唐 帥，笪良龍，徐國軍，崔寶龍

（海軍潛艇學(xué)院，山東 青島266071）

0 引 言

海洋環(huán)境中，船舶噪聲通過海水傳播，到達(dá)聲納接收器，通過后端信號處理系統(tǒng)對所接收的噪聲信號進(jìn)行分析處理，從而做出判決，確定是否存在目標(biāo)以及目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和目標(biāo)種類。由于存在特殊的聲速垂直剖面結(jié)構(gòu)，深海環(huán)境中存在深海聲道會(huì)聚區(qū)及反射會(huì)聚區(qū)現(xiàn)象，它們是深海中良好的聲信道，能夠遠(yuǎn)距離傳輸聲信號[1-4]。然而，由于會(huì)聚區(qū)及反射會(huì)聚區(qū)現(xiàn)象的存在，在深海中，接收到船舶噪聲信號，既可能是直達(dá)波目標(biāo)，又可能是會(huì)聚區(qū)目標(biāo)或反射會(huì)聚區(qū)目標(biāo)，導(dǎo)致利用船舶噪聲特征判斷目標(biāo)是否存在及其運(yùn)動(dòng)態(tài)勢的傳統(tǒng)方法難以奏效。波導(dǎo)不變量理論是俄羅斯學(xué)者Chuprov[5]提出，用于描述聲場中的干涉現(xiàn)象。近年來，波導(dǎo)不變量相關(guān)理論主要用于淺海環(huán)境目標(biāo)定位、運(yùn)動(dòng)態(tài)勢分析和參數(shù)反演等研究[6-8]。

本文基于波導(dǎo)不變量理論，對典型深海環(huán)境中，不同距離的艦船噪聲信號干涉條紋特征進(jìn)行分析，并利用該特征對深海船舶目標(biāo)及其運(yùn)動(dòng)態(tài)勢進(jìn)行初步判斷，并用實(shí)測資料進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 典型深海聲道環(huán)境效應(yīng)

在深海環(huán)境中，由于海水中的聲速隨溫度、鹽度和靜壓力（或深度）變化而變化，以溫度影響最為顯著，深海溫度沿垂直方向存在“三層結(jié)構(gòu)”，使得聲速在某一確定深度處聲速有極小值，這一深度就是聲道軸。聲速剖面在軸的上方聲速增大主要是由于溫度升高，而在軸的下方則主要是由于靜壓力的增大形成的，這樣的聲道結(jié)構(gòu)稱為深海聲道。

由于海深的不同，深海聲道可分為兩類，第一類情況c表層聲速＜ c底層聲速，如圖 1（a）所示，存在深度余量，滿足深海聲道會(huì)聚區(qū)形成條件；第二類情況 c表層聲速＞ c底層聲速，如圖1（b）所示，不存在深度余量。

圖2中給出了兩類聲速剖面下，船舶噪聲隨距離變化的傳播損失圖。對于第一類情況，當(dāng)深海船舶目標(biāo)和接收器都位于海洋近表層時(shí)，船舶噪聲形成向下的波束，該波束沿著深海折射路徑傳播后，重新出現(xiàn)在近海面，在距聲源數(shù)十公里處產(chǎn)生一個(gè)聲強(qiáng)較高的環(huán)帶狀區(qū)域，稱為深海聲道會(huì)聚區(qū)，如圖2（a）。該現(xiàn)象隨著距離的增大反復(fù)出現(xiàn)。會(huì)聚區(qū)傳播是深海中良好的聲信道，能夠高強(qiáng)度、低失真地遠(yuǎn)距離傳輸聲信號。第二類情況，當(dāng)深海船舶目標(biāo)和接收器都位于海洋近表層時(shí)，船舶噪聲形成的向下的波束，受到海底界面的反射，會(huì)在海面重新聚焦，距離介于直達(dá)波距離與深海聲道會(huì)聚區(qū)之間，稱為反射會(huì)聚區(qū)，如圖2（b）。

圖1 深海聲道聲速剖面Fig.1 Sound-speed profile of deep-ocean

圖2深海聲道傳播損失Fig.2 Transmission loss for deep-ocean profile

圖3 給出了兩種典型聲道的船舶噪聲的聲線軌跡圖。圖3（a）給出了深海聲道會(huì)聚區(qū)聲線傳播軌跡，從圖中可以看出，深海聲道會(huì)聚區(qū)主要是由波導(dǎo)傳播模式，即相速度小于c底層聲速的簡正波形成的，這些簡正波下反轉(zhuǎn)點(diǎn)在海底上方，不與海底發(fā)生接觸；圖3（b）給出了反射會(huì)聚區(qū)聲線傳播軌跡，從圖中可以看出，反射會(huì)聚區(qū)主要是由海底反射模式，即相速度大于c底層聲速的簡正波形成的，這些簡正波與海底發(fā)生接觸。

通過典型深海環(huán)境效應(yīng)的分析，可以看出，在深海環(huán)境，由于深海聲道會(huì)聚區(qū)和反射會(huì)聚區(qū)的存在，接收到的船舶噪聲信號，既可能是直達(dá)波目標(biāo)、又可能是深海聲道會(huì)聚區(qū)目標(biāo)或者反射會(huì)聚區(qū)目標(biāo)。對于會(huì)聚區(qū)或反射會(huì)聚區(qū)內(nèi)的船舶目標(biāo)，由于距離較遠(yuǎn)，其噪聲信號還具有方位變化率較小的特點(diǎn)。

因此，在深海環(huán)境中，通過船舶噪聲信號強(qiáng)度、方位變化等傳統(tǒng)目標(biāo)信號分析方法已經(jīng)難以判斷目標(biāo)的距離以及目標(biāo)運(yùn)動(dòng)態(tài)勢、解算船舶目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素，直接導(dǎo)致無法有效預(yù)判深海船舶目標(biāo)的機(jī)動(dòng)態(tài)勢，難以采取相應(yīng)措施。

2 深海船舶噪聲信號干涉結(jié)構(gòu)

2.1 聲場干涉結(jié)構(gòu)分析

俄羅斯學(xué)者Chuprov于1982年發(fā)現(xiàn)了海洋聲場具有這種穩(wěn)定的距離-頻率干涉結(jié)構(gòu)，定義了一個(gè)標(biāo)量-波導(dǎo)不變量β，波導(dǎo)不變量的值可用來表征聲強(qiáng)距離-頻率平面上條紋斜率，其隱含有聲源距離信息。

波導(dǎo)聲場結(jié)構(gòu)一般都非常復(fù)雜，根據(jù)簡正波理論，當(dāng)聲源與接收水聽器間的水平距離大于水深的一定倍數(shù)時(shí)，單個(gè)無指向性的點(diǎn)聲源所產(chǎn)生的水下聲壓場可由一組有限階次的簡正波的和來表示，當(dāng)聲源深度zs，接收器深度為zr，收發(fā)距離為r時(shí)，點(diǎn)源聲場頻率響應(yīng)函數(shù)P r，zs，z；（）ω 可表示為：

其中：νl=μl+iηl，μl為簡正波本征值的實(shí)部，ηl為簡正波的衰減，Φl（）z為簡正波的本征函數(shù)。定義簡正波幅度為

則公式（1）可以寫成

則聲強(qiáng)可表示為，

其中：Δ μlm（ω ）=μl（ω ）-μm（ω）（m≠l）為簡正波本征值之差。 接收聲強(qiáng)由兩部分組成：第一部分隨距離和頻率（這里假設(shè)模態(tài)函數(shù)的幅值并非頻率的強(qiáng)函數(shù)）緩慢變化；第二部分由一系列cos因子累加而成，反映了模態(tài)函數(shù)之間的干涉特征，并且隨著距離的變化而呈現(xiàn)振蕩。這種振蕩就導(dǎo)致了聲強(qiáng)時(shí)頻分布圖上的波導(dǎo)不變條紋圖案[9]。

2.2 深海干涉結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真

為了分析深海環(huán)境中是否存在干涉條紋特征以及干涉條紋與船舶噪聲位置的關(guān)系，采用了圖1所示的兩種典型深海聲道環(huán)境，設(shè)定聲源深度為10 m，接收深度為100 m，傳播距離60 nm，頻帶寬度為1 000-2 000 Hz。 海底參數(shù)為：海底密度=1.806 g/cm3，海底聲速=1 668 m/s，海底吸收=0.692 dB/λ。

圖4給出了第一類典型深海聲道環(huán)境如圖1（a）所示，即c表層聲速＜c底層聲速，不同距離范圍的聲強(qiáng)距離-頻率干涉條紋圖。該環(huán)境下可接收到處于直達(dá)波和深海會(huì)聚區(qū)中的船舶目標(biāo)噪聲。通過圖中對比可以看出，在這種環(huán)境下，直達(dá)波探測距離較近，而且處于深海環(huán)境，簡正波號數(shù)增多，大量波導(dǎo)簡正波和海底反射簡正波同時(shí)存在，干涉條紋相互抵消，致使近距離聲場聲強(qiáng)較強(qiáng)，但干涉條紋卻不明顯；深海聲道會(huì)聚區(qū)內(nèi)，波導(dǎo)簡正波在會(huì)聚區(qū)內(nèi)聚焦，相互干涉，形成明顯的干涉條紋圖像。

圖5給出了第二類典型深海聲道環(huán)境，如圖 1（b）所示，即 c表層聲速＞ c底層聲速，不同距離的聲強(qiáng)距離-頻率干涉條紋圖。該環(huán)境下可接收到處于直達(dá)波和反射會(huì)聚區(qū)中的船舶目標(biāo)噪聲。通過對比可以看出，在直達(dá)波聲場，與第一類深海環(huán)境仿真結(jié)果相近，干涉條紋不明顯；在反射會(huì)聚區(qū)內(nèi)，反射模式簡正波產(chǎn)生聚焦，聲強(qiáng)距離-頻率圖中存在干涉條紋，條紋結(jié)構(gòu)與淺海條紋結(jié)構(gòu)相似，但與深海聲道會(huì)聚區(qū)的干涉條紋結(jié)構(gòu)相反。

圖4 深海會(huì)聚區(qū)聲強(qiáng)距離-頻率干涉結(jié)構(gòu)Fig.4 Waveguide invariant striations simulation in deep-ocean CZ

圖5 反射會(huì)聚區(qū)聲強(qiáng)距離-頻率干涉結(jié)構(gòu)Fig.5 Near-field waveguide invariant striations simulation in deep-ocean reflect CZ

通過分析還可以看出，處于深海聲道會(huì)聚區(qū)或反射會(huì)聚區(qū)內(nèi)的船舶目標(biāo)，當(dāng)目標(biāo)與接收器處于不同態(tài)勢時(shí)，即接近或遠(yuǎn)離，噪聲信號的干涉條紋特征也不相同。

2.3 深海聲場波導(dǎo)不變性

波導(dǎo)不變量（通常由β表示）是用來描述聲場的距離-頻率干涉結(jié)構(gòu)。根據(jù)簡正波原理，聲場中聲強(qiáng)的距離-頻率圖中有明暗相間的干涉條紋，波導(dǎo)不變量β的值可以表征干涉條紋的斜率。

根據(jù)定義[10]，第m號和第l號簡正波形成的波導(dǎo)不變量βml為

其中：ω為角頻率，Δkml為第m號和第l號簡正波的水平波數(shù)差，Δkml=krm-krl。

并且滿足關(guān)系式

其中：r為聲源到接收點(diǎn)的距離。

在淺海理想條件下，由于水平波數(shù)滿足：

其中：m是簡正波號數(shù)，d為海底深度?？梢酝茖?dǎo)出在淺海理想條件下波導(dǎo)不變量值β為1。

在深海環(huán)境由于聲場的復(fù)雜性，無法精確地求解滿足定解條件的波動(dòng)方程的解，往往只能求得一定近似條件下的形式解或數(shù)值解。因此，利用相慢度和群慢度對任意兩號簡正波的波導(dǎo)不變量βml進(jìn)行重新定義。定義第m號簡正波的相速度和群速度分別為：

相對應(yīng)的相慢度和群慢度為：

則可波導(dǎo)不變量βml可表示為：

其中：ΔSp，ml=Sp，m-Sp，l，ΔSg，ml=Sg，m-Sg，l。 根據(jù)（12）式，可以看出，將聲源頻率 ω 所對應(yīng)的 1 到 L 號簡正波的群慢度Sg，m看成是隨相慢度Sp，m變化的函數(shù)，即SgSp（）。如果在某一區(qū)域內(nèi)SgSp（）函數(shù)可近似成一條直線，那么波導(dǎo)不變量β可以用該直線的斜率進(jìn)行表示，且與簡正波號數(shù)無關(guān)。

圖6給出了典型深海聲道環(huán)境中相慢度與群慢度的關(guān)系，從圖中可以看出，SgSp（）函數(shù)可以分為兩個(gè)區(qū)間，即波導(dǎo)簡正波區(qū)間和反射簡正波區(qū)間。相慢度小于拐點(diǎn)的區(qū)間是反射簡正波，相慢度大于拐點(diǎn)的區(qū)間是波導(dǎo)簡正波。

利用公式（12）分別計(jì)算深海聲道會(huì)聚區(qū)波導(dǎo)傳播模式和反射會(huì)聚區(qū)反射傳播模式對應(yīng)的波導(dǎo)不變量β，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。其中，深海聲道會(huì)聚區(qū)波導(dǎo)不變量β基本一致，平均值為-6.21；反射會(huì)聚區(qū)波導(dǎo)不變量β基本一致，平均值為0.83。結(jié)合波導(dǎo)不變量β估值對圖4、圖5中干涉條紋現(xiàn)象進(jìn)行解釋，由于深海聲道會(huì)聚區(qū)對應(yīng)的β值為負(fù)，與淺海相反，所以聲強(qiáng)距離-頻率干涉條紋樣式與淺海相反；反射會(huì)聚區(qū)內(nèi)，對應(yīng)的β值為正值，近似為1，與淺海相近。因此，反射會(huì)聚區(qū)內(nèi)聲強(qiáng)距離-頻率干涉條紋樣式與淺海相類似。

圖6 典型深海聲道相慢度和群慢度的對應(yīng)關(guān)系Fig.6 Group slowness versus phase slowness for the deep-ocean waveguide

圖7 典型深海聲道波導(dǎo)不變量Fig.7 Waveguide invariant in deep-ocean waveguide

圖8 直達(dá)波目標(biāo)LOFAR譜Fig.8 LOFAR spectrum for near-field target

圖9 反射會(huì)聚區(qū)目標(biāo)LOFAR譜Fig.9 LOFAR spectrum for reflect CZ

2.4 深海干涉結(jié)構(gòu)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

某次深海試驗(yàn)中，不同距離接收到的船舶噪聲信號聲強(qiáng)距離-頻率圖，如圖8-10所示。圖8是深海直達(dá)波船舶目標(biāo)噪聲信號；圖9是不同運(yùn)動(dòng)態(tài)勢的反射會(huì)聚區(qū)船舶目標(biāo)噪聲信號；圖10是不同運(yùn)動(dòng)態(tài)勢的深海聲道會(huì)聚區(qū)船舶目標(biāo)噪聲信號。

從圖中可以看出，深海環(huán)境中，不同距離目標(biāo)其距離-頻率譜特征各不相同。深海近距離船舶目標(biāo)噪聲信號中不存在明顯干涉條紋特征；深海聲道會(huì)聚區(qū)船舶目標(biāo)與反射會(huì)聚區(qū)目標(biāo)噪聲信號中存在明顯干涉條紋特征，通過對比可以看出，深海聲道會(huì)聚區(qū)目標(biāo)干涉條紋特征較為清晰，而反射會(huì)聚區(qū)目標(biāo)，受到海底反射的影響，干涉條紋特征較弱，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致。處于深海聲道會(huì)聚區(qū)或反射會(huì)聚區(qū)的目標(biāo)，目標(biāo)與接收器運(yùn)動(dòng)態(tài)勢不同，噪聲信號干涉條紋也不同，與理論分析結(jié)果一致。

圖10 深海聲道會(huì)聚區(qū)目標(biāo)LOFAR譜Fig.10 LOFAR spectrum for CZ striations

2.5 深海干涉結(jié)構(gòu)應(yīng)用

通過前文對典型深海環(huán)境干涉條紋及其波導(dǎo)不變量特征的分析，可以看出深海近距離聲場、反射會(huì)聚區(qū)和深海聲道會(huì)聚區(qū)干涉條紋特征存在明顯區(qū)別。因此，結(jié)合環(huán)境信息、深海聲道會(huì)聚區(qū)及反射會(huì)聚區(qū)船舶目標(biāo)信號特點(diǎn)，可以對深海聲道會(huì)聚區(qū)目標(biāo)、反射會(huì)聚區(qū)目標(biāo)及其運(yùn)動(dòng)態(tài)勢進(jìn)行初步判斷。

（1）深海條件下，環(huán)境滿足深海聲道會(huì)聚區(qū)形成條件時(shí)，目標(biāo)信號出現(xiàn)干涉條紋，方位變化率較慢，判斷為深海聲道會(huì)聚區(qū)目標(biāo)。

進(jìn)一步根據(jù)干涉條紋隨距離-頻率的變化趨勢對目標(biāo)運(yùn)動(dòng)態(tài)勢進(jìn)行判斷。在聲強(qiáng)距離-頻率平面上建立坐標(biāo)軸，定義某一干涉條紋P與距離軸y的偏角φ，如圖11所示。

深海聲道會(huì)聚區(qū)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)態(tài)勢判斷方法如下：

①φ＜90°時(shí)，船舶目標(biāo)處于接近接收器的態(tài)勢；

②φ＞90°時(shí)，船舶目標(biāo)處于遠(yuǎn)離接收器的態(tài)勢。

（2）深海條件下，環(huán)境不滿足深海聲道會(huì)聚區(qū)形成條件時(shí)，目標(biāo)信號出現(xiàn)干涉條紋，方位變化率較慢，判斷為反射會(huì)聚區(qū)目標(biāo)。

反射會(huì)聚區(qū)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)態(tài)勢判斷方法如下：

①φ＜90°時(shí)，船舶目標(biāo)處于遠(yuǎn)離接收器的態(tài)勢；

②φ＞90°時(shí)，船舶目標(biāo)處于接近接收器的態(tài)勢。

（3）深海條件下，目標(biāo)信號沒有干涉條紋，方位變化率較快，判斷為直達(dá)波目標(biāo)。

圖11 距離-頻率平面干涉條紋偏角Fig.11 Waveguide invariant striations declination in range and frequency plane

3 結(jié) 論

本文首先研究了兩種典型深海聲道的環(huán)境特點(diǎn)，分析了深海聲道會(huì)聚區(qū)和反射會(huì)聚區(qū)聲場的形成條件，在此基礎(chǔ)上，研究了深海不同距離的船舶噪聲信號聲強(qiáng)距離-頻率分布圖中的干涉條紋特征，并利用波導(dǎo)不變量的理論對深海干涉條紋特征進(jìn)行了解釋。通過仿真結(jié)果和海試數(shù)據(jù)驗(yàn)證，深海環(huán)境中，近距離船舶目標(biāo)噪聲信號LOFAR譜中無明顯干涉條紋，反射會(huì)聚區(qū)和深海聲道會(huì)聚區(qū)目標(biāo)信號存在明顯的干涉條紋特征；深海聲道會(huì)聚區(qū)內(nèi)的干涉條紋主要由波導(dǎo)簡正波形成，其對應(yīng)的波導(dǎo)不變量β值為負(fù)，干涉條紋樣式與淺海相反；反射會(huì)聚區(qū)內(nèi)的干涉條紋主要由反射簡正波形成，其對應(yīng)的波導(dǎo)不變量β值為正，干涉條紋樣式與淺海相近；深海聲道會(huì)聚區(qū)或反射會(huì)聚區(qū)內(nèi)，處于不同運(yùn)動(dòng)態(tài)勢的目標(biāo)，在聲強(qiáng)距離-頻率平面內(nèi)干涉條紋的偏角不同。因此，利用深海干涉條紋特征，可以對深海船舶目標(biāo)的位置及運(yùn)動(dòng)態(tài)勢進(jìn)行判斷，增加了深海船舶目標(biāo)信息的獲取手段，為深入研究深海環(huán)境效應(yīng)及其相關(guān)應(yīng)用提供了新的思路和方法。

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