韓建輝， 單志超， 劉賢忠， 鄭曉慶， 李大衛(wèi)

(海軍航空大學 航空作戰(zhàn)勤務學院， 山東 煙臺 264001)

0 引 言

隨著消聲材料的廣泛應用， 水下目標的有效聲散射面積不斷降低. 優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)和外形， 有效減小水動力噪聲； 采用精密加工工藝和泵噴裝置等， 降低推進器輻射噪聲； 采用減震降噪技術(shù)， 減小機械噪聲. 水下目標輻射噪聲越來越低， 給聲吶探測帶來了巨大的挑戰(zhàn)， 而被動聲吶浮標受到的影響尤其顯著[1].

艦載聲吶發(fā)射大功率聲探測信號， 被動聲吶浮標同時接收回波信號， 完成協(xié)同多基地探測， 具有探測距離遠、 范圍廣、 隱蔽、 安全、 快速和高效等特點， 是應對聲吶探測挑戰(zhàn)的有效途徑之一[2-5]. 本文以多基地主被動聲吶方程為依據(jù)， 對航空被動聲吶浮標與艦載聲吶協(xié)同多基地水下探測范圍進行研究， 定量分析協(xié)同多基地工作模式相對于獨立工作時的覆蓋范圍和優(yōu)勢， 對于艦載聲吶和航空聲吶多基地協(xié)同搜索和使用具有重要意義.

1 航空被動聲吶浮標與艦載聲吶探測范圍模型

1.1 航空被動聲吶浮標與艦載聲吶多基地配置

多基地聲吶幾何配置關(guān)系如圖 1 所示.S表示艦載聲吶， 它既作為主動聲源向水下發(fā)射探測信號， 也可工作在單基地模式.Ri為航空被動聲吶浮標，i表示浮標序號， 可同時接收水下目標回波信號和輻射噪聲信號.T為水下目標.RT為發(fā)射機到目標的距離.RRi為目標至接收機的距離.

圖 1 多基地聲吶幾何配置

1.2 航空被動聲吶浮標與艦載聲吶雙基地探測范圍

艦載聲吶發(fā)射探測信號， 航空被動聲吶浮標接收水下目標的反射回波. 雙基地主動聲吶方程為[6-8]

TLS+TLR=SLV+TS-(NLF-DIF+DTF)，

(1)

式中：TLS為艦載聲吶到水下目標的傳播損失；TLR為水下目標到聲吶浮標的傳播損失；SLV為艦載聲吶發(fā)射聲源級；TS為目標強度；NLF為聲吶浮標接收的海洋環(huán)境噪聲級；DIF為聲吶浮標指向性指數(shù)；DTF為聲吶浮標檢測閾.

若艦載聲吶和被動聲吶浮標均獨立工作， 則相應的艦載單基地主動聲吶方程為

2TLV=SLV+TS-(NLV-DIV+DTV)，

(2)

式中：TLV為單基地艦載聲吶到目標的傳播損失；NLV為艦載聲吶接收的海洋環(huán)境背景噪聲級；DIV為艦載聲吶指向性指數(shù)；DTV為艦載聲吶檢測閾. 聲吶浮標單基地被動聲吶方程為

TLF=SLT-(NLF-DIF+DTF)，

(3)

式中：TLF為水下目標到聲吶浮標的傳播損失；SLT為水下目標輻射噪聲級. 將式(1)～式(3)聯(lián)立可得

TLS+TLR=TLF+SLV-SLT+TS.

(4)

若忽略海水吸收損失條件下聲傳播滿足球面波規(guī)律，RS為艦載聲吶單基地作用距離，RF為被動聲吶浮標單基地作用距離，TLS=20lgRT，TLR=20lgRR，TLF=20lgRF， 則有

(5)

艦載聲吶與航空聲吶浮標構(gòu)成的雙基地系統(tǒng)等效半徑Requil=(RTRR)1/2. 則有

(6)

考慮良好水文條件下柱面波傳播損失和海水吸收損失，TLS=10lgRT+αRT，TLR=10lgRR+αRR，TLF=10lgRF+αFRF， 代入式(4)可得

(7)

式中：α為艦載聲吶主頻海水吸收系數(shù)；αF為浮標頻帶中心點海水吸收系數(shù)， 單位dB/m.

當被動聲吶浮標和艦載聲吶位置重合時， 探測范圍是圓形， 隨著被動聲吶浮標和艦載聲吶距離的增加， 主被動聲吶探測范圍封閉曲線開始逐漸扭曲， 最終分離為兩個分立的不同閉合區(qū)域[7-8]， 雙基地等效半徑Requil為雙基地覆蓋范圍開始發(fā)生扭曲時基線長度的一半， 即

(8)

解方程可得

(9)

式中：x=lambertw(z)為方程xex=z的解[1].

1.3 水下目標輻射噪聲聲源級

水下目標輻射噪聲包括機械噪聲、 螺旋槳噪聲和水動力噪聲. 目標航速變化引起輻射噪聲聲源級變化. 在低速時輻射噪聲主要由機械噪聲和螺旋槳葉片速率線譜和弱連續(xù)譜構(gòu)成， 在高速時主要由螺旋槳連續(xù)譜噪聲構(gòu)成[9]. 在一定航速條件下， 目標聲源級與形狀、 尺度、 主機類型、 航行狀態(tài)、 推進器、 深度等眾多因素有關(guān). 按照輻射噪聲聲源級可以將目標分為6類， 如表 1 所示[9].

圖 2 給出了水下目標輻射噪聲譜， 總聲級

OSL=10logI0+10logf1-10log(q-1)，

(10)

式中：q為譜級衰減率；f1為噪聲譜坡形開始處的頻率； 10logI0為噪聲譜坡形開始處的譜級；f1隨著螺旋槳直徑增大而減小、 隨深度增加而增大、 隨航速增加而減小.

表 1 水下目標分類

圖 2 水下目標輻射噪聲譜

1.4 目標強度

目標強度反映了水下目標聲散射特性. 目標強度通常與水下目標的尺度、 方位、 測量距離、 深度、 材料、 結(jié)構(gòu)等因素有關(guān). 水下目標正橫位置目標強度最大， 艇艏艇尾目標強度最小. 現(xiàn)代潛艇一般鋪設(shè)消音瓦， 表面設(shè)計非常光滑， 取消欄桿和欄索， 減少開孔， 在各種結(jié)構(gòu)交接處采用弧形圓滑過渡， 其目標強度得到有效控制.

2 探測范圍仿真分析

設(shè)艦載聲吶工作頻率為4 kHz， 海水吸收系數(shù)α為2.194×10-4dB/m， 艦載聲吶接收指向性指數(shù)為20 dB， 檢測閾為10 dB， 海洋環(huán)境噪聲級NL為60 dB， 水下目標強度TS為15 dB， 機載聲吶浮標檢測閾DTD為10 dB， 接收指向性指數(shù)DID為10 dB， 積分頻帶為100 Hz～4 000 Hz， 中心頻率處吸收系數(shù)為1.225×10-4dB/m. 艦載聲吶聲源級SLV分別取230 dB， 220 dB， 210 dB和200 dB時. 水下目標輻射噪聲總聲級分別取165 dB， 145 dB， 125 dB， 其中譜級衰減率q為2，f1為200 Hz.

艦載聲吶作為主動聲源發(fā)射探測信號， 機載聲吶浮標與艦載聲吶同時接收水下目標回波信號， 構(gòu)成雙基地協(xié)同工作模式. 采用數(shù)值解法分別仿真不同水下目標總聲級在艦載聲吶高中低聲源級條件下協(xié)同工作搜索范圍. 雙基地擴展面積為雙基地覆蓋范圍減去其與艦載聲吶單基地工作覆蓋范圍交疊部分后剩下的面積[6]. 搜索優(yōu)勢系數(shù)定義為雙基地協(xié)同搜索擴展面積與被動聲吶浮標搜索面積比值. 當搜索優(yōu)勢系數(shù)大于1時， 協(xié)同工作模式的搜索范圍相對于單基地具有優(yōu)勢. 為方便比較， 仿真中的基線距離采用雙基地等效半徑進行歸一化.

當高噪聲目標輻射噪聲總聲級為165 dB， 艦載聲吶聲源級分別取230 dB， 220 dB， 210 dB和200 dB時， 圖 3 給出了艦載聲吶與被動聲吶浮標協(xié)同工作時搜索優(yōu)勢系數(shù)隨歸一化基線距離增大的變化. 搜索優(yōu)勢系數(shù)隨歸一化基線距離的增大先增加后減小， 搜索優(yōu)勢系數(shù)小于1， 相對于被動聲吶浮標單基地工作模式不具備搜索面積的優(yōu)勢.

圖 3 高噪聲目標搜索優(yōu)勢系數(shù)與歸一化基線距離關(guān)系

當?shù)驮肼暷繕溯椛湓肼暱偮暭墳?45 dB， 艦載聲吶聲源級分別取230 dB， 220 dB， 210 dB和200 dB時， 圖 4 給出了艦載聲吶與被動聲吶浮標協(xié)同工作時搜索優(yōu)勢系數(shù)隨歸一化基線距離增大的變化. 與圖 2 相似， 搜索優(yōu)勢系數(shù)隨歸一化基線距離的增大先增加后減小， 但是只有發(fā)射聲源級達到230 dB時搜索優(yōu)勢系數(shù)在歸一化基線距離2.2以內(nèi)大于1， 相對于單基地工作的被動聲吶浮標具備搜索面積優(yōu)勢， 而超過歸一化基線距離2.2后， 搜索優(yōu)勢系數(shù)小于1， 不具備搜索面積優(yōu)勢. 當發(fā)射聲源級取200 dB～220 dB時， 搜索優(yōu)勢系數(shù)均小于1， 雙基地搜索面積優(yōu)勢喪失. 對于低噪聲水下目標， 當發(fā)射聲源級足夠大時， 艦載聲吶和聲吶浮標雙基地協(xié)同工作模式相對于單基地工作模式仍具備搜索面積優(yōu)勢.

圖 4 低噪聲目標搜索優(yōu)勢系數(shù)與歸一化基線距離關(guān)系

當安靜型目標輻射噪聲總聲級為125 dB， 艦載聲吶聲源級分別取230 dB， 220 dB， 210 dB和200 dB時， 圖 5 給出了艦載聲吶與被動聲吶浮標協(xié)同工作時搜索優(yōu)勢系數(shù)隨歸一化基線距離增大的變化. 與圖 2 和圖 3 相似， 擴展面積隨歸一化基線距離的增大先增加后減小. 發(fā)射聲源級為200 dB～230 dB時搜索優(yōu)勢系數(shù)在歸一化基線距離3.6以內(nèi)遠大于1， 相對于被動聲吶浮標單基地工作模式具備非常明顯的搜索面積優(yōu)勢， 擴展面積大大增加， 當聲源級為230 dB時， 搜索面積優(yōu)勢可以保持至歸一化基線距離5附近. 對于安靜型水下目標， 艦載聲吶和聲吶浮標雙基地協(xié)同工作模式相對于單基地工作模式具有非常明顯的搜索面積優(yōu)勢， 發(fā)射聲源級越大， 優(yōu)勢越明顯.

圖 5 安靜型目標搜索優(yōu)勢系數(shù)與歸一化基線距離關(guān)系

對比圖 2～圖 4 可見， 艦載聲吶與被動聲吶浮標協(xié)同雙基地搜潛時， 水下目標輻射噪聲越低， 被動聲吶浮標探測效果越差， 協(xié)同雙基地的優(yōu)勢越明顯. 水下目標相同輻射噪聲級條件下， 艦載聲吶發(fā)射聲源級越大， 協(xié)同雙基地優(yōu)勢越明顯. 雙基地的工作模式可以擴展到多基地工作模式， 艦載聲吶發(fā)射大功率發(fā)射信號， 反潛飛機布設(shè)多枚被動聲吶浮標， 艦載聲吶和聲吶浮標構(gòu)成多基地工作模式， 相對于單基地工作模式搜索面積優(yōu)勢明顯.

3 結(jié)束語

本文從聲吶方程出發(fā)， 建立了艦載聲吶與航空聲吶浮標協(xié)同工作時的探測范圍模型， 仿真分析了該工作模式相對于單基地工作模式的優(yōu)勢. 結(jié)果表明： 對于低噪聲目標， 輻射噪聲總聲級越低， 發(fā)射聲源級越大， 協(xié)同雙基地的搜索范圍優(yōu)勢越明顯， 對于安靜型目標， 協(xié)同雙基地的搜索范圍在較大的基線距離范圍內(nèi)具有顯著優(yōu)勢， 對于高噪聲目標， 協(xié)同雙基地搜索范圍優(yōu)勢喪失. 艦載聲吶和多枚聲吶浮標構(gòu)成多基地工作模式， 是應對低噪聲和安靜型水下目標威脅的有效手段.