强声源对低频主动拖线阵声纳的干扰效果研究＊

何 彪 韩树平

（海军潜艇学院学员三队1） 青岛 266042）（海军潜艇学院水声中心2） 青岛 266042）

1 引言

日益发展的降噪技术使得传统的被动拖线阵声纳对水下目标的探测能力大幅下降，也催生了低频主动拖线阵声纳，其组成示意图如图1所示［1］。由于工作在低频，并且是远距离探测，其发射基阵较大，发射功率也较高，具有不依赖水下目标的辐射噪声，远距离警戒等特点［2］。常规的水声对抗器材由于受到工作时间、干扰范围等的限制无法对其形成有效的干扰，而装载在水面船舶上的强声源（声源级大于180dB）克服了上述缺点。本文提出使用强声源对低频主动拖线阵声纳进行压制性干扰的方法，对影响其干扰效果的几个因素进行了仿真分析。

图1 低频主动拖线阵声纳示意图

2 强声源对低频主动拖线阵的干扰

在噪声背景下，低频主动拖线阵声纳受到强声源干扰时的声纳方程为其中，SL为低频主动拖线阵声纳发射阵的发射声源级，TL（R）为水下目标与低频主动拖线阵声纳之间的距离为R时的传播损失，TS为目标强度，DI为低频主动拖线阵声纳接收阵的接收指向性指数，DT为低频主动拖线阵声纳接收阵的检测阈，NL1为干扰噪声级，定义为［3～6］

式中，NL为环境噪声级，SLj为强声源的干扰声源级，Δfj为强声源的工作带宽，ΔfT为低频主动拖线阵声纳接收阵的接收带宽，假定Δfj＝ΔfT，TL（rj）为强声源到低频主动拖线阵声纳的距离为rj时的传播损失，D（θ）为低频主动拖线阵声纳接收阵的指向性函数，使用D（θ）中相邻两个极小值方向夹角的分角线方向来近似旁瓣的方向［3，7］，可得式中，N为低频主动拖线阵声纳接收阵的阵元个数，dr为低频主动拖线阵声纳接收阵的阵元间距，λ为发射声信号的波长，k为低频主动拖线阵声纳接收阵波束的旁瓣序号（k＝0表示主瓣）。由于需要满足sinθ＝λ（k＋0.5）／（Ndr）≤1，故k的取值范围应为［0，Ndr／λ－0.5］。强声源处于哪一个旁瓣，k就取相应的值，旁瓣序号k使用下式计算

其中，θt为水下目标相对于低频主动拖线阵声纳接收阵的方位角，θj为强声源相对于低频主动拖线阵声纳接收阵的方位角，round（·）函数的定义如下

从式（4）可以看到，旁瓣序号k和水下目标与强声源之间的方位开角｜θt－θj｜大致相对应，｜θtθj｜越大，k的取值越大。将NL1带入式（1）化简得

假定传播距离小于2km时以球面波传播，而当传播距离大于2km时以柱面波传播，忽略吸收损失，则当低频主动拖线阵声纳的探测距离R（km）满足R≥2km时有

代入式（6）可得

当DI和DT为定值时，M为常数，从式（9）可见R与 10SL／20、10TS／20和 10TL（rj）／20呈正比关 系，与10SLj／20和｜D（θ）｜呈反比关系。

3 干扰效果仿真分析

设低频主动拖线阵声纳的工作频率为1kHz，接收阵的阵元数N＝64，阵元间距dr＝0.75m，发射阵的发射声源级SL＝210dB，发射脉冲宽度T＝2s，强声源的干扰声源级SLj＝185dB，4级海况时在1kHz工作频率上的环境噪声级NL＝70dB［8］，强声源开始工作之后使得低频主动拖线阵声纳接收阵在虚警概率Pf＝10－5时的检测概率由Pd＝0.9下降为Pd＝0.1。由上述假设条件可知，低频主动拖线阵声纳接收阵的指向性指数DI＝10lgN≈18dB。

当低频主动拖线阵声纳的接收阵使用匹配滤波器对回波进行检测时，低频主动拖线阵声纳接收阵的检测阈DT＝10lg（d／2T）［9，11］，其中T为确知回波的波形宽度，d为检测指数，满足d＝［Φ－1（Pd）－Φ－1（Pf）］2，Φ（·）为标准正态分布函数，计算得DT＝3.5dB。设被探测目标强度TS＝25dB。

基于以上条件，针对影响强声源干扰低频主动拖线阵声纳效果的因素—低频主动拖线阵声纳接收阵波束的旁瓣、强声源到低频主动拖线阵声纳的距离以及强声源的干扰声源级，以低频主动拖线阵声纳的探测距离R为指标，对干扰效果进行仿真分析。

3.1 旁瓣对干扰效果的影响

取强声源到低频主动拖线阵声纳的距离rj＝5nmile（海里），目标相对于低频主动拖线阵声纳的方位角θt＝0°，低频主动拖线阵声纳接收阵波束的旁瓣序号k在［0，31］范围内变化时，低频主动拖线阵声纳的探测距离R的变化规律如图2所示。

图2 旁瓣序号k对声纳探测距离R的影响

由图2可知随着低频主动拖线阵声纳旁瓣序号k的增加，低频主动拖线阵声纳的探测距离R逐渐增大，干扰效果逐渐变差。目标和强声源之间的方位开角｜θt－θj｜越大，旁瓣序号k越大，从而干扰效果就越差。

3.2 强声源到低频主动拖线阵声纳的距离对干扰效果的影响

取强声源相对于低频主动拖线阵声纳的方位角θj＝10°，在目标相对于低频主动拖线阵声纳的方位θt在（－90°，90°）范围内变化，强声源到低频主动拖线阵声纳的距离rj的取值为｛2nmile，5nmile，8nmile｝时，低频主动拖线阵声纳的探测距离R的变化规律如图3所示。

图3 距离rj对声纳探测距离R的影响

图4 干扰声源级SLj对声纳探测距离R的影响

由图3可以看到，随着强声源到低频主动拖线阵声纳的距离rj的增加，低频主动拖线阵声纳的探测距离R呈增大的趋势，干扰效果变差。目标和强声源之间的方位开角越小（θt≈θj），即强声源越靠近低频主动拖线阵声纳接收阵波束的主瓣，干扰效果就越好。这与3.1节中的结论相吻合。

3.3 干扰声源级对干扰效果的影响

取强声源到低频主动拖线阵声纳的距离rj＝2nmile，强声源相对于低频主动拖线阵声纳的方位角θj＝10°，当目标相对于低频主动拖线阵声纳的方位θt在（－90°，90°）范围内变化，强声源的干扰声源级SLj的取值为｛180dB，190dB，200dB｝时，低频主动拖线阵声纳的探测距离R的变化规律如图4所示。

由图4可以看到，随着强声源的干扰声源级SLj的增加，低频主动拖线阵声纳的探测距离R呈减小的趋势，干扰效果有较大的改善。

4 结语

本文提出了使用装载在水面船舶上的强声源对低频主动拖线阵声纳的探测进行压制性干扰的方法，并就低频主动拖线阵声纳接收阵波束的旁瓣、强声源到低频主动拖线阵声纳的距离以及强声源的干扰声源级等三个因素对低频主动拖线阵声纳探测距离的影响进行了仿真分析。通过仿真结果可以看出，对于低频主动拖线阵声纳特定的探测声源级，当强声源的干扰声源级较高、强声源与低频主动拖线阵声纳之间的距离较近、强声源尽量靠近低频主动拖线阵声纳波束主瓣时，可以有效降低低频主动拖线阵声纳的探测距离，取得较为理想的干扰效果。由于装载强声源的船舶能耗、安全性等条件的限制以及对被探测目标先验信息的缺失，应该根据客观实际对上述影响干扰效果的因素进行适当的选择。

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