聲傳感器垂直線陣列測距技術研究

沈廣楠+李金平+畢佳宇+張鵬

摘 要：根據海洋聲速分布特點，分析了基于可靠聲路徑算法的可達到的最大被動水聲探測距離。通過聲傳感器垂直線陣列接收聲線和最遠探測距離，證明了深海環境可靠聲路徑算法可以實現聲傳感器垂直線陣列遠程水聲探測，通過對垂直線列陣陣元數的仿真，表明增加陣元數能夠提高聲傳感器垂直線列陣的探測能力。研究結果為在深海環境下遠距離探測提供了理論依據。

關鍵詞：可靠聲路徑；垂直線列陣；被動測距；深海探測

中圖分類號：TB566 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）02-0007-02

Abstract： According to the characteristics of ocean acoustic velocity distribution， the maximum range of passive acoustic detection based on reliable acoustic path algorithm is analyzed. It is proved that the reliable acoustic path algorithm of deep sea environment can realize the remote acoustic detection of acoustic sensor vertical line array by receiving the sound line and the farthest detection distance of the acoustic sensor vertical line array. The simulation results show that increasing the number of array elements can improve the detection ability of the vertical array of acoustic sensors. The results provide a theoretical basis for remote detection in deep-sea environment.

Keywords： reliable acoustic path； vertical array； passive ranging； deep-sea detection

引言

目前常用的三角法定位技術對海洋環境不均勻性聲線彎曲及波陣面畸變等影響較敏感，且作用距離受限，一般不適合深海遠距離被動定位[1-2]。利用可靠聲路徑理論進行被動測距技術相較于三角法定位具有能夠實現對深海目標進行準確定位的優勢，可以更早地發現目標，對于深海目標被動測距的工程應用具有很好的指導意義。本文在研究可靠聲路徑理論的基礎上，分析了聲速剖面對可靠聲路徑的影響及垂直線列陣布放深度與臨界深度的關系，通過仿真得到了利用可靠聲路徑算法能夠進行目標測距，為進一步開展被動目標定深研究、提高被動目標定深精度奠定了基礎。

1 聲速剖面模型

影響聲波在海水中傳播速度的主要因素有溫度、鹽度和壓力（深度）等，其中溫度的變化對聲速的影響最大[3]。通常按溫度參數可將深海分為表面等溫層、主躍變層、深海等溫層[4-5]。Munk給出了深海典型“三層結構”的理想化聲速剖面模型計算式，在沒有實際海洋環境參數的情況下，能夠獲得某一海域的聲速，Munk聲速剖面模型計算式如（1）式[6]。其中，ε=0.00565，η=2（z-z0）/z0，z0表示聲速最小處的深度。

（1）

2 可靠聲路徑

深海中聲速值與海表附近最大聲速值相等處的深度稱之為臨界深度。當垂直線列陣布放深度大于臨界深度時，聲傳播路徑不受近海面效應或海底相互作用的影響，將產生可靠聲路徑。若垂直線列陣聲傳器布放在臨界深度以上，聲源到達聲傳感器之間無直達聲線，此時聲線會在海面產生多次反射折射，聲能量逐漸減弱，若放置于臨界深度以下，聲線傳播時間短、最先到達接收點，聲能量傳播損失最少。因此，利用可靠聲路徑方法進行計算，需將垂直線列陣聲傳器布放在臨界深度以下的近海底處。

3 可靠聲路徑算法垂直線列陣探測距離分析

在不考慮接收門限的情況下，接收陣最上面的水聽器能最先接收到水面目標的聲輻射。此時計為時間t0，之后隨著目標的接近，接收陣其他陣元也相繼接收到水面目標的聲輻射，時間計為t1、t2、t3、t4和t5，由相鄰聲傳感器能接收到聲輻射的時間差△t以及該區域的聲速剖面即可計算出水面目標的水平距離[7]。根據可靠聲路徑算法，將垂直陣聲傳感器布放于臨界深度與海底之間，如圖1所示。

在圖1中，3號水聽器能最先接收到水面目標不經過海面海底反射（散射）的聲信號，計為t0，且海域的聲速剖面已知，即各深度下的c（z）與n（z）（折射系數）已知，則有

其中c3為接收陣3號水聽器處的聲速，z3為3號水聽器處的深度，？琢3為臨界可靠聲路徑對應的出射角度。

隨著水面目標的接近，2號、1號水聽器接收相繼接收到不經海面海底反射（散射）的聲信號，根據式（2）能夠獲得t1和t2，通過時間差△t0，1=t1-t0以及△t1，2=t2-t1可解得水面目標的深度z，進而可求得水面目標的水平距離為

其中z'為聲線反轉處的深度，此處聲線掠射角為？琢'=0，因此上式可化為

仿真一：依據Munk聲速分布，海底為平坦海底，在z0=200m時，臨界可靠聲路徑對應的出射角度為[-45°，45°]，考慮一次反射，此時的臨界深度z臨界=738m，應用可靠聲路徑理論垂直線陣列布放深度的范圍為z∈[738，1000m]，聲傳感器垂直線陣列陣元數N=6，圖2（a）為陣元置于水下750m處根據可靠聲路徑理論，仿真得到的海水中傳播聲線的示意圖，圖2（b）為陣元置于水下1000m處的傳播聲線示意圖。

仿真二：結合仿真一的結果，垂直線陣列聲傳感器接收最遠聲源，即垂直線陣列探測距離，仿真如圖3所示。

從圖中可以看出，在z0=200m時，垂直線列陣利用可靠聲路徑方法最遠探測距離可達到3.75km。在給定探測距離的情況下，根據可靠聲路徑理論能夠得到垂直線列陣布放情況。

4 結束語

本文從實際需求出發，介紹了海洋聲速分布特點，分析了基于可靠聲路徑算法的聲傳感器垂直線陣列最大被動水聲探測距離。通過仿真結果表明，深海環境可靠聲路徑算法可以實現聲傳感器垂直線陣列遠程水聲探測，適當增加垂直線列陣的陣元數能夠提高聲傳感器的探測能力。這為基于深海探測環境的目標探測與識別、反潛作戰、海洋開發等提供了重要的理論依據。

參考文獻：

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