主动声呐探测性能预报分析及软件设计_罗彦龙.pdf

2023年第47卷第4期17Acoustics FoundatioN声 学 基 础声 学 基 础文献引用格式：罗彦龙.主动声呐探测性能预报分析及软件设计 J.电声技术，2023，47（4）：17-19，26.LUO Y L.Prediction analysis and software design of active sonar detection performanceJ.Audio Engineering，2023，47（4）：17-19，26.中图分类号：U666.7 文献标识码：A DOI：10.16311/j.audioe.2023.04.005主动声呐探测性能预报分析及软件设计罗彦龙（上海通信雷达声纳修理厂，上海 200434）摘要：在实际应用中，声呐的作用距离是一个重要参数。比较噪声限制声呐方程和混响限制声呐方程，利用仿真分析目标信息等参数对声呐的作用距离的影响，同时提出实际使用过程中混响级、噪声级的确定方法，并在此基础上开发了一款可以预测声呐性能的软件。关键词：噪声限制；混响限制；性能预报Prediction Analysis and Software Design of Active Sonar Detection PerformanceLUOYanlong(ShanghaiCommunicationRadarSonarRepairFactory,Shanghai200434,China)Abstract:Inpracticalapplications,therangeofsonarisanimportantparameter.Comparingthenoise-limitedsonarequationwiththereverberation-limitedsonarequation,theinfluenceoftargetinformationandotherparametersonsonarsoperatingrangeisanalyzedbysimulation,onthisbasis,asoftwarethatcanpredictsonarperformanceisdeveloped.Keywords:noiselimitation;reverberationlimitation;performanceprediction0 引 言在现代的海军战术研究中，声呐的战法研究越来越受到重视1-3。特别是在特定海域中，提前获取有关自身声呐的作用距离和区域内探测能力的信息，有助于提升声呐的战斗力水平。由主动声呐方程可知，影响声呐作用距离的参数有多种，如声呐发射源的功率和频率特性、接收阵列的灵敏度和方向性、海洋介质的声速剖面、目标的散射特性以及噪声水平等4-6。在实际环境中，声呐的作用距离存在显著的不确定性。这种不确定性源于多种因素的综合影响，如海洋环境的复杂性、目标的特征变化、噪声的干扰以及声呐系统的性能限制等。主动声呐方程有两种形式：一种是用于确定克服噪声背景的性能；另一种用于确定克服混响背景的性能。虽然有一些方程形式将噪声和混响性能结合起来用于性能估计，但将它们分开计算是有益的。这种分离计算的方法有助于更好地理解设备参数的变化和在不同环境下的工作效果。因此，本研究聚焦于噪声限制和混响限制下的主动声呐方程，深入研究声呐作用距离受不同参数影响的情况。此外，结合实验数据，本文提出了一种创新方法来估算混响级和噪声级。最后，为了准确预测主动声呐的性能，提出了一套完整的系统方案，并开发了相应的性能预测软件。1 主动声呐方程噪声限制下的主动声呐方程为(SL-2TL+TS)-(NL-DI)=DT（1）式中：SL 为发射信号的源级别；TL 为传播损失；TS 为目标强度；NL 为环境噪声级别；DI 为被动探测到的信号级别；DT 为被动目标探测阈值。声呐性能评估指标 SE 的表达式为SE=SL+TS-2TL-(N-DI+10lgB)-(5lg d-10lgBT-5lg n)（2）式中：N 为环境噪声级别，B 为带宽，表示声呐系作者简介：罗彦龙（1981），男，硕士，工程师，研究方向为水声设备。2023年第47卷第4期18声 学 基 础声 学 基 础coustics FoundationA统的工作频带宽度，d 为声呐系统与目标之间的距离，BT 为脉冲宽度，n 为传感器噪声级别，5lg d-10lgBT-5lg n 为检测门限。在声呐系统中，检测门限是指系统能够可靠检测到的最低信号强度。受到混响的主动声呐方程为(SL-2TL+TS)-RL=DT（3）SE=SL+TS-2TL-(SL-2TLR+TSR)-(5lg d-10lgBT-5lg n)（4）式中：TLR为反射路径传输损失，TSR为反射散射能量，SL-2TLR+TSR为混响，RL为接收级别，5lg d-10lgBT-5lg n 为一个与目标信号、背景杂声和噪声相关的组合项。在进行声呐性能预测时，区分干扰背景是噪声还是混响非常重要。主动声呐系统在噪声限制和混响限制下的检测能力有很大差异，并受到不同因素的影响。回波信号和混响的强度都是随距离而衰减的，而噪声则保持不变。图 1 给出了噪声掩蔽级 NL-DI+DT、回声级 SL-2TL+TS 和混响掩蔽级 RL+DT 随作用距离的变化曲线。图 1 回声级、混响掩蔽级和噪声掩蔽级与作用距离的关系从图 1 可以看出，回声级随作用距离下降的速度比混响掩蔽级快。回声级变化曲线、混响掩蔽级变化曲线和噪声掩蔽级变化曲线的交点，分别表示混响限制下的主动声呐作用距离 Rr和噪声限制下的主动声呐作用距离 Rn（或 Rn），可以通过对应限制条件下的主动声呐方程求解得到。当混响级高于噪声级时，Rr Rn，意味着回声被混响背景所掩盖，声呐作用距离受到混响限制。当由于某种原因噪声级增大到虚线位置时，Rn Rn，意味着回声被噪声背景所淹没，声呐作用距离受到噪声限制。2 仿真分析在环境噪声级为 60 dB 的情况下，噪声强度为18 knots（knots 表示节，是一种速度单位，1 节等于1 852 mh-1）。NL0=70 dB 表示目标信号相对于环境噪声的增益，即目标信号强度相对于噪声的差异。考虑不同航速下的噪声级变化，当航速为 10 knots 时，经计算得到的噪声级为 61.1 dB；当航速为 14 knots 时，噪声级为 65.0 dB；而在航速为 18 knots 时，噪声级为 70.4 dB。这表明随着航速的增加，噪声级也相应增加。在特定的环境条件下，根据图 2 的数据，可以得知不同航速下的声呐作用距离。当航速为 10 knots 时，声呐作用距离为 11 km；当航速为 14 knots时，作用距离为15 km；当航速为18 knots时，作用距离为 19 km。可以看出，噪声对声呐的作用距离具有较大影响，随着噪声级的增加，声呐作用距离相应减小。图 2 不同航速下的声呐作用距离为了增强潜艇的隐蔽性能，现代潜艇广泛使用消声瓦进行覆盖。这是因为目标的强度受到多个因素的影响，包括目标形状和目标尺寸等，而这些因素与主动声呐信号的频率密切相关。消声瓦的敷设有助于减少潜艇在水下的声呐信号反射和散射，从而减弱声呐系统侦测到潜艇的可能性。它能够吸收、散射和消除声波能量，降低声呐反射，提高潜艇的隐蔽性能。此外，目标姿态角的变化对目标强度影响显著，因此在声呐设计过程中，必须充分考虑目标姿态角的变化并进行准确评估，以确保声呐系统的性能和可靠性。通过仿真实验得到的结果显示，当 TS=5 dB、TS=10 dB、TS=15 dB 时，相应的声呐作用距离分别为 16 km、18 km 和 22 km。改变目标姿态角会对声呐的作用距离产生重大影响，因为它会改变目标强度。因此，将目标姿态角视为一个关键参数，可以有效帮助我们估算声呐的传播距离。在进行中等水文条件下的研究时，着重探究目2023年第47卷第4期19Acoustics FoundatioN声 学 基 础声 学 基 础标深度对探测距离的影响。通过详细分析发现，在目标深度分别为 30 m、60 m 和 90 m 的情况下，相应的声呐作用距离分别为 14 km、15 km 和 17 km。这一研究结果提供了有关中等水文条件下目标深度与声呐作用距离之间关系的重要信息。虽然目标深度的变化会对声呐作用距离产生一定影响，但是在这种水文条件下这种影响相对较小。在混响约束下的主动声呐方程为(SL-2TL+TS)-RL=DT（5）RL=SL-2TLR+TSR（6）当 混 响 的 传 播 路 线 与 回 波 信 号 相 同 时，2TL=2TLR。反射散射能量 TSR=Sb+10lg A，其中 Sb为海底的后向散射强度，A 是一个与目标、环境或声呐系统相关的量。海底和海面或者海水中的一个层级都是产生混响的主要来源，所以有210lg2360RbhcTTSSR=+|（7）()1/214110h210lg23602210lg236010lg10lg415lg*10bRbhbhbhSTScTTSSRcTRLSLTLSR+=+|=+|=+=|（8）因为 SE=0，所以主动声呐在混响条件下的作用距离 R 有以下关系，即()1/214110h210lg23602210lg236010lg10lg415lg*10bRbhbhbhSTScTTSSRcTRLSLTLSRBRSTSd+=+|=+|=+（9）()1/214110h*10bSTSBnRd+=|（10）式中：cT 为环境中的噪声系数，B 为带宽，h为水平波束宽度，10lg(B/h)为混响指数，是衡量及比较抗混响背景性能的有用指标。设置主动声呐的参数如下：带宽 B=1 000 Hz，目标强度 TS=10 dB，脉宽 2 s，h=16。当 Sb取值为-47 -43 dB 时，对应的混响限制下的作用距离如表 1 所示。表 1 不同Sb下的声呐作用距离Sb/dB作用距离/km-4322.5-4425.7-4529.8-4634.9-4741.3通过分析表 1 的数据，得出在混响限制下 Sb值对声呐作用距离产生了重要影响。因此，Sb值被视为主动声呐探测性能的关键参数，在声呐系统的确定和设计中扮演着重要角色。4 性能预报软件设计及实现主动声呐性能预报实现过程如下。（1）数据收集与处理：收集声呐工作参数、海洋环境参数等数据进行必要的处理和准备工作，以供后续分析和预测使用。（2）回波信号分析：利用采集的回波信号进行分析和处理，包括回波信号的特征提取、目标强度估算、混响级和噪声级的计算等。（3）性能模型建立：基于已有的声呐理论和经验知识建立适当的性能模型，用于预测声呐的最大作用距离和全向探测性能，可能涉及声呐方程的建立和参数调整等工作。（4）预测结果生成与评估：根据收集的数据和建立的性能模型生成声呐性能的预测结果，并对预测结果进行评估和验证，以确保预测的准确性和可靠性。（5）报告和应用：根据预测结果生成相应的报告，提供给相关的决策者和操作人员。报告可以用于声呐系统设计、军事行动规划和声呐使用决策等方面。图 3 展示了主动声呐性能预报画面。它提供了全向声探测性能显示、参数设置和声速梯度传播损失显示等功能，为用户提供了便捷的工具来预测和分析声呐系统的性能。左侧区域用于显示声速梯度和传播损失等与声呐性能相关的信息。通过这样的设计，用户可以方便地进行参数设置和性能观察，并得到预测结果的直观展示。5 结 语基于主动声呐方程，重点研究海底散射强度等关键参数对声呐作用距离的影响。针对混响级和噪声级，提出估算噪声级和混响级的方法，用于提高声呐性能预测的准确性。在此基础上，文章构建了一款主动声呐性能预测系统，可用于预测和分析不同声呐工作参数、环境参数和目标参数下的声呐探测性能和作用距离。（下转第 26 页）2023年第47卷第4期26水 声 工 程水 声 工 程nderwater Acoustic EngineeringU由图 3 可知，峰值出现在 1=60处，与真值一致，故用上述算法对垂直线阵接收的信号进行稀疏重建可以得到精确结果。同样地，上述算法对水平线阵接收的信号进行稀疏重建也可以得到精确结果。根据球阵接收信号的稀疏重建理论推导，将球阵的等效点元坐标、目标坐标等数据代入式（6），计算空间声功率谱 s(k,r0)。假设球阵接收信号的信噪比为 10 dB，信号波数对应的频率为 3.4 kHz，根据信噪比假设声源到球阵球心的距离 r0为 10 m，球阵半径为 0.042 m，球谐域阶数为 4。稀疏重建后的峰值出现在第 10 830 点，此处横坐标将二维驾驶向量方向展开成一维，则 10 830 点对应的角度为 3=30和 3=30。与真值一致，故上述算法对球阵接收的信号进行稀疏重建可以得到精确 结果。结合锥面与直线交点公式，可以得到目标点位于(-4.33,7.5,5)，与真值一致，故本文提出的线阵与球阵结合的三基阵联合定位算法可以实现对目标声源的准确定位。4 结 语在水下目标定位算法中，多基阵比单基阵定位精度高，文章在线阵的基础上引入球阵构成三基阵，提出一种基于稀疏重构的水下三基阵纯方位联合定位算法，给出了方位信息融合算法。通过仿真对算法进行验证，证明了该联合算法可以给出精确的定位结果。参考文献：1徐本连.双（多）基纯方位目标定位与跟踪算法研究 D.南京：南京理工大学，2006.2刘艳丽.被动声探测系统对目标定向、定位算法的研究D.西安：西北工业大学，2006.3王志刚，陈韶华，王维.分布式基阵联合定位算法仿真分析 J.水下无人系统学报，2018，26（5）：433-438.4陈玉凤，黄建国，苏建军.基于稀疏重建和压缩感知波束形成的高分辨 DOA 估计 J.鱼雷技术，2013，21（2）：110-114.5周成伟.互质阵列信号处理算法研究D.杭州：浙江大学，2018.声呐工作 参数发射功率（SL）：全功率海底类型：细砂目标反射强度：低海深：200m目标姿态角：90目标深度：30 m水文条件：实测值信号频率：F1信号脉冲：1s环境参数距离声速/（ms-1）0204060801001201401601802008010012014016018020005152535102030401 460 1 480 1 500 1 520误差/mTL/dB目标参数声速剖面曲线706050403020100图 3 主动声呐性能预报画面参考文献：1唐晨，孙秀文，郑有志.应召搜潜中多机吊放声纳螺线路径规划问题研究 J.火力与指挥控制，2023，48（2）：80-85.2顾云涛，李谦，史旭峰.基于发现概率模型的吊放声纳搜潜效能研究 J.舰船电子工程，2023，43（1）：138-143.3刘昆，牟健，谢敬谦，等.浅析 SHADOWS 合成孔径声纳的数据成像处理技术 J.海洋技术，2013，32（2）：56-59.4张小康，钟双莲，黄身钦，等.基于声暴露级向量的海洋工程噪声信号自动提取方法 J.海洋开发与管理，2022，39（2）：34-38.5石杰，张效民，侯铁双，等.航船噪声引起的低频海洋环境噪声级发展趋势 J.鱼雷技术，2010，18（2）：112-116.6王利恒，赵智浩.基于 MFCC-SVM 的海洋机械噪声监测系统 J.自动化与仪表，2020，35（12）：54-58.编辑：郭芳园（上接第 19 页）