陳俊寬 馬啟明

（第七一五研究所，杭州，310023）

主被動拖曳聲吶中的發(fā)射陣一般采用單拖體形式，如果采取垂直方向多個拖體組成發(fā)射陣拖曳使用，可以提高發(fā)射聲源級，但同時也存在一些新的問題。作為接收陣需保持拖曳狀態(tài)才能正常工作，聲吶平臺速度不能過低。而在較高航速下，受水流等外力作用的影響，發(fā)射陣會產(chǎn)生拖曳傾角，導(dǎo)致各陣元發(fā)射的信號在不同方位角上的疊加有差異，形成指向性，部分方位角上聲源級過低無法實現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測，減小了聲吶系統(tǒng)的探測覆蓋范圍。

束控發(fā)射技術(shù)通過補(bǔ)償各陣元間的發(fā)射時延以實現(xiàn)體積陣探測覆蓋范圍的最大化。本文選取傾角 3°、5°、8°和 12°，在典型的淺海與深海環(huán)境下仿真驗證束控發(fā)射的效果，對體積發(fā)射陣的使用具有參考意義。

1 優(yōu)質(zhì)因數(shù)分析

優(yōu)質(zhì)因數(shù) (Figure of Merit，F(xiàn)OM)給定聲吶系統(tǒng)允許的最大雙程傳播損失,可用來判斷目標(biāo)所處區(qū)域是否可探測。定義如下[1]：

假設(shè)一條由N個間距為d的雙陣元構(gòu)成的體積陣，區(qū)分左陣和右陣。其傾斜角為β，每個陣元發(fā)射的信號均為u(t)，脈寬為T。以發(fā)射陣水平投影方向為x軸，方位角為 0°，深度最淺的陣元作為 1#陣元，如圖1所示。則n#陣元發(fā)出的信號到達(dá)遠(yuǎn)場某點處與1# 陣元信號的時差為：

式中，c為聲速，θ為遠(yuǎn)場某點的方位角。則該處接收到的信號為：

發(fā)射器發(fā)射指向性DIT的定義[2]為，

式中，ID為指向性發(fā)射器聲軸方向上的聲強(qiáng)度，IND為無指向性發(fā)射器輻射聲強(qiáng)度。聲強(qiáng)與聲壓幅值的平方成正比[3]，得到：

發(fā)射聲源級為：

由此得到發(fā)射陣傾斜狀態(tài)下的發(fā)射聲源級SL。

圖1 發(fā)射陣傾斜示意圖

結(jié)合式（1）、（6）得到發(fā)射陣拖曳傾角β分別為 3°、5°、8°和12°時的FOM，如圖2所示。

圖2 不同傾角時的優(yōu)質(zhì)因數(shù)

從圖2可以看出，隨著傾斜角的增大，F(xiàn)OM隨方位角變化的起伏加劇，盲區(qū)明顯增多，而方位角±90°時因不存在波程差，F(xiàn)OM始終保持較大。

2 體積發(fā)射陣聲場仿真

傳播損失分為去程傳播損失TL1和返程傳播損失TL2。由于各陣元所處深度不同，去程傳播損失不能簡單將全陣視為點聲源，因此以各陣元各自傳播損失TL'n模擬出全程傳播損失TL1。返程計算目標(biāo)處到拖曳接收陣處的傳播損失，如圖3所示。

圖3 傳播損失示意圖

根據(jù)體積陣的布陣特點，結(jié)合平面幾何結(jié)構(gòu)中的線源模型、海區(qū)的水文條件，利用簡正波模型對發(fā)射陣聲場進(jìn)行仿真。

2.1 淺海弱負(fù)梯度條件

淺海情況下聲波傳播至遠(yuǎn)處時，受海底海面多次反射，導(dǎo)致前向傳播的聲波能量損失，尤其是會漏入海底或為海底介質(zhì)所吸收。因此，只有小掠射角的聲線才會對遠(yuǎn)距離聲場起重要作用。聲速的垂直分布會影響聲線軌跡，進(jìn)而影響聲線接觸海底的次數(shù)及海底反射損失。仿真條件：體積陣傾斜角β為 0°，海深300 m，聲速1 515～1 530 m/s，斜率g=-0.05，海水密度ρ=1.6 g/cm3，海底聲速c0=1 579.9 m/s，海底衰減系數(shù)α=0.2。該條件下聲速梯度以及聲場仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 淺海弱負(fù)梯度聲速梯度及TL1+TL2

當(dāng)發(fā)射陣處于傾斜狀態(tài)時，由于拖曳傾角導(dǎo)致不同方位角上各陣元信號波形疊加不同，傳播損失在不同方位角上會略有差異，而±90°方向上由于不存在傳播時延，不論拖曳傾角的大小，其雙程傳播損失始終如圖4所示。

2.2 深海夏季水文條件

深海聲速剖面有一個重要特點是存在一個聲速極小值，所在深度為聲道軸，其上下方分別為聲速負(fù)梯度和聲速正梯度。由斯涅爾定律可知聲線始終彎向聲速極小值方向。因此當(dāng)聲源位于海面附近，或深海內(nèi)部接近海底（應(yīng)在深海聲道范圍內(nèi)）時，會形成聲強(qiáng)很高的焦散線和出現(xiàn)在海面附近的會聚區(qū)。實際的水聲探測中，聲源和接收器通常位于海表面附近，通常利用深海聲道的會聚區(qū)來實現(xiàn)遠(yuǎn)程探測[4]。仿真條件：體積陣傾斜角β為0°，海深2 000 m，聲道軸深度位于1 000 m，表面層與季節(jié)躍變層位于0～100 m，為負(fù)梯度，聲速1 530～ 1 540 m/s；主躍層100～1 000 m，負(fù)梯度，聲速1 480.5～1 530 m/s；深海等溫層位于1 000～2 000 m，正梯度，聲速為1 482.5～1 498.5 m/s；海水密度ρ=1.469 g/cm3，海底聲速c0=1 546 m/s，海底衰減系數(shù)為α=0.13@500 Hz。此條件下聲速梯度以及傳播損失的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 深海夏季聲速梯度及TL1+TL2

與淺海情況下一樣，當(dāng)傾斜角不為0°時傳播損失會隨方位角不同而有差異，方位角為±90°時雙程傳播損失始終如圖5所示。

3 束控發(fā)射仿真分析

考慮覆蓋范圍為發(fā)射陣所在位置的方圓 150 km，判定標(biāo)準(zhǔn)為該處是否滿足

若滿足，判斷為可探測區(qū)域；否則判斷為不可探測區(qū)域。

3.1 未束控時的探測性能分析

對發(fā)射陣存在傾角并且未束控的自然狀態(tài)下的探測覆蓋范圍進(jìn)行仿真，并以此作為束控后探測性能的對比參照，以評價束控發(fā)射的效果。

3.1.1 淺海弱負(fù)梯度條件

當(dāng)傾斜角為5°時，探測距離分別為30、70、110和150 km，對應(yīng)的發(fā)射陣可探測范圍如圖6所示。為表現(xiàn)直觀，優(yōu)質(zhì)因數(shù)小于傳播損失的區(qū)域均已置零?？梢姰?dāng)距離較近時探測覆蓋范圍較大，方位角為±90°附近的區(qū)域富余能量較多，尤其是陣中心深度所在的100 m海深處。距陣較遠(yuǎn)處基本只能探測到方位角為±90°附近的區(qū)域。

圖6 淺海弱負(fù)梯度各距離處探測情況

3.1.2 深海夏季水文條件

同樣是5°傾斜角的狀態(tài)，在深海夏季水文條件下，探測距離為30、70、110、150 km，發(fā)射陣可探測范圍如圖7所示。圖中小掠射角聲線被限制在聲道內(nèi)傳播。30 km處深度大于600 m處探測效果較好，深度小于600 m處于盲區(qū)；而70 km處探測性能較好的區(qū)域則在500～1 000 m處，可見深海情況下探測比較依賴于聲線的走向，同深度的可探測區(qū)域具有不連續(xù)性?？紤]到通常情況下目標(biāo)深度不會過深，目前僅統(tǒng)計深度小于600 m處的可探測的覆蓋范圍。

圖7 深海夏季各距離處探測情況

3.2 束控效果驗證

束控發(fā)射可通過補(bǔ)償各陣元之間的發(fā)射時延實現(xiàn)聲場的重新分布，期望通過束控發(fā)射得到最佳的聲場分布，以實現(xiàn)最大化發(fā)射陣探測覆蓋范圍的目的。具體過程如下，對左陣編號為n的陣元補(bǔ)償時延τBn，對右陣編號為n的陣元補(bǔ)償時延–τBn。其中

各傾斜角狀態(tài)下體積陣的全方位角的發(fā)射聲壓級的平均值隨τB的變化趨勢如圖8所示。

圖8 平均聲壓級變化趨勢

由圖可得，隨時延τB增加，平均發(fā)射聲源級均經(jīng)歷了一個先提升再降低的過程，為確保發(fā)射聲源級處于較高水平，因此定義

設(shè)未束控狀態(tài)下可探測的總體積為V，束控后的可探測體積為VτB。以

為判斷束控效果的準(zhǔn)則，尋求最優(yōu)的束控時延。

3.2.1 淺海弱負(fù)梯度條件

淺海弱負(fù)梯度條件下RτB的變化趨勢如圖9所示。圖中的虛線表示在該傾斜角下τBT的值，均滿足τBT之前RτB先增大后減小，在τBT之后RτB繼續(xù)衰減。因此可取式（9）作為尋求最佳束控時延的范圍。取RτB的極值對應(yīng)的τB作為最佳束控時延，由圖可見，當(dāng)傾斜角達(dá)到 3°、5°、8°和 12°時的最佳束控時延分別為0.04、0.09、0.15、0.26 μs，對應(yīng)的改善率分別為1.039、1.140、1.203和1.261，也可知在傾斜角較大的情況下束控效果最佳，此處最佳僅指相同海況下與束控前相比，由于隨著拖曳傾角增大，在各方位角上發(fā)射聲源級起伏加劇、總體發(fā)射聲壓級降低，總覆蓋體積仍然是隨著傾斜角的增大而呈下降趨勢。

圖9 各傾斜角下RτB隨τB變化趨勢

3.2.2 深海夏季水文條件

深海夏季水文條件下RτB的變化趨勢如圖10所示。由圖可知深海情況下改善率RτB的變化趨勢與淺海近似，傾斜角為 3°、5°、8°和 12°時最佳的τB分別為 0.03、0.08、0.19、0.31 μs，對應(yīng)RτB分別為1.059、1.253、1.393 和 1.513。

圖10 各傾斜角下RτB隨τB變化趨勢

3.2.3 束控后探測情況分析

分別取陣傾斜角為 5°時的最佳束控時延仿真，結(jié)果如圖11～12。由圖11～12和圖6～7的對比可以看出，束控后發(fā)射能量在各方位角相對比較均勻，而不是自然狀態(tài)下集中于±90°附近的區(qū)域。在沒有目標(biāo)先驗條件的情況下，目標(biāo)出現(xiàn)在各處的概率是相等的，因此將探測覆蓋體積最大化就能將探測到目標(biāo)的概率最大化。

圖11 淺海弱負(fù)梯度τB=0.09μs

圖12 深海夏季τB=0.08μs

4 總結(jié)

通過上述仿真實驗可知，束控發(fā)射對于不同方位角上的發(fā)射聲壓級以及聲場傳播損失都有影響，但對于傳播損失的影響相對較小，不足以改變可探測區(qū)域的深度。由深海夏季的仿真結(jié)果可以看出，通過束控發(fā)射基本無法改變會聚區(qū)位置。但是束控發(fā)射可以在很大程度上改變不同方位角上的探測情況。

發(fā)射陣的實際使用過程中，淺海弱負(fù)梯度以及深海夏季水文條件下，陣傾角不大時的最佳束控方式差異不明顯，主要考慮選取適當(dāng)時延使得各方位角上發(fā)射聲壓級較大且較為穩(wěn)定；在拖曳傾角較大的情況下，需要結(jié)合當(dāng)前水文條件，兼顧不同方位角上的發(fā)射聲壓級以及傳播損失，以得到適合當(dāng)前環(huán)境的束控方式。在仿真結(jié)果中淺海弱負(fù)梯度水文條件需較小時延進(jìn)行束控；而深海夏季水文條件下所需束控時延較大。

當(dāng)工作海區(qū)的水文條件不明確時，可先估計發(fā)射陣的拖曳傾角大小，確定適當(dāng)?shù)氖貢r延優(yōu)先，確保各方位角上發(fā)射聲壓級較大且較為平穩(wěn)，盡量降低全陣水平指向性，以得到盡可能大的探測覆蓋體積，提升發(fā)射陣的工作性能。