噪声干扰器最佳布放位置与深度研究

杨日杰，苗康乐，韩建辉，战和

(海军航空工程学院 电子信息工程系，山东 烟台264001)

0 引言

火箭助推低频宽带噪声干扰器(以下简称噪声干扰器)是一种常用的水声对抗器材［1］。当舰艇受到敌方潜艇被动声纳探测、跟踪或线导鱼雷攻击时，通过火箭助推器将噪声干扰器布放到靠近敌方潜艇的海域，噪声干扰器悬浮于预定深度并发射大功率低频宽带噪声信号以降低敌方潜艇被动声纳的作用距离和探测、跟踪性能。舰艇可在其掩护下采取规避措施，离开敌方潜艇的探测范围［2-3］。

目前，对噪声干扰器干扰效果的研究主要集中于距离和方向参量的影响［4］，深度参量的影响从未见诸公开报道。这是由于以往在相关研究中普遍采用球面波扩展损失公式计算噪声信号的传播损失，而这种方法本身的局限性决定了不能对深度参量的影响进行讨论。实际上，在水下声场传播中声源深度是影响传播结果的重要参量之一，同样，噪声干扰器的工作深度对干扰效果也具有很大的影响。

本文利用噪声信号传播模型，在给定的战场态势和海洋环境下，对噪声信号的水下传播结果进行计算，并基于计算结果分别分析了噪声干扰器布放位置和深度对其干扰效果的影响，进而确定了噪声干扰器的最佳布放位置和深度。

1 噪声信号传播模型

Kuperman 等曾对宽带声信号传播问题进行过研究，并将宽带声信号传播问题的解决方法归结为2 种［5-6］:1)直接在时域内寻求问题的解;2)利用单频连续波(CW)信号传播结果的傅里叶频率合成在频域内求解此问题。同时指出，直接在时域内求解问题需要重新开发一套全新的传播模型和计算程序，且计算效率往往比频域计算方法低2 ～3 个数量级，就水声学中有实际意义的大多数问题而言选用傅里叶频率合成方法更为有利。

首先考虑对噪声信号的频域分解，取满足狄利克雷条件的带限噪声信号x(t)，其频带范围为0 ～由连续信号的正交分解原理可知，x(t)可以用一个直流分量和一系列谐波分量之和来表示:

式中:φm为mΔf 频率分量上的初始相位(Hz).

以采样频率fs对噪声信号x(t)采样，显然采样间隔为对x(t)取长度为N 的离散信号序列x(n)，则有

对x(n)做N 点快速傅里叶变换(FFT)可以得到长度为N 的频谱序列X(k)，由离散傅里叶变换(DFT)的定义式有

由(4)式可知，对k=0 有

将(6)式带入(5)式可得

由(7)式和(8)式可以推出

将(9)式和(10)式带入(1)式就完成了对噪声信号x(t)的频域分解，x(t)的各频率分量分别为

利用常用的声学模型可以对噪声信号各个频率分量的传播结果进行计算，对各个频率分量的传播结果再进行频域合成，就可以得到带限噪声信号的传播结果。

噪声信号传播模型如图1 所示。射线模型RAY、波数积分模型FFP、简正波模型NM、抛物方程模型PE 四个模型各有其优缺点，是目前业界公认有效的声学传播模型［7］。在本文计算中，目标海域为我国周边常见的浅海环境，需要处理的干扰器噪声和舰船辐射噪声都集中于低频，故选择了适宜浅海环境低频信号传播计算的简正波模型［8］，并采用了声学权威Porter 等开发的简正波计算程序。

图1 噪声信号传播模型Fig.1 Noise signal propagation model

2 战场态势设定及分析

如图2 所示，舰艇在距离敌方潜艇15 km 时受到跟踪或攻击，并发射噪声干扰器对敌进行干扰。图中:θ 为噪声干扰器与舰艇相对潜艇的开角;R 为噪声干扰器与潜艇间的距离。

图2 战场态势示意图Fig.2 Battleground situation

在图2 态势下，由于潜艇对舰艇探测或跟踪时会将被动声纳主瓣对准舰艇，所以，噪声干扰器发射信号在潜艇被动声纳处被抑制以后的等效噪声级为

式中:SL 为噪声干扰器发射声源级;TL 为传播损失;D(θ)为被动声纳的归一化指向性函数。RLeq越大被动声纳的接收信噪比越低，干扰效果越好，所以采用RLeq作为判定噪声干扰器干扰效果的指标，以下简称其为潜艇接收等效噪声级。

3 噪声干扰器最佳布放位置和深度

设该海域海深100 m，如图3 所示其声速梯度为理想负梯度。海水密度1.04 g/cm3，海面为理想的平整压力释放界面，海底为弹性半空间，海底声速1 600 m/s，海底密度1.5 g/cm3，海底吸收系数为0.2 dB/λ，海水对低频信号的吸收系数极小，将其忽略。

图3 海水声速梯度Fig.3 Sound speed gradient of seawater

设潜艇位于50 m 深度，其被动声纳接收指向性系数DI=15 dB. 设噪声干扰器的最大射程6 km，发射声源级160 dB，发射信号为500 ～2 000 Hz 的带限白噪声信号。

3.1 噪声干扰器θ 的影响

(12)式的归一化指向性函数D(θ)只有在θ =0°处的值为1，在其他角度处的值分布于0 ～1 之间，由此可知20lgD(θ)≤0 且只在θ =0°处等于0，所以RLeq总在θ =0°处取得最大值。说明，在其他因素一定的情况下，将噪声干扰器布放于潜艇和舰艇连线上可以获得最好的干扰效果。

3.2 噪声干扰器R 的影响

为方便起见，在噪声干扰器的深度恒30 m 情况下讨论噪声干扰器R 的影响。由噪声干扰器最大射程及3.1 节的分析可知，舰艇可以尝试将噪声干扰器布放在舰艇与潜艇连线上距离潜艇9 km 以上的位置来获取最好的干扰效果。在给定的噪声干扰器R 下，由噪声传播模型对噪声干扰器发射信号的计算结果，可得出潜艇对干扰信号的接收噪声级为

再考虑到干扰器布放于舰艇与潜艇连线上，由(12)式可以得到此时潜艇接收等效噪声级为

由(14)式计算得到的潜艇接收等效噪声级随R的变化如图4 所示。

图4 潜艇接收等效噪声级随距离变化图Fig.4 Change of noise level received by submarine with distance

由图4 可见，9 ～15 km 内，随着R 的增加，潜艇接收等效噪声级呈波动减小的变化规律，这是由于声波在海水中的反射、混响等现象会导致传播损失随距离波动增加，文献［9］中的实验结果也具有相似的规律。图中舰艇接收噪声级的最大值位于9.6 km 处，这说明并非将噪声干扰器布放到距离潜艇越近的位置干扰效果就越好，而是应该在距离潜艇较近的地方结合海洋环境条件合理选择最佳布放位置。

3.3 噪声干扰器深度的影响

3.2 节中，在深度恒为30 m 的情况下，计算出噪声干扰器在R 为9.6 km 时可以得到最好的干扰效果。

因为噪声干扰器悬浮于水中工作，所以令其深度在1 ～100 m 变化，分别利用噪声传播模型计算出噪声干扰器发射信号的传播结果，由(14)式可以得到潜艇接收等效噪声级随深度的变化如图5 所示。

图5 潜艇接收等效噪声级随深度变化Fig.5 Change of noise level received by the submarine with depth

由图5 可知，将噪声干扰器布放于1 m 深度时，潜艇接收等效噪声级取得最小值约87.7 dB，将噪声干扰器布置于50 m 深度时，潜艇接收等效噪声级取得最大值约98.2 dB. 深度在1 ～100 m 之间变化时，潜艇接收等效噪声级的最大值与最小值之差高达10.5 dB. 而反观图4，当噪声干扰器对潜距离在9 ～15 km 之间变化时，潜艇接收等效噪声级的最大值与最小值之差仅约4.3 dB. 这说明噪声干扰器深度对干扰效果的影响不但是不可忽略的，在远场条件下甚至能起到比对潜距离更大的影响。

3.4 最佳布放位置和深度

令噪声干扰器在舰艇与潜艇连线上距离潜艇9 ～15 km 之间变化，并在每个距离点上计算1 ～100 m之间所有深度值上的潜艇接收等效噪声级，可以得到潜艇接收等效噪声级随噪声干扰器R 和深度变化的三维图如图6 所示。

图6 潜艇接收等效噪声级随距离深度变化Fig.6 Change of noise level received by the submarine with distance and depth

由图6 可看出，在深50 m 和85.0 m 附近潜艇接收等效噪声级有2 个明显的峰值区域，在二者之间，潜艇接收等效噪声级变化较为平缓，所以将噪声干扰器布放于45 ～95 m 的深度之间都可以取得比较好的干扰效果。当深度小于45 m 时，随着深度的降低，潜艇接收等效噪声级急剧下降，所以将噪声干扰器布放于深度小于45 m 的水层将大大降低干扰效果。图6 最大值对应的对潜距离和深度分别为9.2 km和50 m. 即在本文设定的战场态势和海洋环境下，噪声干扰器的最佳布放位置为舰艇与潜艇连线上距离潜艇9.2 km 处，最佳布放深度为50 m.

4 结论

在给定的战场态势和海洋环境下，首先分析了噪声干扰器θ 对干扰效果的影响，证明在其他因素一定的情况下，将噪声干扰器布放于潜艇和舰艇连线上可以获得最好的干扰效果，又通过数值计算分别研究了噪声干扰器R 以及布放深度对干扰效果的影响，得到了与前人实验结果相似的传播损失随距离变化规律，并证实了在远场条件下噪声干扰器的布放深度对干扰效果的影响比其R 的影响更大，而在之前的研究中深度参量的影响一直是被忽略的。在此基础上，通过进一步计算得到了噪声干扰器的最佳布放位置和深度。利用噪声传播模型计算潜艇的接收噪声级有效提高了结果的精确度，突破了已有方法的局限性，该方法可推广应用于水声对抗等领域很多问题的计算中。

References)

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