2008年第22卷第1期测试技术学报V ol.22 N o.1 2008 (总第67期)JOURNAL OF TEST AND MEASUREMENT TECHNOLOGY(Sum N o.67)
文章编号:1671-7449(2008)01-0055-04
高学强，杨日杰，周旭
(海军航空工程学院信息融合研究所，山东烟台264001)
摘 要: 结合潜艇利用跃变层规避主动声纳探测的战术背景，对跃变层对主动声纳的搜潜概率影响进行了
研究.建立了主动声纳搜潜的数学模型，利用平滑平均声场理论估算了跃变层时的声传播损失，推导了主动
声纳的探测概率公式，分析了跃变层深度、厚度及声速跃变差对主动声纳搜潜概率的影响，并进行了仿真. 结果表明：跃变层对主动声纳的搜潜概率有明显影响.
关键词: 水声对抗；潜艇规避；跃变层；搜潜概率
中图分类号: T J630;T B566 文献标识码:A
Simulation Research on the Effects of Thermocline
on Active Sonar Searching Submarine
GAO Xueqiang,YA NG Rijie,ZHOU Xu
(Resear ch I nstitute of Info rmat ion F usion,N av al A er onautical Eng ineer ing Institute,Y antai264001,China) Abstract: Accor ding to the tactical backg round that submarines use ther mocline to escape active so nar, the effect of therm ocline on activ e sonar sear ching submarine w as studied.The mathem atical m odels w er e built firstly;and according to sm ooth av erag ed sound field in shallow w ater the transmission lo ss w as given out.On these bases,the detectio n pro bability o f active sonar w as then deduced.The effects of ther mocline’s depth,thickness and sound velocity change on searching subm ar ine probability w ere discussed,and lastly simulations were made.T he r esearch results show that thermocline has an important effect o n the searching submarine effectiveness of active sonar.It is of pr actical g uiding sig nificance in antisubmarine battles and training.
Key words:aco ustic w arfare;submarine evasion;thermocline;searching subm ar ine probability
跃变层(或称温跃层)是海水温度随深度急剧变化的一个水层，通常这一水层较薄，它将海水分成上下水温截然不同的两层.它的厚度常常有十几米到几十米，热带地区可达100m以上.当声源位于跃变层上方的等温层时，声线经过跃变层时会发生强烈的折射，声强显著衰减，声纳的作用距离大大减小.通常跃变层下面的声纳很难接收到跃变层上面的目标信号，反之亦然.但是当目标和声纳同处于跃层上(下)时，声传播条件相对稳定，此时探测目标相对较容易.利用跃变层躲避敌方声纳的探测是潜艇水声对抗中经常采用的战术之一.
关于跃变层的声传播理论，国内外学者已经进行了许多研究，也取得了一定的研究成果[1-4].但这些成果都集中在声信号在跃变层中的传播及参数反演方面，对于其战术应用涉及较少.文献[5]对潜艇利用跃变层对抗进行了简单研究.以上工作均没有从跃变层的深度、厚度、声速跃变差等方面出发，研究其对声呐搜潜概率的影响.但经过研究发现，跃变层的深度、厚度、声速跃变差对声呐的搜潜概率
磨内喷水收稿日期:2007-01-05
基金项目：国家自然科学基金资助项目(60472161)
作者简介：高学强(1976-)，男，博士生，主要从事水声对抗、信号处理等研究.
有明显的影响.为此，本文根据主动声纳探潜的工作过程，结合潜艇的战术规避背景，对跃变层对主动声纳搜潜概率的影响进行了研究，并给出了仿真结果及结论.
1 主动声纳搜潜模型
1.1 噪声掩蔽下的主动声纳方程
噪声掩蔽下的主动声纳方程为
SL -2T L -N L +T S +DI =DT ,
(1)式中:SL 为主动声纳的发射声源级;T L 为声传播损失;N L 为接收背景噪声级;TS 为潜艇的目标强度;DI 为指向性指数;DT 为接收检测阈.
1.2 海洋环境噪声
作为声呐参数的海洋环境噪声级，可利用一些数值模型(如ANDES 模型和AM BENT 模型等)进行计算，也可通过查考一些实际测量曲线获得，还可借助某些经验模型进行测算.对于浅海，有一种计算噪声谱级的公式为[6]
N L =101gf
-1.7+6S +55,(2)式中:f 为频率，单位:kHz;S 为海况等级(S =0,1,2,…,9).
1.3 搜潜概率
对于主动声纳来说，其接收机的检测阈DT 有如下表达式
DT =10lg (S /N )in =SL -2T L -N L +T S +DI ,(3) 假设声纳的接收机采用能量检测，并采用平方检波，则高斯噪声背景下检测信号的最佳接收机有如下特性[7]
(S /N )out =B T (S /N )in ,
(4)式中:B 为接收机的带宽，单位:Hz ;T 为积分器的积分时间，单位:s .
wol
高斯噪声背景下，小信噪比时接收机的检测特性为
P d =1-G (G -1(1-P f )-(S /N )1/2out ),(5)
式中:P d 为系统在虚警概率P f 下的检测概率;G (・)为标准正态分布函数.
将式(3)，式(4)代入式(5)并化简整理，可得主动声纳的搜潜概率
P d =1-G [G -1(1-P f )-(B T 10SL -N L -2TL +TS +D I 10)1/2],(6)
2 跃变层的声传播特性
图1所示为浅海跃变层模型，其上部均匀层厚度(跃变层发生的深度)为h 1，声速为c 1；下部均匀层图1 浅海跃变层模型Fig .1 T he model of therm ocline in s hallow water
厚度为h 2，声速为c 2；跃变层厚度为h 3，跃变层中声速随深
度线性减小;c 1-c 2为声速跃变差.
假设海面为平表面，反射系数为-1，假定小掠射角的
海底反射损失正比于海底掠角 ，令V b 为海底的相干反射系
数，则
-ln V b ( ) =K ,
(7)式中:K 为比例系数.
根据平滑平均声场理论[8]，此时有声强计算公式
I (z 1,z 2,r )=4r ∫ /20ex p [-2 ( 1)r ]S ( 1)tan 2d 1,(8)式中:z 1,z 2为声源与目标深度;r 为声源至目标的水平距离; 1与 2是本征射线在上、下均匀层中的掠56测试技术学报2008年第1期
角, 2 2
1+[2(c 1-c 2)]/c 1.S ( 1)为本征射线一个循环的水平距离; ( 1)为指数衰减系数.根据小掠射角声线的公式，有
S ( 1) 2h 1/ 1+4h 3/( 1+ 2)+2h 2/ 2,
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(9) ( 1)=- 1ln V b ( 2) /[2h 1+4 1h 3/( 1+ 2)+2 1h 2/ 2].(10) 从
1与 2的关系式可以看出：对于同样的声发射信号波束，声速跃变差会直接影响 2的计算.此外由式(9)，式(10)还可以看出：跃变层深度h 1、跃变层厚度h 3、声速跃变差c 1-c 2(影响 2的计算)等参数均会直接影响到S ( 1), ( 1)的计算.由式(8)知,S ( 1)和 ( 1)是计算声强的重要积分参数.因此，跃变层深度、厚度及声速跃变差会对声强有影响.
将式(8)代入声传播损失的定义T L =10lg [I (1)/I (z 1,z 2,r )]可得一定水平距离r 时的声传播损失.然后把求得的声传播损失代入式(6)，即可得主动声纳对潜艇的检测概率.
当距离r 较远时，可以求式(8)的渐近值，有
I (z 1,z 2,r ) 2h 1
[ln v b ( *2) ]2c 12(c 1-c 2)1r 3=h 12K 2(c 1c 1-c 2)3/21r 3,(11)
式中: *2=2(c 1-c 2)/c 1.从式(11)可以看出，声波穿过浅海跃变层传播时，远距离的声强按r -3衰减；随着跃变层深度h 1和声速跃变差c 1-c 2的增加而减小.
3 仿真分析
经过上面分析，可以看出：不同的跃变层深度h 1、声速跃变差c 1-c 2、跃变层厚度h 3，会直接影响声强I (z 1,z 2,r )及声传播损失的计算，从而将对主动声纳的搜潜概率产生影响.
3.1 跃变层深度对搜潜概率的影响
假设探测声纳位于跃变层上方，深度为50m ，潜艇位于跃变层下方，深度为300m ,
上部均匀层声图2 跃变层深度对搜潜概率的影响Fig .2 T he effect of th ermocline ’s depth on searching subm arin e probability
速c 1=1540m/s，下部均匀层声速c 2=1460m /s,
跃变层厚度h 3=50m ，海深h =500m，声纳和潜艇
奇案秘录的水平距离r =2000m ，目标反射强度T S =20dB ,
主动信号声源级SL =180dB，海况等级S =3，频率
f =10kHz，指向性指数DI =6dB，接收机带宽为B
=660Hz ，积分时间T =20s ,K =4，虚警概率P f =
10-4，则当跃变层深度h 1在100m ～200m 变化时,波洛克
由式(6)和式(8)可得主动声纳的搜潜概率，如图2
所示.
可见，在声纳、目标深度、目标距离确定的态势
下，随着跃变层深度的增加，主动声纳的搜潜概率逐
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渐下降.这说明，跃变层在声速跃变差、厚度等为一
定的情况下，其发生的深度对声纳的搜潜概率有明
显影响.然而，在实际训练中人们却往往会忽视这一点.
3.2 声速跃变差对搜潜概率的影响
假设探测声纳位于跃变层上方，深度为150m ，上部均匀层厚度h 1=200m ，下部均匀层厚度h 2=250m，其它仿真参数和仿真1相同，则当下部均匀层声速c 2=1460m /s ～1520m/s 时，由式(6)和式
(8)可得主动声纳的检测概率，如图3所示.可见，随着声速跃变差的增加，主动声纳的搜潜概率显著下降.这说明在跃变层深度、厚度均为一定的情况下，跃变层上下声速差别越大，声强衰减就会越大，从而导致主动声纳的搜潜效果下降也愈明显.57(总第67期)跃变层对主动声纳搜潜概率影响仿真研究(高学强等)
图3 声速跃变差对搜潜概率的影响
Fig .3 Th e effect of s ou nd velocity ch ange
on searchin g s ubmarine
probability 图4 跃变层厚度对搜潜概率的影响Fig .4 T he effect of thermocline ′s thick nes s on sea
rching subm arin e probability
3.3 跃变层厚度对搜潜概率的影响
假设h 2=250m ，其它仿真参数和仿真1相同，则当跃变层厚度h 3在100m ～200m 变化时，由式(6)和式(8)可得主动声纳的搜潜概率，如图4所示.
可见，随着跃变层厚度的增加，主动声纳的搜潜概率逐渐增大.这是因为在跃变层深度、声速跃变差均为一定的情况下，跃变层厚度越大，同样的深度下其对声强衰减相对变小，因此反而使主动声纳的搜潜概率有所提高.
4 结束语
本文根据主动声纳的搜潜过程，通过建立有关数学模型，仿真研究了跃变层对声纳搜潜概率的影响.研究结果表明：跃变层的深度、厚度及声速跃变差对主动声纳的搜潜概率有明显的影响，这对于指挥员在反潜战中如何根据跃变层的实际位置确定合适的搜潜策略具有实际的指导意义.为克服跃变层的影响，现在大多采用变深声纳进行搜潜，只要把变深声纳的换能器放到跃变层下面，就比较容易探测到潜艇.参考文献:
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