参量阵声纳在水下反潜战中的应用.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.24M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 参量阵声纳在水下反潜战中的应用肖江雨河海大学计算机与信息学院，江苏常州（213022） E-mail: xjygod@163.com 摘要：为改善当前常规反潜声纳探测距离和分辨力的不足，本文提出了新型参量阵反潜声纳的想法。在对常规反潜声纳和参量阵声纳进行比较的基础上，分析了参量阵声纳的优越性。本文介绍了参量阵声纳的理论,对参量阵声纳的特性进行了研究,重点是参量阵声纳远距离探测及高指向性，提出了参量阵声纳系统的简单架构，对水下反潜战中探测声纳新技术进行了有益的探索。关键词：水下远程探测；反潜战；参量阵声纳中图分类号：TG67 随着各种高新技术的迅猛发展，现代潜艇的性能也在不断提高，先进的隐身技术和静噪技术，使潜艇的探测越来越难，潜艇已构成了最重要的水下威胁，先进的探测技术对于水下反潜作战也显得尤为迫切。 1 水下反潜战的意义一方面，由于先进的隐身技术（敷瓦及减振降噪）、传感技术、信号处理技术和水下防御措施的快速发展使反潜作战越来越困难。在近三四十年内，美国和俄罗斯潜艇的辐射噪声大约每年以 0.5～1dB 的速度下降，从而使被检测的距离每年缩小 0.5～2km，由于频率较高的声波在水中衰减快，而老式声纳利用声传播途径又较为单一，所以主动方式下只能达到 5～8km 左右的工作距离，探测距离较近测向精度也很差。这无疑给声呐探测带来了极大挑战。近年来发生了多起潜艇水下相撞事故（如库尔斯克号潜艇事故、英法核潜艇相撞事件）以及潜艇和海面舰艇相撞的事件，都说明水下反潜作战中对水下探测的技术提出了越来越高的要求。[1] 另一方面，作战对象拥有潜艇甚至安静型潜艇，意味着必须尽早开始有效的反潜作战准备，包括收集情报、战场准备、清扫作战区域、监视交通要道，以及保护水面舰艇等。用高新技术改善远程探测系统性能，发展先进的反潜装备已成为掌握制海权，捍卫国家权益、开发海洋资源的首要环节。从世界各国发展海军的战略态势可看出：不论是西方发达国家还是我周边各国，都把潜艇战与反潜战放在现代海战的特别重要地位，不惜投入大量人力财力，研究开发水声远程探测新技术，研制新型声呐系统和设备，以增强他们的潜艇战与反潜战实力。 2 参量阵声纳理论近一个多世纪的研究和实践表明，由于声波在水介质中较电磁波和光波相比具有最小的衰减系数，声波是目前惟一可利用的能够在水中远距离传播的能量形式，是水下远程信息传播的最佳载体。因此，水声研究是实现水下远程探测的基础，各种声呐装备是完成远程探测的手段和工具。在海水中著名的声吸收系数的经典公式，斯托克斯—克希霍夫公式：[2]   2  c 2  3      1( C V C  )1 P （1）    -1-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 其中 ω=２ｆ，ｆ为声波频率，ｃ为声速，ρ 为海水密度，ŋ 为海水粘滞系数，为热传导系数，CV 定容比热，CP 定压比热。由上述公式我们知道，吸收系数是与频率的平方成正比的，即频率越高，吸收愈大，因而声波的传播距离愈小；反之，频率愈低，吸收愈小，因而声波的传播距离愈大。传统的声纳探测如果采用高频超声波，在海水环境下衰减较快，探测距离有限。如果使用低频，为了产生具有足够穿透力的低频，则需要大功率大装备，换能器必须做得大而重，同时大功率会带来大的噪声，反而不利于潜艇本身的隐蔽。而且大振幅声波会形成冲击波造成海水空化现象,由非线性理论我们知道，声波在介质中传播由于非线性效应，波形会发生畸变，产生冲击波，冲击波的形成距离由公式如下：[3]  ( 0 )  1 kM  （2） Xs 这里 0M =u0/c0 , u0 为声波质点振动振幅，c0 为声波在海水中的声速，为非线性系数， k =ω/c0 为波数，显然 u0 越大越容易产生冲击波，其发射的波束角也较大，因而探测分辨率也较差。但是参量阵声纳则能很好的解决这一矛盾。参量阵声纳是基于声波的相互作用的原理，它指的是不同频率的有限振幅声波在一种媒体中传播时，会产生新的频率的声波。如果只考虑两个频率的话，最后产生声波的频率是这两个频率的和差频波。传播的信号称为原波。和频波将很快被衰减掉，主要考虑的就是差频波。差频波沿声轴方向将以相同的速度与原波一起向前传播，并与原波在行进过程中不断产生新的差频波叠加。可以预料，在声轴方向上差频波将达到较大的值，而在非轴方向上，由于非同向叠加，故幅度很小。这就会形成很好的指向性。如果原波是一个宽带信号的话，一般来说，它总可以用傅立叶积分表示，而被积函数是单频正弦波，无限多个频率成分的两两相互作用产生一个宽带差频信号，从而构成了所谓的宽带参量阵。在声参量发射阵中，设两束声波的传播方向相同，第一束声波的角频率为ω1 ，第二束角频率为ω2 ，在参量阵理论中将这两束声波称之为原波，它们的频率称之为原频率。当两个波完全重合，在介质中传播时，两个原波相互作用，从而出现新的辐射源。如果只考虑二阶相互作用，介质中将参量激励起2ω1 ，2ω2，ω1+ω2，ω1-ω2四种频率成分的声波，而后二个频率成分称之为和频波与差频波，由于原波、高频谐波和频波受到的吸收大，故超过一定的距离后只有差频波存在，除了特别指出外，一般所说的参量阵就只指差频波。由于它的指向性很尖锐，频带较宽，可以提高空间分辨率，抗混响，并能获得较高的信号处理增益。[4] 3 参量阵声纳特性的应用 3.1 远距离探测通常的参量阵是用一个特制的发射换能器向介质中发射两个原波．由于介质的非线性，通过互相作用．产生了新的频率成分——差频波的辐射源，这些辐射源向水中辐射声波。于是差频波超声发射的方向与原波一起向前传播。由于水介质的吸收．在传播过程中原波振幅不断减小而最终消失．这样在发射方向上差频波将达到较大的值，也就是说当原波被衰减完时，差频波达到最大，就大大的延长了声纳的探测距离。有些国家的声纳探测距离已经达到 300km。如图1所示 -2-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图1 声参量阵原理图 3.2 准确目标识别差频波在传播的过程中，只在轴向最大，而在其它方向上，由于非同相叠加，故很小，最终又能形成很好的指向性。对目标的分辨率高，能够准确的识别潜艇。我们以圆环形活塞压电换能器为例来讨论。对于原波频率为ω1和ω2两个正弦波来说．假定换能器初始辐射波是两个不同频率的基波， x   1 ePP  即： 1 k  / c 1 1 0 和 t x cos(   1 k  / c 2 2 0 )    2 eP 2 xk 1 是基波的波数， 1 和 2 是基波的吸收系数， d 是差频波（3） cos( xk 2  2  ) t 其中的吸收系数。则二次差频波的声压： ) Rkt  jR  2   d (  d d tRP ),  d ,(   PP 21 Se  d 4  4 Rc 00 其中S为有效的波束截面积，  1 cos )  akJ (2 d 1 ak sin d sin  。（4） kj 2 d 2 sin   ( ) 2  - 1 2 d    B 21 A 为海水的非线性系数， A  00c 2 , B   0 2 ( P 2  0,  2  ) S 式中kd=ω2-ω1／c0 ， a 为活塞的半径。毫无疑问，当 0 时等式（4）得到的声压振幅最大： 2 (  P md tR ),0, PP Se  d 21 4 Rc 4  00 因此得到差频波的指向性：   aR  1    2 1 （5） D )(   ( t RP , ),  d tRP ( ),0, dm   2 ( )   d 2(   cos   2 1 d 1 2 )  akJ (2 d 1 ak sin d sin  （6） k d 2 sin  2  ) 2 众所周知上式右边第二项是圆形活塞的指向性函数，而右边第一项就是虚拟的二次声源阵所产生的指向性，因此参量阵的指向性函数为：[5] -3-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn  d   2 1 2 （7） D d   ( )   ) 2 pD （由此式可以得到虚阵波束宽度即-3dB的波束角 cos sin 2(   k ( d d 2 2 1 2  dB 3 )  1 ) 为： 2 2   3 dB  4 arcsin  d   1 2 k2 d （8）用这公式计算，可以证实参量阵的指向性很强，且波束很窄。例如，对于平均原波频率为 100KHz的原波，如果使之在水中产生差频为10KHz的参量波，则其波束宽度只有2.20左右，而换能器直径只要15cm。可见，它是一种低频超指向声源。如12kHz的正弦脉冲信号对海中目标的分辨率可达到5cm，100kHz的频率其测深精度可达0.02m±0.02%。这就大大的提高了海水中探测的准确率。有实验用常规声呐和参量阵声呐对在250米远处的长度为2米的潜艇模型进行了360o范围内的模拟探测试验。两种声呐的基阵孔径都是23厘米，开角分别为28o和 3o，信号都是15千赫填充的3.5毫秒脉冲。试验结果参量阵声呐的混响级约低l2分贝，因此，全方位的检测概率大大高于常规声呐。[6] 3.3 宽带特性另外一个特点它是一个宽带声源，例如当原波的频率只变化10%，则差频波就可能变化若干个倍频程，，可根据实际海域情况来选择最佳的工作频率，达到最佳的探测效果。因此它有很大的信息容量，有可能获得很高的信号处理增益。 4 参量阵声纳系统的构成这里我们提出了一个参量阵声纳的简单系统架构，如图2所示，这里只考虑双频参量阵。其中GPS全球定位系统主要用于声纳探测点的自动定位。声纳工作时,GPS同时工作给计算机发送位置信息，计算机以固定时间间隔给信号产生电路发送启动发射信号,并同时触发内部定时器和GPS定位系统,信号产生电路接收到启动信号后立即产生双频电信号，经放大后由换能器转换成声波后向水中发射声波,并接收反射回来的声回波脉冲信号,并由换能器转换成电信号，信号经放大、滤波整形后进行数据采集，在数据采集中主要进行相关运算，检出需要的波，如果是近距离则会有三种波即两个原波（f1、f2）和差频波f3，如果是远距离则只会有差频波。把数据给单片机进行处理。它通过单片机的外部中断接口输入到单片机中,单片机收到该信号后即刻中断计时器,记录计时器的计时值,并调用距离计算中断处理程序计算出探测目标距离数据；将数据传送给计算机,供图像处理软件形成潜艇图像并显示。 -4-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn GPS定位系统显示系统发射电路信号产生电路 f1 f2 电路放大信号 f1+f2 PC 电源系统换能器 f1+f2+f3 3 2 + f 1 + f f 数据采集电路末级放大滤波电路前置放大接收电路图2 参量阵声纳系统原理图 5 结论综上所述，参量阵声纳在水下反潜战中具有较大的优势，这是因为参量阵声纳：（1）可获得低频窄波束。低频损失波因其波长较长,衰减小于高频损失波，作用距离大，大大提高探测距离。且原波的频率高，换能器可有较高的空化阀。（2）具有低频宽带特性，可以获得较高的信号处理增益。几乎没有旁瓣，可以提高设备精度。（3）由于换能器只要发射频率很高的原波，因此体积小、重量轻。由于参量阵声纳的小尺寸和窄波束以及其低频宽带特性决定了参量阵声纳在现代水下反潜作战中的应用前景广阔,由于参量阵声纳强大的穿透能力，在反水雷尤其是沉底雷作战中也将发挥重要的作用，而为了提高参量阵声纳的探测效率,未来结合相控阵技术和多换能器组成的参量阵声纳阵必将使水下反潜战的探测技术上升到一个新的高度。参考文献 [1]解宝兴，郝拥军，程玲。水下远程探测的研究和发展方向。舰船科学技术。2008 年 6 月第 30 卷第 3 期 [2]杜功焕，朱哲民，龚秀芬。《声学基础》[M]。南京：南京大学出版社，2001.3，461-462 [3]马大遒。《现代声学理论基础》[M]。北京：科学出版社，2004。 [4]钱祖文。《非线性声学》[M]。北京：科学出版社，1992。 [5]栾桂芝。《压电换能器和换能器阵》[M]。北京：北京大学出版社，1990。 [6]许振夏。非线性声学的水下应用。声学技术。1992 年 1 期。 The application of Parametric array sonar in underwater anti-submarine warfare College of Computer and Information, Hohai University, Changzhou, Jiangsu (213022) Xiaojiangyu Abstract -5-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn In order to improve the shortage of the current regular anti-submarine sonar in detection range and resolution，this paper puts forward the idea of a new type of anti-submarine sonar——Parametric array sonar，Analyzes the superiority of Parametric array sonar based on the comparison to current regular anti-submarine sonar and parametric array anti-submarine sonar。This paper describes the theory of parametric array sonar, the characteristics of parametric array sonar has been studied。The important points are the high directivity and the remote detection of parametric array sonar。also this paper conceives a simple system framework of parametric array sonar, there is a useful exploration of the new technology of anti-submarine warfare detection for underwater acoustic。 Key words: underwater remote detection; anti-submarine warfare; parametric array sonar -6-

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