究者的關(guān)注.隨著減振降噪技術(shù)的發(fā)展， 水下目標(biāo)的輻射噪聲強(qiáng)度也隨之大幅度降低， 有些水下目標(biāo)的輻射噪聲甚至已經(jīng)達(dá)到與海洋環(huán)境噪聲相當(dāng)?shù)某潭龋?傳統(tǒng)的輻射噪聲測量為獲取可觀的空間增益多采用龐大的聲壓水聽器陣列[1].而矢量傳感器可以同步、 共點(diǎn)和獨(dú)立地測量聲場中的聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速的各正交分量， 且單個(gè)矢量傳感器具有與頻率無關(guān)的指向性， 能夠在低頻、 小尺度陣形下獲得一定的空間增益.因此， 矢量傳感器自上世紀(jì)80年代問世以來， 在水下噪聲測量、 噪聲源定位、 目標(biāo)探測與識別等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2,3].

本文以射線聲學(xué)的虛源干涉模型和簡正波聲學(xué)理論為基礎(chǔ)， 理論計(jì)算、 仿真分析了基于矢量傳感器的水下目標(biāo)輻射噪聲聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速近程聲場的干涉現(xiàn)象， 結(jié)合單矢量傳感器水下目標(biāo)低頻輻射噪聲測試， 分析了水下單個(gè)目標(biāo)和雙目標(biāo)輻射噪聲近程聲場聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速矢量特性， 為水下目標(biāo)被動(dòng)探測與識別提供了新方法.

1波導(dǎo)條件下水下目標(biāo)低頻輻射噪聲聲場干涉理論

淺海中的波導(dǎo)不變量理論指出： 在一定條件下， 淺海中寬帶信號在傳播過程中由于受海面和海底反射的影響會(huì)產(chǎn)生干涉[4，5].文獻(xiàn)[4]用勞埃德鏡(Loyd’s mirror)分析了淺海中水下目標(biāo)輻射噪聲傳播過程中的干涉現(xiàn)象.

1.1水下目標(biāo)輻射噪聲的干涉模型

接收傳感器與目標(biāo)通過的最近水平距離(正橫距離)為r0， 目標(biāo)(運(yùn)動(dòng)速度為v)與接收傳感器的水平距離

(1)

圖 1　水下目標(biāo)運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.1　The sketch map of under target movement

當(dāng)目標(biāo)在深海運(yùn)動(dòng)時(shí)， 即海深遠(yuǎn)大于距離， 僅考慮海面反射， 不考慮海底界面反射對聲傳播的影響.假定海洋介質(zhì)均勻， 海面反射系數(shù)為-1， 由射線聲學(xué)理論可得接收傳感器的聲壓p(r,f)和質(zhì)點(diǎn)振速vr(r,f),vz(r,f) 為

(2a)

(2b)

(2c)

(3a)

(3b)

(3c)

當(dāng)上式為零時(shí)， 則有

(4)

(5)

當(dāng)目標(biāo)在淺海運(yùn)動(dòng)時(shí)， 必須考慮海底界面對聲場的影響.按照上述推導(dǎo)可得由一次海底反射聲和海面海底反射聲組成的海底偶極子干涉條紋的雙曲線方程[7,8]

(6)

當(dāng)距離一定時(shí)， 由式(5)和式(6)可分別計(jì)算出海面反射和海底反射的抵消頻率

(7)

(8)

由式(5)，式(6)可以看出， 水下目標(biāo)輻射噪聲LOFAR(Low-Frequency Acquisition Ranging)圖中的干涉條紋包含了目標(biāo)深度、 運(yùn)動(dòng)速度等信息， 當(dāng)傳感器接收深度、 海水深度和聲速一定時(shí)， 利用時(shí)間-頻率平面內(nèi)的干涉條紋可以提取水下目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù).

文獻(xiàn)[9,10]根據(jù)波導(dǎo)不變量給出了可反映海洋環(huán)境信息的寬帶信號LOFAR圖干涉條紋的軌跡方程， 利用干涉條紋提取目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)或海洋環(huán)境信息.文獻(xiàn)[11]利用水下目標(biāo)輻射噪聲的虛源干涉模型聯(lián)合空間譜估計(jì)提出了一種基于矢量傳感器的水下非合作目標(biāo)距離、 方位、 深度等目標(biāo)參數(shù)估計(jì)方法.

1.2水下目標(biāo)輻射噪聲的簡正波矢量聲場理論

水下目標(biāo)輻射噪聲傳播過程中的時(shí)間-頻率(或距離-頻率)干涉現(xiàn)象也可由簡正波理論推導(dǎo).由簡正波和矢量聲場理論可知, 深度為zs的簡諧點(diǎn)源在接收距離r接收深度zr處激發(fā)的矢量聲場聲壓與質(zhì)點(diǎn)振速的聲能量可表示為

(9a)

(9b)

(9c)

式中：vn=κn+iβn為簡正波的復(fù)本征值，κn為第n號簡正波波數(shù)水平分量， 即本征值的實(shí)部；βn為簡正波的指數(shù)衰減因子， 即本征值的虛部；ψn(z)為簡正波的本征函數(shù). 式(9)中的第一項(xiàng)是實(shí)數(shù)， 是各階簡正波自身的能量， 隨距離和頻率緩慢變化； 第二項(xiàng)是不同階簡正波之間的相互干涉而產(chǎn)生振蕩， 是形成距離-頻率平面上明暗相間干涉條紋的原因.

2水下目標(biāo)輻射噪聲低頻干涉特征仿真分析

2.1水下目標(biāo)輻射噪聲低頻干涉特性仿真

假設(shè)海水聲速垂直分布為等聲速， 根據(jù)水下目標(biāo)輻射噪聲的虛源干涉模型， 圖 2 給出了海深60 m、 接收傳感器深度為水下30 m、 目標(biāo)水下10 m和30 m(航速4 m/s)、 正橫距離500 m時(shí)水下目標(biāo)輻射噪聲的時(shí)間-頻率干涉圖案； 圖 3 給出了海深1 000 m、 接收傳感器深度為水下100 m、 目標(biāo)水下10 m和100 m(航速4 m/s)、 正橫距離500 m時(shí)水下目標(biāo)輻射噪聲的時(shí)間-頻率干涉圖案.

圖 2　淺海條件下目標(biāo)水下10 m(左)和30 m(右)、 傳感器水下30 m正橫距離500 m時(shí)的干涉條紋Fig.2　Interference pattern when target in 10 m(left) and 30 m(right) depth and sensor in 30 m depth and uprightness distance 500 m in shallow sea

圖 3　大深度條件下目標(biāo)水下10 m(左)和100 m(右)、 傳感器水下100 m正橫距離500 m時(shí)的干涉條紋Fig.3　Interference pattern when target in 10 m(left) and 100 m(right) depth and sensor in 100 m depth and uprightness distance 500 m in deep sea

由圖 2， 圖 3 可以看出：

1) 直達(dá)聲和海面反射波組成的偶極子形成的干涉條紋具有較大的頻率間隔， 干涉條紋集中于相對較高的頻段； 海底反射波和海面海底反射波組成的偶極子形成的干涉條紋頻率間隔較小， 干涉條紋集中于相對較低的頻段.

2) 當(dāng)目標(biāo)和接收傳感器之間的距離一定時(shí)， 海面反射的抵消頻率和海底反射的抵消頻率都是等間隔的， 海面反射的抵消頻率間隔與目標(biāo)深度、 接收傳感器深度、 聲速有關(guān)， 海底反射的抵消頻率間隔與目標(biāo)深度、 接收傳感器深度、 聲速及其海水深度有關(guān).

3) 當(dāng)聲源和接收傳感器深度一定時(shí)， 聲源與接收傳感器的水平距離越遠(yuǎn)， 干涉條紋越稀疏， 干涉條紋的頻段也相對較高.

2.2水下目標(biāo)輻射噪聲矢量聲場仿真

根據(jù)式(9)， 對淺海和南海兩種海深條件下水下目標(biāo)輻射噪聲聲場聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速進(jìn)行數(shù)值仿真. 其中： 淺海為等聲速條件， 南海聲速垂直分布如圖4所示.

Ex1： 淺海等聲速條件下水下目標(biāo)輻射噪聲聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速聲場仿真.仿真條件： 目標(biāo)水下30 m、 傳感器水下30 m、 海深60 m、 正橫距離500 m、 頻率分辨率1 Hz.圖 5(a)， (b)， (c)給出了淺海等聲速條件下水下目標(biāo)輻射噪聲聲壓、 質(zhì)點(diǎn)振速水平分量和質(zhì)點(diǎn)振速垂直分量LOFAR圖.

Ex2： 南海條件下水下目標(biāo)輻射噪聲聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速聲場仿真.仿真條件： 海深1 000 m、 正橫距離500 m、 傳感器和目標(biāo)位于水下30 m和100 m， 頻率分辨率1 Hz. 圖6(a)， (b)， (c)和(d)， (e)， (f)分別給出了南海條件下傳感器和目標(biāo)位于水下30m和100m時(shí)目標(biāo)輻射噪聲聲壓、 質(zhì)點(diǎn)振速水平分量和垂直分量LOFAR圖.

圖 4　南海垂直聲速分布Fig.4　Vertical sound speed of South-China sea

圖 5， 圖 6 的仿真結(jié)果與基于射線聲學(xué)的干涉特性模型的仿真結(jié)果是一致的.由圖可以看出：

1) 水下目標(biāo)輻射噪聲質(zhì)點(diǎn)振速水平分量和垂直分量與聲壓在LOFAR圖上呈現(xiàn)為雙曲線簇的干涉條紋； 即使在大深度條件下， 水下目標(biāo)輻射噪聲依然存在明顯的干涉現(xiàn)象.這與文獻(xiàn)[12]中水下目標(biāo)輻射噪聲聲場聲壓與質(zhì)點(diǎn)振速互功率譜和相位譜的時(shí)間歷程圖是一致的.當(dāng)目標(biāo)靠近海面時(shí)， 在輻射噪聲聲場聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速水平分量的LOFAR圖上可清晰看見輻射噪聲源直達(dá)波與海面反射波產(chǎn)生的雙曲線干涉條紋， 在質(zhì)點(diǎn)振速垂直分量的LOFAR圖上可看見輻射噪聲源直達(dá)波與海底反射波產(chǎn)生的雙曲線干涉條紋； 隨著目標(biāo)航行深度的增加， 在輻射噪聲聲壓、 質(zhì)點(diǎn)振速水平分量和垂直分量的LOFAR圖上均能看見輻射噪聲源直達(dá)波與海底反射產(chǎn)生的雙曲線干涉條紋.因此， 通過質(zhì)點(diǎn)振速垂直分量LOFAR圖干涉條紋及其疏密程度、 抵消頻率間隔等可以區(qū)分水面和水下目標(biāo).

圖 5　淺海條件下目標(biāo)輻射噪聲聲壓與質(zhì)點(diǎn)振速聲場Fig.5　Acoustic pressure and particle velocity sound field of underwater targetradiated noise in shallow sea

2) 溫度深度方向上的不均勻性會(huì)使水下目標(biāo)輻射噪聲的干涉條紋發(fā)生改變.在等溫層條件下， 水下目標(biāo)輻射噪聲的干涉條紋比較規(guī)則， 在LOFAR圖上呈現(xiàn)為雙曲線簇.而當(dāng)溫度在深度方向上發(fā)生變化時(shí)， 目標(biāo)輻射噪聲的干涉條紋會(huì)發(fā)散.主要是因?yàn)闇囟鹊牟痪鶆蛐允馆椛湓肼曉粗两邮諅鞲衅鞯闹边_(dá)波和經(jīng)海面或海底至接收傳感器的反射波的傳輸路徑發(fā)生改變， 導(dǎo)致直達(dá)波與反射波的干涉發(fā)生變化.

圖 6　南海條件下水下目標(biāo)輻射噪聲聲壓與質(zhì)點(diǎn)振速聲場Fig.6　Acoustic pressure and particle velocity sound field of underwater target radiated noise in South-China sea

3淺海單矢量傳感器水下目標(biāo)輻射噪聲低頻干涉特性試驗(yàn)分析

圖 7， 圖 8 給出了大連海域低頻四分量矢量傳感器接收到的水下目標(biāo)輻射噪聲聲壓與質(zhì)點(diǎn)振速LOFAR圖.測試海域水深50 m， 矢量傳感器安裝于透聲載體平臺(水下系統(tǒng)呈中性浮力)布放于水下25 m， 矢量傳感器X軸方向與海流流向一致, 平均時(shí)間8 s、 分析帶寬1 Hz.

圖 7 是漁政船距矢量傳感器最近距離500 m左右時(shí)輻射噪聲聲壓p與質(zhì)點(diǎn)振速vx,vy,vz的LOFAR圖； 圖 8 是貨輪距矢量傳感器正橫距離3.704 km: 左右時(shí)輻射噪聲聲壓p與質(zhì)點(diǎn)振速vx,vy,vz的LOFAR圖.

淺海條件下不同類型水下目標(biāo)輻射噪聲聲壓與質(zhì)點(diǎn)振速LOFAR圖表明： ① 由于海面、 海底界面尤其是海底界面的聲反射， 水下目標(biāo)輻射噪聲聲壓p和質(zhì)點(diǎn)振速vx,vy,vz的LOFAR圖具有清晰的時(shí)間-頻率干涉條紋， 這與2.1和2.2中的理論仿真結(jié)果是一致的. ② 相對水下目標(biāo)輻射噪聲聲壓p的LOFAR圖， 質(zhì)點(diǎn)振速vx,vy,vz的LOFAR圖的干涉條紋更加清晰， 并且可以通過目標(biāo)輻射噪聲LOFAR圖準(zhǔn)確判定水下目標(biāo)的數(shù)量.主要是因?yàn)槭噶總鞲衅髻|(zhì)點(diǎn)振速vx,vy,vz具有空間偶極子指向性， 可以抑制海洋環(huán)境背景噪聲和干擾.此外， 由于多個(gè)目標(biāo)在空間位置上有差異， 矢量傳感器在接收單個(gè)目標(biāo)輻射噪聲的同時(shí)， 抑制了其它目標(biāo)的輻射噪聲， 降低了目標(biāo)與目標(biāo)輻射噪聲聲場之間的干涉.圖8中， 輻射噪聲聲場聲壓p和質(zhì)點(diǎn)振速vx，vy，vz的LOFAR圖出現(xiàn)了2簇干涉條紋， 干涉條紋之間不連續(xù)且具有一定的獨(dú)立性， 是由2個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)產(chǎn)生的時(shí)間-頻率干涉圖案.由于目標(biāo)與目標(biāo)輻射噪聲聲場之間的干涉， 輻射噪聲的時(shí)間通過特性上可能出現(xiàn)3個(gè)尖峰.因此， 相比聲場聲壓LOFAR圖， 質(zhì)點(diǎn)振速LOFAR圖更易區(qū)分出目標(biāo)的數(shù)量.

圖 7　漁政船輻射噪聲聲壓與質(zhì)點(diǎn)振速LOFAR圖Fig.7　Acoustic pressure and particle velocity LOFAR pattern of fishing-administer ship radiated noise

圖 8　貨輪輻射噪聲聲壓與振速LOFAR圖Fig.8　Acoustic pressure and particle velocity LOFAR pattern of cargo ship radiated noise

4結(jié)論

本文從虛源干涉模型和簡正波理論方面對水下目標(biāo)近程低頻輻射噪聲聲場聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速的時(shí)間-頻率干涉圖案進(jìn)行了理論計(jì)算和仿真分析， 利用單矢量傳感器輻射噪聲測試系統(tǒng)獲取了水下單個(gè)目標(biāo)和雙目標(biāo)輻射噪聲的LOFAR圖， 并對此進(jìn)行了分析. 結(jié)果表明： 不同條件下水下目標(biāo)低頻輻射噪聲聲場聲壓與質(zhì)點(diǎn)振速LOFAR圖的干涉條紋存在相似性和差異性， 利用聲場質(zhì)點(diǎn)振速LOFAR圖的干涉條紋可以準(zhǔn)確判定水下目標(biāo)的數(shù)量， 利用質(zhì)點(diǎn)振速垂直分量的時(shí)間-頻率干涉條紋可以判別水面和水下目標(biāo).

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Experimental and Analysis About Vector Acoustic Interference of Underwater Target Low-Frequency Radiated Noise

DU Jinglin, MA Zhongcheng, LI Ran, CUI Jianfeng

(Dalian Scientific Test and Control Technology Institute, Dalian 116013, China)

Abstract:The vector sensor has dipole directionality which was independent of frequency, which could measure sound pressure and particle velocity synchronously, concurrently and independently. It was widely used in underwater target radiated noise measuring domain. It was simulated and analyzed about time-frequency interference pattern of acoustic field pressure and particle velocity of underwater target low-frequency radiated noise based on fictitious interference model and normal-mode vector acoustic theory. The underwater radiation noise of single and two targets in the north the Yellow Sea is tested and analyzed by using the single vector sensor radiation noise measurement system. The result show that horizontal component of the particle velocity is similar to the time frequency interference fringe of the sound pressure in the low frequency radiation noise of the underwater target. and particle velocity is clearer than the time frequency interference fringe of the sound pressure the particle velocity of vector hydrophone can restrain interference of two target radiated noise, it can judge underwater target number and distinguish surface or underwater target making use of diagram of particle velocity.

Key words:under water target radiated noise; vector hydrophone; particle velocity ; fictitious model; interference pattern

文章編號:1671-7449(2016)03-0246-08

收稿日期:2015-11-12

基金項(xiàng)目：裝備預(yù)先研究基金資助項(xiàng)目(5130303030102)

作者簡介：杜敬林(1978-)， 男， 高級工程師， 碩士， 主要從事水下聲學(xué)測量和水聲信號處理研究.

中圖分類號:O427.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.03.012