混响背景下主动探测声纳性能预报

于 源, 鄢社锋, 侯朝焕



混响背景下主动探测声纳性能预报

于 源, 鄢社锋, 侯朝焕

(中国科学院声学研究所 声学智能制导实验室, 北京, 100190)

根据主动声纳方程, 进行了混响背景下主动探测声纳的性能预报, 讨论了主动探测声纳工作频率对作用距离的影响, 比较了不同混响反向散射强度下主动探测声纳作用距离的变化情况。分析结果表明, 混响背景下主动探测声纳的作用距离随频率的降低而减小; 随着混响反向散射强度的减小, 主动声纳性能增强, 作用距离增大, 这对工程实际中更好地选取主动声纳参数, 进而提高主动探测声纳性能具有一定的参考意义。

主动声纳方程; 主动探测声纳; 混响; 性能预报

0 引言

声纳是利用声波作为信息载体对水中目标进行探测、定位、识别、跟踪和实现水下导航、测量和通信的各种设备, 被广泛应用于军用领域和民用领域, 如反潜、探鱼、测深和导航等, 是海军作战中不可或缺的重要手段。

如果按声纳的功能来分, 可以分为主动声纳(具有回声测距和测目标径向运动速度的功能)、被动声纳(具有测向或被动测距功能)、水声通信声纳、水声对抗、声诱饵和鱼雷报警声纳等[1]。其中主动声纳利用一个发射器来产生声脉冲, 脉冲经过水介质到达目标, 然后以回波的形式返回至水听器, 此时要将回波检测出来, 必须克服噪声和混响背景。混响是来自海面、海底及海洋体积散射的回波干扰。由于声脉冲的发射与回声接收之间的时间差可以被测出来, 且海洋中的声速已知, 所以就可以利用脉冲照射产生的回声对水下目标进行探测、定位以及识别。

声纳性能预报通常需要从相应的声纳方程中解出含有作用距离的参数, 而声纳作用距离是现代的海军战术研究中最受关注的指标。如果在特定的海区, 能够预先知道己方声纳的作用距离, 就会大大增加本艇声纳的战斗力。本文采用主动声纳方程进行混响背景下主动探测声纳性能预报和相关研究。

1 主动声纳方程

工作在背景干扰环境中的声纳, 接收到有用的声纳信号同时也接收到背景干扰信号。如果接收信号级与背景干扰级之差恰好等于设备的检测阈(指接收机刚好检测到目标所需的输入信噪比)[2], 即

由检测阈的定义可知, 此时设备刚好可以完成预定职能[3]。若式(1)的左端小于右端, 则设备不能正常工作。所以式(1)通常作为组成声纳方程的基本原则。

根据式(1)所示的原则, 可得主动声纳方程

2 混响背景下的主动声纳方程

改写成较详细的形式为

主要混响源通常在海面、海底处, 或者在具有海水体积的一个水平层中, 因此

将式(6)、式(7)代入式(5), 整理得

3 主动探测声纳性能预报及分析

根据式(9)和设定的声纳参数即可给出作用距离随主动探测声纳工作频率的变化曲线。

给定的主动声纳参数由表1所示。

表1 主动声纳参数

这里需要说明的是, 由于脉冲宽度=1 s时, CW脉冲的带宽为2 Hz, 这会导致极低的混响指数, 这时主动声纳的作用距离小到可以忽略, 故本文中只针对FM脉冲这种信号形式进行主动声纳性能预报。

利用式(8), 代入表1中的数值, 可以预报出该声纳在20~30 kHz频段内不同工作频率下的性能, 由此可得声纳作用距离, 具体结果由表2 给出。

表2 Sb=-33 dB时的声纳作用距离

表3 Sb=-35 dB时的声纳作用距离

该主动声纳在混响背景下的作用距离随频率的变化如图1所示。

图1 混响背景下主动声纳作用距离随频率的变化

由图可以看出, 在该指定频段内, 混响背景下主动探测声纳的作用距离随频率的降低而减小。这和噪声背景下主动探测声纳的作用距离随着频率的降低而增大的情况并不相同。这是由于频率降低时, 水平波束宽度会变大, 此时混响指数会减小, 即没有足够的抗混响性能。为使主动声纳获得较大的作用距离, 就会产生增加频率的需求。因此, 在工程实际中, 在基阵尺寸一定的情况下, 为了使主动声纳能够获得较大的作用距离, 工作频率的选择应当能在抗噪声背景性能和抗混响背景性能之间做出权衡, 这往往需要在设计过程中进行反复迭代, 以获得一个最优频率。

4 结束语

本文在主动声纳方程的基础上, 进行了混响背景下主动探测声纳的性能预报, 并为此分析了工作频率对声纳作用距离的影响, 对不同混响反向散射强度下主动探测声纳的作用距离进行了比较并给出了相关结论。这对工程实际中选取更优的主动声纳参数, 提高主动探测声纳的性能具有参考作用。

[1] 李启虎. 数字式声纳设计原理[M]. 合肥: 安徽教育出版社, 2002.

[2] 战凯, 陈建华. 低频主动声纳最优探测频率仿真研究[C]//2006年系统仿真技术及其应用研讨会, 2006, 8(4): 564-566.

[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.

[4] Waite A D（英）. 实用声纳工程[M]. 王德石, 译. 北京: 电子工业出版社, 2004: 156-157.

[5] He Xin-yi, Cai Zhi-ming, Lin Jian-yu, et al. The Simulation Research on Forecasting the Detection Range of Active Sonar[J]. Journal of System Simulation, 2003, 15(9): 1304-1306.

[6] 李宇. 浅海环境下主动声纳抗混响、抗多途研究与系统实现[D]. 北京: 中科院声学研究所, 2005.

Performance Prediction of Active Detection Sonar under Reverberation

YU Yuan, YAN She-feng, HOU Chao-huan

(Intelligent Sensing and Signal Processing Lab, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

According to active sonar equation, we predict the performance of active detection sonar under reverberation, discuss the influence of the frequency of active detection sonar on the detection range, and compare the detection ranges of the active sonar under different reverberation backscattering strength. The results show that the detection range of the active sonar decreases with decreasing frequency, and the performance of the active sonar enhances and the detection range extends with the weakening of reverberation backscattering strength. This study may be useful for selecting parameters of active detection sonar to enhance its performance in engineering.

active sonar equation; active detection sonar; reverberation; performance prediction

TJ630.34; U666.7

A

1673-1948(2011)03-0192-03

2011-04-07;

2011-05-24.

于 源(1985-), 女, 在读硕士, 主要研究方向为水声信号处理.

(责任编辑: 杨力军)