CN103257347A - 一种实际使用环境下的声纳作用距离指标的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实际使用环境下的声纳作用距离指标的获取方法，该方法将原有声纳作用距离指标条件中描述的海区声速剖面、海深、海底等声学条件参数以及目标声源的深度和声纳基阵的深度，由声场传播模型计算得到原有指标条件下的声传播衰减曲线TL₀，再将声纳原有作用距离指标值R₀带入声传播衰减曲线TL₀，对应得到该指标条件下的优质因素FOM₀；计算实际测量的目标辐射噪声级SL₁与原指标描述的目标辐射噪声级SL₀之间的差值，以及实际测量的背景噪声级NL₁与原指标描述的背景噪声级NL₀之间的差值，得到实际使用条件下的声纳优质因数FOM₁＝FOM₀+ΔSL+ΔNL；将声纳优质因数FOM₁值带入实际环境下的声传播衰减曲线TL₁，对应得到实际使用条件下的声纳作用距离指标值R₁。

Description

一种实际使用环境下的声纳作用距离指标的获取方法

技术领域

本发明涉及声纳作用距离指标计算方法，属于水声工程、海洋工程和声纳技术等领域，尤其涉及一种实际使用环境下的声纳作用距离指标的获取方法。

背景技术

声纳作用距离是衡量声纳装备性能的重要指标，特别是对于安装于潜艇、水面舰艇和反潜飞机上的探测声纳来说，声纳作用距离的远近直接反映了声纳设备水下探测能力，同时还会对声纳的探测精度、方位分辨力等指标产生影响。声纳作用距离不仅取决于声纳设备本身的基阵尺寸、信号处理能力等技术状况，而且还与实际工作的海洋水文条件、海底以及安装平台、目标噪声等多种条件密切相关，影响声纳设备作用距离的因素如图1所示。

声纳发射和接收的声波在传播过程中，受海水介质不均匀分布和海面、海底的影响和制约，会产生声波的折射、散射、反射和干涉，使声线弯曲、信号起伏和畸变、造成传播途径的改变、以及出现声影区等现象，严重影响了声纳的作用距离。因此，在不同的水文条件下，声纳作用距离可能相差甚远。例如，负跃层水文较等温层传播损失增大十几分贝，声纳作用距离可以相差2-3倍。此外，由于海洋环境噪声具有多变性，如基于平均值所得的估计值与在同一海区短期内的测量值之间会有5-10分贝的不确定性。

另外，除海洋传播条件外，声纳基阵附近的背景噪声、目标的反射本领和辐射噪声强度，也是影响声纳作用距离的重要因素。背景噪声越大，声纳作用距离就越近；目标反射本领越大，被对方主动声纳发现的距离就越远；目标辐射噪声强度越大，被对方被动声纳发现的距离就越远。

目前，计算声纳作用距离指标的方法主要根据经典的声纳方程公式：

FOM＝SL-NL+(DI-DT)                 (1)

FOM＝(SL-NL+TS+DI-DT)/2            (2)

上面的公式(1)和(2)分别是根据被动声纳方程和主动声纳方程得到的优质因素FOM的表达式，优质因素FOM的物理含义是允许声波在声场中传播最大的能量损失，与传播距离直接相关。其中，TS是目标强度，NL是声纳背景噪声，DI是阵增益，DT是声纳检测阈。在公式(1)中，SL是目标辐射强度，在公式(2)中，SL是声纳发射声源级。

计算声波在声场中的传播损失有两种方法，一种是简单假设声源位于无限大的海洋介质中，将传播损失考虑为球面扩展损失加上吸收损失，即：

TL＝20logR+αR                     (3)

式中，TL表示传播损失，R表示距离，α表示吸收系数，当TL＝FOM值时，即可求解出传播距离R。由于考虑的模型与实际声场传播情况差别很大，这种方法计算的传播损失误差也较大，一般只作为简单对比分析使用。

另一种方法是利用声场传播模型计算声场传播损失，这种方法计算出来的声场传播损失较为准确。一般情况下，若已知发射源、海况和声场参数，则可从理论上计算出海洋中任何一点的声场，目前常用的声场传播模型包括：简正波模型、射线理论模型和抛物方程模型等。

采用基于声纳方程的方法目前已经成为计算和评估声纳作用距离性能的一种主要方法。但是，这种方法也存在一定的局限性。一是在声纳的设计中，通常将使用环境条件作理想化处理。如在信号处理过程中，将随机信号作为各态历经处理，将不均匀背景作为均匀背景处理，因此，与声纳相关的阵增益DI和声纳检测阈DT等技术指标参数很难准确给出；二是采用声场传播模型虽然能准确描述水声信号传播的特性，但是由于传播模型使用的水文、底质、海深等参数与声纳实际使用时的海区情况不能准确吻合，因此采用传播模型计算出来的传播损失TL只能反映特定海区条件下的典型情况；三是安装在平台上的声纳基阵并不能简单考虑为一个点源，声纳在使用过程中还要考虑声阵的倾角、接收扇面等因素，同时还要平台航行、转向等战术机动给声纳探测带来的影响。

因此，在实际计算声纳作用距离指标时，假设SL、TS和NL是准确的情况下，还要对上述公式进行修正，如公式(1)要修正为：

FOM＝SL-NL+(DI-DT+Δ1)             (4)

公式(5)要修正为：

TL＝20logR+αR+Δ2                 (5)

其中，Δ1和Δ2分别表示声纳探测和声场传播带来的不确定误差量。

然后，再根据声纳设计指标参数，由声纳方程计算得到声纳作用距离。

由于影响声纳作用距离性能的因素非常多，因此，声纳作用距离指标除了考虑声纳设计参数、实际使用环境、目标条件等参数外，还需充分考虑声纳探测和声场传播带来的不确定性，并结合实际海上试验验证来综合确定的，该指标才基本能够反映声纳设备在指标规定的条件下的探测性能。

但是，目前在实际海上对声纳设备进行定型验收或对特定海区和其他条件下的声纳探测作用距离进行评估时，虽然已经知道声纳的作用距离指标，由于声纳实际使用的环境条件与原声纳指标描述的环境条件不一致，因此，原有声纳作用距离指标无法直接使用，必须重新计算声纳在现有条件下的作用距离指标。由于原指标确定时考虑的声纳探测和声场传播带来的不确定误差量很难准确，因此，迫切需要有一种在实际使用环境下评估和计算声纳作用距离指标的方法。

发明内容

本发明的目的在于，基于原有声纳作用距离指标，根据实际使用环境参数，获取实际使用环境下的声纳作用距离指标的方法，该方法可以无需考虑声纳技术性能参数和原有作用距离指标制定时的不确定性因素。

为实现上述发明目的，本发明提供的一种实际使用环境下的声纳作用距离指标的获取方法，该方法的步骤包括：

(1)根据具体的使用海区和声纳工作频段选择合适的声场传播模型，用于计算声波在声纳与目标之间的能量传播损失；

(2)确定声场传播模型中相关的海底声学参数；

(3)测量目标辐射噪声级、声纳接收阵位置的平台自噪声以及使用海区的海洋环境噪声、声速剖面和海深参数，并根据声纳装备的实际工作频段，计算声纳工作带宽内的目标辐射噪声级SL₁和背景噪声级NL₁；

(4)将原有声纳作用距离指标条件中描述的海区声速剖面、海深、海底等声学条件参数以及目标声源的深度和声纳基阵的深度，由声场传播模型计算得到原有指标条件下的声传播衰减曲线TL₀，再将声纳原有作用距离指标值R₀带入声传播衰减曲线TL₀，对应得到该指标条件下的优质因素FOM₀；

(5)计算实际测量的目标辐射噪声级SL₁与原指标描述的目标辐射噪声级SL₀之间的差值ΔSL＝SL₁-SL₀，以及实际测量的背景噪声级NL₁与原指标描述的背景噪声级NL₀之间的差值ΔNL＝NL₁-NL₀，得到实际使用条件下的声纳优质因数FOM₁＝FOM₀+ΔSL+ΔNL；

(6)将现场测量得到的声速剖面、海深、海底声学参数以及目标声源的深度和声纳基阵的深度输入声场传播模型计算得到实际环境下的声传播衰减曲线TL₁，将声纳优质因数FOM₁值带入声传播衰减曲线TL₁，对应得到实际使用条件下的声纳作用距离指标值R₁。

作为上述技术方案的一种改进，所述的声场传播模型包括：简正波模型、射线理论模型或抛物方程模型。

作为上述技术方案的一种改进，所述的海底声学参数的获取通过对使用海区海底样本的取样分析来确定海区底质的类型，并参照对比已有试验结果得到，或通过海底参数声学反演试验得到。

作为上述技术方案的一种改进，所述的背景噪声包括平台自噪声和海洋环境噪声，背景噪声为：

$\mathrm{NL}=10{\log }_{10}({10}^{({\mathrm{NL}}_s/10)}+{10}^{({\mathrm{NL}}_c/10)})---\left(8\right)$

式中，NL为背景噪声，NLs为平台自噪声，NLc为海洋环境噪声。

作为上述技术方案的一种改进，所述的海深参数包括声纳基阵实际使用时的深度和目标声源深度。

作为上述技术方案的一种改进，所述的海底声学参数，包括：压缩波在海底的衰减系数β、传播速度c和海底密度ρ。

本发明的优点在于：本发明可应用于实际海上对声纳设备进行定型验收，或对特定海区和其他条件下的声纳探测作用距离进行评估，计算声纳作用距离指标时可以无需考虑声纳技术性能参数和原有作用距离指标制定时的不确定性因素，能够反映声纳设备在实际海洋环境、目标和平台状态下的探测性能，具有较好的宽容性。具体体现为：

(1)计算得到的声纳作用距离指标能够反映声纳设备在实际海洋环境、目标和平台状态下的探测性能；

(2)计算声纳作用距离指标时可以无需考虑声纳技术性能参数和原有作用距离指标制定时的不确定性因素，具有较好的宽容性。

附图说明

图1是影响声纳装备作用距离的因素；

图2是海床表面沉积物中压缩波衰减k_p与孔隙率(％)之间的关系示意图；

图3a是通过原有指标条件下的传播衰减曲线确定声纳作用距离示意图；

图3b是通过实际环境下的传播衰减曲线确定声纳作用距离示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明提供的一种实际使用环境下的声纳作用距离指标的获取方法包括：

步骤一：根据具体的使用海区和声纳工作频段选择合适的声场传播模型，用于计算声波在声纳与目标之间的能量传播损失。目前常用的声场传播模型主要有简正波模型、射线理论模型和抛物方程模型等；

步骤二：确定声场传播模型计算中需要的海底声学参数。海底的声学特性一般用压缩波在海底的衰减系数β、传播速度c以及海底密度ρ三个参数来表征。海底声学参数的获取可以通过对使用海区海底样本的取样分析来确定海区底质的类型，并参照对比已有试验结果得到，也可以通过海底参数声学反演试验得到；

步骤三：根据相关的标准对目标辐射噪声级、声纳接收阵位置的平台自噪声以及使用海区的海洋环境噪声、声速剖面以及海深等参数进行测量。根据声纳装备的实际工作频段，计算声纳工作带宽内的目标辐射噪声级SL₁和背景噪声级NL₁。舰壳声纳的背景噪声主要包括平台自噪声和海洋环境噪声，拖线阵声纳的背景噪声主要包括流噪声和海洋环境噪声，岸基声纳的背景噪声主要为海洋环境噪声。同时，确定声纳基阵实际使用时的深度和目标声源深度；

步骤四：将原有声纳作用距离指标条件中描述的海区声速剖面、海深、海底等声学条件参数以及目标声源的深度和声纳基阵的深度带入声场计算模型，计算得到原有指标条件下的声传播衰减曲线TL₀，将声纳原有作用距离指标值R₀带入声传播衰减曲线TL₀，对应得到该指标条件下的优质因素FOM₀；

步骤五：计算实际测量的目标辐射噪声级SL₁与原指标描述的目标辐射噪声级SL₀之间的差值ΔSL＝SL₁-SL₀，以及实际测量的背景噪声级NL₁与原指标描述的背景噪声级NL₀之间的差值ΔNL＝NL₁-NL₀，得到实际使用条件下的声纳优质因数FOM₁＝FOM₀+ΔSL+ΔNL；

步骤六：将现场测量的声速剖面、海深、海底声学参数以及目标声源的深度和声纳基阵的深度输入计算模型，得到实际环境下的声传播衰减曲线TL₁，将声纳优质因数FOM₁值带入声传播衰减曲线TL₁，对应得到实际使用条件下的声纳作用距离指标值R₁。

具体实施方法如下：

(1)选择声场传播模型

为了计算声波在声纳与目标之间的能量传播损失，应根据具体的使用海区和声纳工作频段选择合适的声场传播模型。目前常用的声场传播模型主要有简正波模型、射线理论模型和抛物方程模型等。

简正波解是对波动方程的一种精确的积分解。简正波理论认为声波在媒质中的场可以分解为许多不同阶次的简正波，在接收点所收到的声波是这些不同阶数的简正波经过信道传播到达接收点而相互叠加的结果。该模型在声场的每个点都适用，不存在理论上的盲区，没有近似条件的限制，计算精度高。特别是在低频时优点更为明显。通常在进行简正波模型分析时，假设海洋信道为柱面对称的分层媒质。但对于复杂的海洋环境信道，如远距离传播具有水平变化，简正波模型则难以处理。

射线理论给出了在一定条件下波动方程的近似解，是对流体媒质中声传播波动理论的一种近似表述。射线理论是通过声线对声场进行描述的，简洁直观，计算量小。但射线理论模型假设了声场中某一点的声波振幅的变化比声波相位的变化缓慢，即假设了一个声波波长范围内声波振幅没有大的变化。对于低频声源，波长较长，在一个波长范围内很难满足以上假设条件。因此，射线理论模型只适用于高频声波。对于低频声波适用性较差，特别是在浅海情况下。

在抛物线模型中，波动方程用柱面坐标系表示。在速度与横波或纵波声速相近的条件下，可用抛物方程代替原始的波动方程。抛物方程可以用递推法求解，由简正波模型提供初始位置的声场状态，对于其后的位置则通过顺次递推求解新的声场状态，大大简化了算法。抛物方程非常适合于处理存在水平梯度条件下低频声波的传播情况。但抛物方程模型存在相位误差问题，这一误差随距离的增加而产生累积。

综上所述，选择计算声场传播损失的传播模型可以根据以下原则来选取：

1)对于声波波长远小于水深、海底地形尺度和内部特征尺度(如表面波导尺度)的高频问题，可以采用射线模型；

2)对于低频、环境不随距离变化、海底倾斜度小于0.1度的问题，可以采用标准简正波模型；

3)对于低频、环境随距离变化较大的问题，可以采用抛物线模型。

(2)确定海底声学参数

不同类型的海底引起的声场传播损失是不同的。因此，在声场传播模型的计算中需要知道海底声学特性参数。对于高频声场传播问题，一般只需了解海底沉积物的几米或几十米深度的特性信息，而低频传播则需要整个沉积物和基岩的特性信息。完整的地声模型包括各沉积层和基岩层的类型、各层厚度和形状，以及压缩波(声波)速度、剪切波速度、压缩波衰减、剪切波衰减、密度以及其它弹性特性等参数。由于剪切波对声传播的影响远远小于压缩波，一般情况下，可以忽略剪切波对声传播的影响。因此在进行海底声学参数模型的描述时，可只考虑压缩波在海底的衰减系数β、传播速度c以及海底密度ρ三个参数。海底声学参数的获取主要有两种方法：

1)通过对使用海区海底样本的取样分析，确定海区底质的类型，并参照已有试验结果得到海底参数。

对试验海区进行海底参数测量或者查找海图得到海区底质的类型，参照Hamilton等人总结的试验结果，E.L.Hamilton and R.T.Bachman，“Sound velocity andrelated properties of marine sediments”，J.A.S.A.，Vol.72 No.6，1891-1904，Dec.1982，得到海底的主要参数，其结果见表1。

海底密度ρ和压缩波在海底的传播速度c可以用查表的方法从表1中得到，表1是大陆台地(陆架和斜坡)环境，沉积密度，孔隙率，声速和速度比。

但由于表1中的数值是在一定的条件下测得的，因此实际使用时还需要进行修正。

大量数据表明，在未岩化沉积物中的压缩波海底衰减与频率有一次方关系，即：

α_p＝k_pf                           (6)

式中，α_p是压缩波衰减系统，k_p是比例常数，单位为dB/m.kHz，f是频率，单位为kHz。k_p与沉积物的孔隙率和平均粒子直径有关，文献Alick C.Kibblewhite，“Attenuation of sound in marine sediments：A review with emphasis on newlow-frequency data”，J.A.S.A.，Vol.82 No.2，716-738，Aug.1989分别给出了k_p与平均粒子直径和孔隙率的关系，如图2所示。因此，由表1中查得不同沉积物类型的孔隙率参数，并带入图2，即可得到不同沉积物类型的压缩波海底衰减系数α_p。

由于传播模型一般要求衰减系数β的单位为dB/λ，而α_p的单位为dB/m，因此还需要转换：

β＝α_pc/1000                      (7)

式中，c是压缩波在海底的传播速度。

2)通过声学反演试验得到海底参数

海底沉积物样的采集和分析难度较大，而声学遥测方法精度过低，因此，目前还很难获得满足使用需求的底质参数。一种可行的方法是通过声学反演试验得到海底参数。

一般的海底参数反演采用如下步骤：

①利用海底浅层剖面仪确定海底的分层模型，并据此确定表征其特性的参数集M＝[m₁，…，m_k]。对于半无限空间，只需用压缩波在海底的衰减系数β、传播速度c以及海底密度ρ三个参数来表示；对于一层沉积层模型，则需要七个参数。一般情况下，两层沉积层模型就可以精确表示大部分海底类型。假设海底为半无限空间，则M＝[β，c，ρ]；

②选择合适的传播模型来计算包含参数集M信息的拷贝量Cx，如传播损失等；

③利用确定声源(如爆炸声源、拖曳声源等)及接收基阵获得包含参数集M信息的声信号，从接收到的声信号中提取出包含参数集M信息的测量量C，如传播损失等；

④构造代价函数cost(C，Cx)，选择模拟退火、遗传算法等高效搜索算法寻找使得代价函数最小的参数集M₀＝[β₀，c₀，ρ₀]，则M₀作为表征海底声学特性的参数集。

对于声纳作用距离指标计算，由于关心的是海区的传播损失在不同水文情况下的差异，因此对于特定海区的海底参数的反演采用基于声传播损失的反演方法是比较适合的，该方法简单有效、测量效率高、精度较高。

(3)测量环境、目标及平台实际参数

根据相关的标准对目标辐射噪声级、声纳接收阵位置的平台自噪声、海洋环境噪声、海区声速剖面以及海深等参数进行测量。

舰壳声纳背景噪声主要包括平台自噪声和海洋环境噪声，拖线阵声纳的背景噪声主要包括流噪声和海洋环境噪声，岸基声纳的背景噪声主要为海洋环境噪声：

$\mathrm{NL}=10{\log }_{10}({10}^{({\mathrm{NL}}_s/10)}+{10}^{({\mathrm{NL}}_c/10)})---\left(8\right)$

式中，NL为背景噪声，NLs为平台自噪声，NLc为海洋环境噪声。

根据声纳装备的实际工作频段，计算声纳工作带宽内的目标辐射噪声级SL₁和背景噪声级NL₁。同时，确定声纳基阵实际使用时的深度和目标声源深度。

(4)计算原有作用距离指标对应的优质因素

将原有声纳装备作用距离指标条件中描述的海区声速剖面、海深、海底声学参数以及目标声源的深度和声纳基阵的深度带入声场计算模型，计算得到原有指标条件下的声传播衰减曲线TL₀，将声纳原有作用距离指标值R₀带入，声传播衰减曲线TL₀，对应得到该指标条件下的优质因素FOM₀，如图3a所示。

(5)计算实际海洋环境下的声纳优质因数

计算实际测量的目标辐射噪声级SL₁与原指标描述的目标辐射噪声级SL₀之间的差值ΔSL，以及实际测量的背景噪声级NL₁与原指标描述的背景噪声级NL₀之间的差值ΔNL，得到实际海洋环境下的声纳优质因数FOM₁：

ΔSL＝SL₁-SL₀                      (9)

ΔNL＝NL₁-NL₀                      (10)

FOM₁＝FOM₀+ΔSL+ΔNL               (11)

(6)计算实际使用条件下的声纳作用距离指标

将现场测量的声速剖面、海深、海底声学参数以及目标声源的深度和声纳基阵的深度输入计算模型，得到实际环境下的声传播衰减曲线TL₁，将声纳优质因数FOM₁值带入声传播衰减曲线TL₁，对应得到实际使用条件下的声纳作用距离指标值R₁，如图3b所示。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种实际使用环境下的声纳作用距离指标的获取方法，该方法的步骤包括：

(1)根据具体的使用海区和声纳工作频段选择合适的声场传播模型，用于计算声波在声纳与目标之间的能量传播损失；

(2)确定声场传播模型中相关的海底声学参数；

(3)测量目标辐射噪声级、声纳接收阵位置的平台自噪声以及使用海区的海洋环境噪声、声速剖面和海深参数，并根据声纳装备的实际工作频段，计算声纳工作带宽内的目标辐射噪声级SL₁和背景噪声级NL₁；

(4)将原有声纳作用距离指标条件中描述的海区声速剖面、海深、海底等声学条件参数以及目标声源的深度和声纳基阵的深度，由声场传播模型计算得到原有指标条件下的声传播衰减曲线TL₀，再将声纳原有作用距离指标值R₀带入声传播衰减曲线TL₀，对应得到该指标条件下的优质因素FOM₀；

(5)计算实际测量的目标辐射噪声级SL₁与原指标描述的目标辐射噪声级SL₀之间的差值ΔSL＝SL₁-SL₀，以及实际测量的背景噪声级NL₁与原指标描述的背景噪声级NL₀之间的差值ΔNL＝NL₁-NL₀，得到实际使用条件下的声纳优质因数FOM₁＝FOM₀+ΔSL+ΔNL；

(6)将现场测量得到的声速剖面、海深、海底声学参数以及目标声源的深度和声纳基阵的深度输入声场传播模型计算得到实际环境下的声传播衰减曲线TL₁，将声纳优质因数FOM₁值带入声传播衰减曲线TL₁，对应得到实际使用条件下的声纳作用距离指标值R₁。

2.根据权利要求1所述的实际使用环境下的声纳作用距离指标的获取方法，其特征在于，所述的声场传播模型包括：简正波模型、射线理论模型或抛物方程模型。

3.根据权利要求1所述的实际使用环境下的声纳作用距离指标的获取方法，其特征在于，所述的海底声学参数的获取通过对使用海区海底样本的取样分析来确定海区底质的类型，并参照对比已有试验结果得到，或通过海底参数声学反演试验得到。

4.根据权利要求1所述的实际使用环境下的声纳作用距离指标的获取方法，其特征在于，所述的背景噪声包括平台自噪声和海洋环境噪声，背景噪声为：

$\mathrm{NL}=10{\log }_{10}({10}^{({\mathrm{NL}}_s/10)}+{10}^{({\mathrm{NL}}_c/10)})---\left(8\right)$

式中，NL为背景噪声，NLs为平台自噪声，NLc为海洋环境噪声。

5.根据权利要求1所述的实际使用环境下的声纳作用距离指标的获取方法，其特征在于，所述的海深参数包括声纳基阵实际使用时的深度和目标声源深度。

6.根据权利要求1所述的实际使用环境下的声纳作用距离指标的获取方法，其特征在于，所述的海底声学参数，包括：压缩波在海底的衰减系数β、传播速度c和海底密度ρ。

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