主动声纳探测性能预报分析及软件设计∗

朱 伟 冯金鹿 李宵宇

（杭州应用声学研究所 杭州 310012）

1 引言

在现代的海军战术研究中，声纳的战法研究越来越受到海军的重视。如果在特定的海区，能够预先知道已方声纳的作用距离、区域内的探测能力，就会大大的增加声纳的战斗力。根据主动声纳方程，影响声纳作用距离的参数有声源级、传播损失、目标强度、噪声级、接收指向性指数、等效平面波混响级、检测阈。在实际使用过程中，声纳作用距离存在较大的不确定性，传播损失的准确性，目标强度的起伏，噪声级、混响级的起伏，不同方位的干扰等都会引起声纳作用距离预报的准确性。主动声纳方程有两种形式：一种是用于确定克服噪声背景的性能，另一种用于确定克服混响背景的性能。尽管还有一些方程形式将两种背景结合在一起去估计性能，但是将噪声与混响性能分开来计算是有益的，这样做可以更好地理解在设备参数变化时以及在不同环境下工作时会有什么样的效果［1］。因此本文深入分析了噪声限制下的主动声纳方程和混响限制下的主动声纳方程，并且分析了具体参数对声纳作用距离的影响，结合试验数据，提出了混响级和噪声级的估算方法，最后提出了主动声纳性能预报系统方案，并编写了性能预报软件。

2 主动声纳方程

噪声限制下的主动声纳方程：

引入信号余量SE：

其中(N-DI+10 lg B)是全部带宽上的，波束内的噪声，而(5lg d-10 lg BT-5lg n)是检测门限。

混响限制下的主动声纳方程是

其中(SL-2TLR+TSR)是全部带宽上的波束内的混响，(5 lg d-10lg BT-5lg n)是检测门限。

在进行声纳性能预报时，需要判断出声纳所处的干扰背景是噪声还是混响。主动声纳在噪声限制和混响限制下的检测能力有很大差异，主要的影响因素也不尽相同。回波信号和混响的强度都是随距离而衰减的，而噪声则保持不变。图1给出了回声级（SL-2TL+TS）、噪声掩蔽级（NL-DI+DT）与混响掩蔽级（RL+DT）随作用距离的变化曲线［2］。

从图1中可以看出，回声级随作用距离下降的速度要比混响掩蔽级随作用距离下降的更快。回声级变化曲线与混响掩蔽级变化曲线、噪声掩蔽级变化曲线的交点，分别代表着混响限制下的主动声纳作用距离Rr和噪声限制下的主动声纳作用距离Rn（或 R′n），可由对应限制条件下的主动声纳方程求得。当混响级高于噪声级，Rr小于Rn，此时，回声淹没在混响背景中，声纳作用距离受混响限制。当由于某种原因造成噪声级增大至图中虚线位置时，R′n小于Rn，此时，回声淹没在噪声背景中，声纳作用距离受噪声限制。

3 仿真分析

噪声限制下的主动声纳方程：声纳作用距离受声源级SL，目标强度TS，噪声级NL，传播损失TL的影响。舰壳主动声纳安装于舰艏导流罩内，主要受到海洋环境噪声和平台自噪声的背景干扰，后者包括机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声三种成分［3］。由于噪声源的种类众多，作用机理十分复杂，因此很难用精确的数学模型来描述声纳环境噪声，通常可以采用典型曲线或经验公式对其作出估计和预报。海洋环境噪声（NL1）连续谱-6dB/每倍频程变化，平台自噪声（NL2）随航速变化，NL2=NL0+60lg（V/V0）且连续谱-6dB/每倍频程变化。综合考虑噪声级NL为：NL=10lg(10NL1/10+10NL2/10)。

环境噪声级取60dB，NL0=70dB，V0=18kn，则本舰航速为10kn，14kn，18kn时的噪声级NL分别为：61.1dB，65.0dB，70.4dB。在特定的传播条件下，如图2所示其作用距离分别为11km，15km，19km，所以声纳的作用距离受噪声级影响明显，与环境噪声和本舰航速密切相关。

目标强度与目标形状、性质和尺寸等因素有关，与主动声纳信号的频率也有密切关系。为尽量防止被反潜声纳探测到，现代潜艇普遍敷设消声瓦以提高自身的隐蔽性。潜艇敷设的消声瓦主要作用是“吸声”，它能在声隐身、减振和降噪等三方面提高潜艇的隐身性能，消声瓦对不同频率的吸收效果也会有较大的差别。目标强度难以计算和鲜有实际潜艇值的公开资料，在相关文献中有许多关于TS的测量结果，大多符合标准的“蝴蝶图”，在声纳设计时一般取潜艇目标强度范围为5dB～25dB。正横方向最大达25dB，艏艉方向最小，约10dB，在45°和135°舷角方向，约为15dB，对于主动声纳而言，目标姿态角的变化，会导致目标强度发生较大的变化。

如图 3所示，分别为 TS=5dB，TS=10dB，TS=15dB时相应的回声级与噪声级的图，相应的声纳作用距离为：15km，17km，21km，由此可见，目标姿态角的变化引起目标强度变化，从而导致声纳作用距离发生明显变化。所以在预报声纳作用距离是有必要引入参数：目标姿态角。

目标深度对探测距离的影响，图3中为中等水文条件下，目标深度为30m、60m、90m对应的声纳作用距离分别为：14km、15km、17km，在该水文条件下，声纳作用距离随目标深度变化相对较小。

混响限制下的主动声纳方程：

当回波信号与混响具有相同的传播途径时，2TL=2TLR。混响目标强度TSR=Sb+10lg A，主要混响源通常处在海面、海底处，或者在具有海水体积的一个水平层中，因此：

其中θh为水平波束宽度，Sb为海底散射强度。由SE=0可得混响限制条件下的主动声纳作用距离［4］：

其中10lg(B/θh)就是混响指数（RI），是衡量及比较抗混响背景性能的有用指标。R为混响背景下的作用距离。

对以海底混响为主的情况下，声纳作用距离与声源级关系不大，特别是浅海环境下。θh为水平波束宽度，Sb为海底散射强度、信号带宽为影响作用距离的关键因素。通常情况下，声纳设计完成后θh和信号带宽为固定值。

给定主动声纳参数：脉宽1s，带宽B=1000Hz，目标强度TS=10dB，θh=16°，5lg d=12，5lg n=3，当Sb=-33dB～-37dB时对应的混响限制下的作用距离如表1所示。

表1 不同Sb下声纳作用距离

从表1中可以发现Sb值对混响限制下的声纳作用距离有很大的影响，所以Sb值是在主动声纳探测性能的确定与设计中具有重要影响的参数。要提高主动声纳探测性能预报的准确性，需要对可能遇到的Sb值作出正确估计。另外在混响限制区，目标强度也是影响声纳探测性能的重要参数。

4 性能预报软件设计及实现

主动声纳性能预报软件主要涉及声纳工作参数，海洋环境参数，目标信息的设置，利用回波估算混响级和噪声级，预报当前工作环境下的声纳最大作用距离和全向探测性能，进行声纳使用支持。

主动声纳性能预报实现过程：

1）确定声纳本身的工作参数，主要包括工作频率、带宽、脉宽、声源级。

2）建立海洋环境参数。海洋环境有声速梯度，海底底质，海底吸收，海底密度等，声速梯度可以利用实际的测量数据，也可以采用典型声梯数据。海底底质、海底吸收、海底密度等参数选用经验值或者数据库中的值。

3）目标信息设置。目标信息指目标反射强度，目标深度。目标的反射强度随目标类型、信号频率、目标姿态角变化。

4）根据信号频率和精度要求选择KRAKEN模型计算传播损失。

5）混响级、噪声级计算。利用声纳回波数据估算混响级和噪声级，比较确定使用混响背景下声纳方程，噪声背景下声纳方程。在实际使用中，按照设置的声纳工作参数发射后接收的回波中，包含混响和噪声，通过回波数据估算混响级和噪声级，通常情况下，在某个距离上，回波能量不再随距离变化，该距离以内估算得到的为混响级，使用混响限制下的声纳方程预报作用距离；该距离之外的为噪声级，使用噪声限制下的声纳方程预报作用距离。

6）计算SE，将不同波束、不同距离点的SE都作为预报软件的输出。SE=0处对应声纳最大作用距离。SE越大，画面越亮，表示该区域探测到目标的概率越大。

图5 为本文设计的主动声纳性能预报画面，分三个区域，上半部分为360°全向的声纳探测性能显示，右下角为参数设置区域，分别设置声纳工作参数、环境参数、目标参数，左侧显示声速梯度和传播损失。

5 结语

本文以主动声纳方程为基础，重点分析了海底散射强度、平台噪声、目标信息（目标姿态角，目标深度）等关键参数对声纳作用距离的影响，针对混响级和噪声级，提出了估算噪声级、混响级的方法，用于声纳性能预报，可提高预报的准确性，并以此构建了舰壳主动声纳性能预报系统。

该软件可用于预报与分析，不同声纳工作参数、环境参数、目标参数下的声纳探测性能、作用距离。影响声纳作用距离的参数有很多，要提高预报的准确性，需要尽可能地获得准确的参数值，比如海底散射系数、海底底质、声速梯度等，需进一步研究。