多普勒计程仪声学暴露距离快速预报方法.pdf

第39卷第4期
船海工程
'ol 39 No 4
2010年08月
SHIP & OCEAN ENGINEERING
Aug.2010
DOI:10.3963/j.isn1671-7953.2010.04.043
多普勒计程仪声学暴露距离快速预报方法
栾禄雨,张博2,王光辉
(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)
摘要:为了有效地决策多普勒计程仪的使用时机和使用方式,提出以多普勒计程仪声学暴露距离作为
相关决策的依据,采用射线理论描述该设备信号的传播过程,根据其声线传播特点,将传播损失和本征声线搜
索结合预报多普勒计程仪声学暴露距离。仿真结果表明,该算法能够根椐海洋环境信息进行快速预报,满足
了指挥决策对预报实时性的要求。
关键词:多普勒计程仪;隐蔽性;本征声线;暴露距离
中阳分类号:U665.26
文献标志码:A
文章编号:1671-7953(2010)04-0138-03
为了实现深海海区的绝对速度测量,往往采
即:c=0cO89
,∈[45°,75°]
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。式中:c。一一发射点处的声速
研究多普勒计程仪口的声学暴露性,关键在于研
C一声线反转处的声速。
究当前海区环境下多普勒计程仪声信号的传播特
由式(1)可见,若多普勒计程仪声线能够自主
性,快速地确定信号的最大传播距离。射线模型反转,则反转处的声速必须满足条件:c≥V2co。海
是分析频率大于500Hz声波传播情况的最简便水中的声速一般介于1500~1550m/s之间,显然
有效的方法,相较于其他模型更加直观快捷,且精声在海水中的传播速度不可能达到或超过√2ca。
度较高。射线理论采用本征声线描述声场,通过所以,多普勒计程仪声呐所发射的声线无法在水中
搜索满足一定条件的本征声线,从而得到多普实现自主反转,必然要经过海面和海底的反射
勒计程仪声信号的传播距离。根据多普勒计程
声线自发射深度发出,经过一次海面和海底
仪的特点对文献[2给出的本征声线快速搜索反射后,回到发射深度时所经过的传播过程为
方法进行改进,缩小搜索范围,提高声线的搜索个传播周期。则声线由发射点传播至接收点的
效率。
传播过程L可以表示为
多普勒计程仪声呐掠射角品一般大于6,式中ー/〉=m?+
1声线传播特性分析
波束宽度O-a小于30°。旁瓣的能量较低,传播
一一周期内声线由发射深度传至接收
衰减快,在此忽略不计。预报时主要考虑出射角
深度的传播过程,t'。
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
受多普勒计程仪发射掠射角的约束,的传
处的声线0角达到0°,需要满足如下条件
播形式只有两种,见图1。
收稿日期:2010-04-02
①
修回日期:2010-05-06
作者简介:栾禄雨(1981),男,博士生。
a、b发射点和接收点;a-声线传播一周期后回
研究方向:水下导航技术
到发射深度时所对应的点:①、②-声线
E-mail:Ifhwfw(@163.com
图1多普勒计程仪声线的传播路径
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多普勒计程仪声学暴露距离快速预报方法一一栾禄雨,张博,王光辉
2声学暴露距离快速预报
0一一-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
多普勒计程仪声学暴露距离是该设备发射的求解,可采用牛顿下山法进行迭代。
声信号能够被对方声呐探测到的最大水平距离。2.2算法改进
如果采用射线理论描述,就是由多普勒计程仪发
方程组(3)没有考虑设备的发射功率以及对
射的众多声线中,能够被接收方声呐接收到的且方声呐的探测能力,在计算时,由于特征声线传播
传播距离最远的声线所对应的水平距离。因此,的水平距离S和周期数N同为未知量,得到的结
多普勒计程仪声学暴露距离的预报涉及到本征声果将是满足方程组(3)的所有声线的集合,还需要
线的搜索问题。
对结果进行筛选,才能得到多普勒计程仪的暴露
2.1本征声线快速搜索算法
距离,增加了计算的耗时。为了缔短预报时间,本
多普勒计程仪信号频率位于高频段,在水中文对算法进行了改进,将本征声线的搜索与传播
传播时衰减快,传播距离很短。在此距离内,海水损失计算结合,限制搜索范围。
(海底)介质的声学特性在水平方向上的变化不明
TL=SL-NLー(DTーDI)
(4)
显,所以可将非水平分层介质近似为分层介质,并
被动声呐方程中的声源级SL与发射功率
忽略海底地形的影响
Pa和发射指向性指数DIT有关;海洋环境噪声
0
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和检测國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
图2声线的传播周期
远的声线所对应的水平距离即为暴髂距离。
以图1中声线①为例,设一个传播周期所对应
与特征声线的水平传播距离S一样,声线自
的水平距离为D,声线自发射深度开始,经一次海发射点至接收点的传播损失TL也可以表示为声
底反射后回到发射深度的传播过程所对应的水平线在N个传播周期的传播损失与声线在一周期
距离为D2;声线未经任何反射,自发射(接收)深度
内由发射深度传至接收深度的传播过程所对应的
到达接收(发射)深度的传播过程所对应的水平距传播损失之和。同样以图1中标号为①的声线为
离为D2;声线自接收深度开始,经一次海面反射后例,设D、D2、D2、D12所对应的传播损失为TLD、
回到接收深度的传播过程所对应的水平距离为
TLo、TLp、TLon2,则
TL=NTL。+TLpm+TLo2
D2,见图2,其对应的特征声线水平传播距离S可
N∈Z(5
TLP=TLDI +2TLD12+TL
表示为
声波在介质中的传播损失主要包括扩展损
S=N?D+D2+D2
失、衰减损失和界面引起的损失。由图2可知,
cost
TLm、TLm、TLm2表达式为
TLm=BL+n×101gD1+aD
arccos
cosa)dz,N∈Z(3)
TLD12=nx101g D12 +AD12
(6)
arccos
cose d
TL=+れX101gD2+aD2
式中:BL一一海底发射损失;
D=D1+2D12+D2
a一海水吸收系数;
式中:Z一海区深度
一海面反射损失
发射深度
另外,多普勒计程仪声呐指向性的存在,使得
zb一接收深度;
不同出射角度的声线对应不同声级。声线的出射
发射点处的声速
方向和主瓣主轴的夹角越大,声级越小。计算时,
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