[发明专利]一种实际使用环境下的声纳作用距离指标的获取方法

说明书

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。