主動聲納探測性能預報分析及軟件設計?

朱 偉 馮金鹿 李宵宇

（杭州應用聲學研究所 杭州 310012）

1 引言

在現代的海軍戰術研究中，聲納的戰法研究越來越受到海軍的重視。如果在特定的海區，能夠預先知道已方聲納的作用距離、區域內的探測能力，就會大大的增加聲納的戰斗力。根據主動聲納方程，影響聲納作用距離的參數有聲源級、傳播損失、目標強度、噪聲級、接收指向性指數、等效平面波混響級、檢測閾。在實際使用過程中，聲納作用距離存在較大的不確定性，傳播損失的準確性，目標強度的起伏，噪聲級、混響級的起伏，不同方位的干擾等都會引起聲納作用距離預報的準確性。主動聲納方程有兩種形式：一種是用于確定克服噪聲背景的性能，另一種用于確定克服混響背景的性能。盡管還有一些方程形式將兩種背景結合在一起去估計性能，但是將噪聲與混響性能分開來計算是有益的，這樣做可以更好地理解在設備參數變化時以及在不同環境下工作時會有什么樣的效果［1］。因此本文深入分析了噪聲限制下的主動聲納方程和混響限制下的主動聲納方程，并且分析了具體參數對聲納作用距離的影響，結合試驗數據，提出了混響級和噪聲級的估算方法，最后提出了主動聲納性能預報系統方案，并編寫了性能預報軟件。

2 主動聲納方程

噪聲限制下的主動聲納方程：

引入信號余量SE：

其中(N-DI+10 lg B)是全部帶寬上的，波束內的噪聲，而(5lg d-10 lg BT-5lg n)是檢測門限。

混響限制下的主動聲納方程是

其中(SL-2TLR+TSR)是全部帶寬上的波束內的混響，(5 lg d-10lg BT-5lg n)是檢測門限。

在進行聲納性能預報時，需要判斷出聲納所處的干擾背景是噪聲還是混響。主動聲納在噪聲限制和混響限制下的檢測能力有很大差異，主要的影響因素也不盡相同。回波信號和混響的強度都是隨距離而衰減的，而噪聲則保持不變。圖1給出了回聲級（SL-2TL+TS）、噪聲掩蔽級（NL-DI+DT）與混響掩蔽級（RL+DT）隨作用距離的變化曲線［2］。

從圖1中可以看出，回聲級隨作用距離下降的速度要比混響掩蔽級隨作用距離下降的更快。回聲級變化曲線與混響掩蔽級變化曲線、噪聲掩蔽級變化曲線的交點，分別代表著混響限制下的主動聲納作用距離Rr和噪聲限制下的主動聲納作用距離Rn（或 R′n），可由對應限制條件下的主動聲納方程求得。當混響級高于噪聲級，Rr小于Rn，此時，回聲淹沒在混響背景中，聲納作用距離受混響限制。當由于某種原因造成噪聲級增大至圖中虛線位置時，R′n小于Rn，此時，回聲淹沒在噪聲背景中，聲納作用距離受噪聲限制。

3 仿真分析

噪聲限制下的主動聲納方程：聲納作用距離受聲源級SL，目標強度TS，噪聲級NL，傳播損失TL的影響。艦殼主動聲納安裝于艦艏導流罩內，主要受到海洋環境噪聲和平臺自噪聲的背景干擾，后者包括機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲三種成分［3］。由于噪聲源的種類眾多，作用機理十分復雜，因此很難用精確的數學模型來描述聲納環境噪聲，通常可以采用典型曲線或經驗公式對其作出估計和預報。海洋環境噪聲（NL1）連續譜-6dB/每倍頻程變化，平臺自噪聲（NL2）隨航速變化，NL2=NL0+60lg（V/V0）且連續譜-6dB/每倍頻程變化。綜合考慮噪聲級NL為：NL=10lg(10NL1/10+10NL2/10)。

環境噪聲級取60dB，NL0=70dB，V0=18kn，則本艦航速為10kn，14kn，18kn時的噪聲級NL分別為：61.1dB，65.0dB，70.4dB。在特定的傳播條件下，如圖2所示其作用距離分別為11km，15km，19km，所以聲納的作用距離受噪聲級影響明顯，與環境噪聲和本艦航速密切相關。

目標強度與目標形狀、性質和尺寸等因素有關，與主動聲納信號的頻率也有密切關系。為盡量防止被反潛聲納探測到，現代潛艇普遍敷設消聲瓦以提高自身的隱蔽性。潛艇敷設的消聲瓦主要作用是“吸聲”，它能在聲隱身、減振和降噪等三方面提高潛艇的隱身性能，消聲瓦對不同頻率的吸收效果也會有較大的差別。目標強度難以計算和鮮有實際潛艇值的公開資料，在相關文獻中有許多關于TS的測量結果，大多符合標準的“蝴蝶圖”，在聲納設計時一般取潛艇目標強度范圍為5dB～25dB。正橫方向最大達25dB，艏艉方向最小，約10dB，在45°和135°舷角方向，約為15dB，對于主動聲納而言，目標姿態角的變化，會導致目標強度發生較大的變化。

如圖 3所示，分別為 TS=5dB，TS=10dB，TS=15dB時相應的回聲級與噪聲級的圖，相應的聲納作用距離為：15km，17km，21km，由此可見，目標姿態角的變化引起目標強度變化，從而導致聲納作用距離發生明顯變化。所以在預報聲納作用距離是有必要引入參數：目標姿態角。

目標深度對探測距離的影響，圖3中為中等水文條件下，目標深度為30m、60m、90m對應的聲納作用距離分別為：14km、15km、17km，在該水文條件下，聲納作用距離隨目標深度變化相對較小。

混響限制下的主動聲納方程：

當回波信號與混響具有相同的傳播途徑時，2TL=2TLR。混響目標強度TSR=Sb+10lg A，主要混響源通常處在海面、海底處，或者在具有海水體積的一個水平層中，因此：

其中θh為水平波束寬度，Sb為海底散射強度。由SE=0可得混響限制條件下的主動聲納作用距離［4］：

其中10lg(B/θh)就是混響指數（RI），是衡量及比較抗混響背景性能的有用指標。R為混響背景下的作用距離。

對以海底混響為主的情況下，聲納作用距離與聲源級關系不大，特別是淺海環境下。θh為水平波束寬度，Sb為海底散射強度、信號帶寬為影響作用距離的關鍵因素。通常情況下，聲納設計完成后θh和信號帶寬為固定值。

給定主動聲納參數：脈寬1s，帶寬B=1000Hz，目標強度TS=10dB，θh=16°，5lg d=12，5lg n=3，當Sb=-33dB～-37dB時對應的混響限制下的作用距離如表1所示。

表1 不同Sb下聲納作用距離

從表1中可以發現Sb值對混響限制下的聲納作用距離有很大的影響，所以Sb值是在主動聲納探測性能的確定與設計中具有重要影響的參數。要提高主動聲納探測性能預報的準確性，需要對可能遇到的Sb值作出正確估計。另外在混響限制區，目標強度也是影響聲納探測性能的重要參數。

4 性能預報軟件設計及實現

主動聲納性能預報軟件主要涉及聲納工作參數，海洋環境參數，目標信息的設置，利用回波估算混響級和噪聲級，預報當前工作環境下的聲納最大作用距離和全向探測性能，進行聲納使用支持。

主動聲納性能預報實現過程：

1）確定聲納本身的工作參數，主要包括工作頻率、帶寬、脈寬、聲源級。

2）建立海洋環境參數。海洋環境有聲速梯度，海底底質，海底吸收，海底密度等，聲速梯度可以利用實際的測量數據，也可以采用典型聲梯數據。海底底質、海底吸收、海底密度等參數選用經驗值或者數據庫中的值。

3）目標信息設置。目標信息指目標反射強度，目標深度。目標的反射強度隨目標類型、信號頻率、目標姿態角變化。

4）根據信號頻率和精度要求選擇KRAKEN模型計算傳播損失。

5）混響級、噪聲級計算。利用聲納回波數據估算混響級和噪聲級，比較確定使用混響背景下聲納方程，噪聲背景下聲納方程。在實際使用中，按照設置的聲納工作參數發射后接收的回波中，包含混響和噪聲，通過回波數據估算混響級和噪聲級，通常情況下，在某個距離上，回波能量不再隨距離變化，該距離以內估算得到的為混響級，使用混響限制下的聲納方程預報作用距離；該距離之外的為噪聲級，使用噪聲限制下的聲納方程預報作用距離。

6）計算SE，將不同波束、不同距離點的SE都作為預報軟件的輸出。SE=0處對應聲納最大作用距離。SE越大，畫面越亮，表示該區域探測到目標的概率越大。

圖5 為本文設計的主動聲納性能預報畫面，分三個區域，上半部分為360°全向的聲納探測性能顯示，右下角為參數設置區域，分別設置聲納工作參數、環境參數、目標參數，左側顯示聲速梯度和傳播損失。

5 結語

本文以主動聲納方程為基礎，重點分析了海底散射強度、平臺噪聲、目標信息（目標姿態角，目標深度）等關鍵參數對聲納作用距離的影響，針對混響級和噪聲級，提出了估算噪聲級、混響級的方法，用于聲納性能預報，可提高預報的準確性，并以此構建了艦殼主動聲納性能預報系統。

該軟件可用于預報與分析，不同聲納工作參數、環境參數、目標參數下的聲納探測性能、作用距離。影響聲納作用距離的參數有很多，要提高預報的準確性，需要盡可能地獲得準確的參數值，比如海底散射系數、海底底質、聲速梯度等，需進一步研究。