多普勒计程仪声学暴露距离快速预报方法

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(1.海军潜艇学院,山东 青岛 266071;2.中国人民解放军94854部队,北京 100841)

为了实现深海海区的绝对速度测量,往往采用大功率发射低频信号,由此所带来的声学暴露,是设备的设计者以及使用者所关心的重要问题。研究多普勒计程仪[1]的声学暴露性,关键在于研究当前海区环境下多普勒计程仪声信号的传播特性,快速地确定信号的最大传播距离。射线模型是分析频率大于500 Hz声波传播情况的最简便有效的方法,相较于其他模型更加直观快捷,且精度较高。射线理论采用本征声线描述声场,通过搜索满足一定条件的本征声线,从而得到多普勒计程仪声信号的传播距离。根据多普勒计程仪的特点对文献[2]给出的本征声线快速搜索方法进行改进,缩小搜索范围,提高声线的搜索效率。

1 声线传播特性分析

多普勒计程仪声呐掠射角θ0一般大于60°,波束宽度θ-3dB小于30°。旁瓣的能量较低,传播衰减快,在此忽略不计。预报时主要考虑出射角介于45°和75°之间的声线。根据声线传播的斯涅尔定律可知,声线若要在水中自主反转,即反转处的声线θ角达到0°,需要满足如下条件[3]。

(1)

式中:c0——发射点处的声速;

c——声线反转处的声速。

声线自发射深度发出,经过一次海面和海底反射后,回到发射深度时所经过的传播过程为一个传播周期l。则声线由发射点传播至接收点的传播过程L可以表示为

L=n·l+l′

(2)

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受多普勒计程仪发射掠射角的约束,l′的传播形式只有两种,见图1。

a、b-发射点和接收点；a′-声线传播一周期后回到发射深度时所对应的点；①、②-声线图1 多普勒计程仪声线的传播路径

2 声学暴露距离快速预报

多普勒计程仪声学暴露距离是该设备发射的声信号能够被对方声呐探测到的最大水平距离。如果采用射线理论描述,就是由多普勒计程仪发射的众多声线中,能够被接收方声呐接收到的且传播距离最远的声线所对应的水平距离。因此,多普勒计程仪声学暴露距离的预报涉及到本征声线的搜索问题。

2.1 本征声线快速搜索算法

多普勒计程仪信号频率位于高频段,在水中传播时衰减快,传播距离很短。在此距离内,海水(海底)介质的声学特性在水平方向上的变化不明显,所以可将非水平分层介质近似为分层介质,并忽略海底地形的影响。

图2 声线的传播周

以图1中声线①为例,设一个传播周期所对应的水平距离为D；声线自发射深度开始,经一次海底反射后回到发射深度的传播过程所对应的水平距离为D1；声线未经任何反射,自发射(接收)深度到达接收(发射)深度的传播过程所对应的水平距离为D12；声线自接收深度开始,经一次海面反射后回到接收深度的传播过程所对应的水平距离为D2,见图2,其对应的特征声线水平传播距离S可表示为：

(3)

式中:Z——海区深度；

za——发射深度；

zb——接收深度;

ca——发射点处的声速;

θ0——声线在发射点处的出射角。

由此,搜索特征声线问题转化为对整数N的求解,可采用牛顿下山法进行迭代。

2.2 算法改进

方程组(3)没有考虑设备的发射功率以及对方声呐的探测能力,在计算时,由于特征声线传播的水平距离S和周期数N同为未知量,得到的结果将是满足方程组(3)的所有声线的集合,还需要对结果进行筛选,才能得到多普勒计程仪的暴露距离,增加了计算的耗时。为了缩短预报时间,本文对算法进行了改进,将本征声线的搜索与传播损失计算结合,限制搜索范围。

TL=SL-NL-(DT-DI)

(4)

被动声呐方程中的声源级SL与发射功率Pa和发射指向性指数DIT有关；海洋环境噪声级NL与发射频率、海面风速和水域航运密度有关；接收指向性指数DI和检测阈DT由接收方被动声呐的性能决定。从被动声呐方程可知：在海洋环境参数、计程仪和接收设备性能已知的情况下,传播损失TL被惟一确定。在多普勒计程仪发射的声线中,传播损失为TL且传播距离最远的声线所对应的水平距离即为暴露距离。

与特征声线的水平传播距离S一样,声线自发射点至接收点的传播损失TL也可以表示为声线在N个传播周期的传播损失与声线在一周期内由发射深度传至接收深度的传播过程所对应的传播损失之和。同样以图1中标号为①的声线为例,设D、D1、D2、D12所对应的传播损失为TLD、TLD1、TLD2、TLD12,则:

(5)

声波在介质中的传播损失主要包括扩展损失、衰减损失和界面引起的损失。由图2可知,TLD1、TLD2、TLD12表达式为

(6)

式中:BL——海底发射损失;

α——海水吸收系数;

Γs——海面反射损失。

另外,多普勒计程仪声呐指向性的存在,使得不同出射角度的声线对应不同声级。声线的出射方向和主瓣主轴的夹角越大,声级越小。计算时,主要考虑波束宽度内的声线。在波束宽度最边缘处的声级比主瓣主轴处的声级下降-3 dB,因此在预报时,预先根据该数值对不同出射角度的声线进行声级插值处理。

2.3 算法实现步骤

1) 计算声源级SL、海洋环境噪声级NL和传播损失TL。

2) 以Δθ为(0<Δθ<θ-3dB)单位对声线进行分组,并对每一分组所对应的声线进行SL声级插值。

3) 计算每一分组的D、D1、D2、D12及其对应的传播损失TLD、TLD1、TLD2、TLD12。

4) 以所有的分组声线为搜索范围,采用牛顿下山法迭代求解N,并最终得到多普勒计程仪声学暴露距离。

3 仿真计算

假设多普勒计程仪声呐换能器的发射掠射角为60°,波束宽度为30°,海区深度为125 m,发射深度100 m,接收深度50 m,3级海况,海面风速6 m/s,海水平均温度4℃,声速梯度见图3。

图3 声速梯度

假设多普勒计程仪工作频率为200 和40 kHz,发射功率分别为500 和1 000 W时,不同底质类型对应的多普勒计程仪声学暴露距离预报结果见表1、2。经测量,所有数据的计算时间均小于0.05 s。

表1 频率200 kHz,不同底质的声学暴露距离

表2 频率40 kHz,不同底质的声学暴露距离

4 结束语

多普勒计程仪声学暴露距离快速预报方法采用本征声线预报暴露距离,保证了预报精度；将本征声线的搜索与传播损失计算结合,缩小了搜索范围,减少了搜索耗时。该方法满足了多普勒计程仪使用决策在精确度和实时性方面的要求,有利于多普勒计程仪的正确使用,在提高水下导航精度的同时,最大可能的保障水下运载器的隐蔽性。

[1] 田坦.水下定位与导航技术[M].北京：国防工业出版社,2007.

[2] 孙枕戈,马远良,屠庆平.分层海洋介质中本征声线的快速计算[J].应用声学,1996,16(4)：7-12.

[3] 刘伯胜,雷家煜.水声学原理[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社,1993.