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基于海底反射路径的目标探测技术

发布时间: 2019-06-06

       在深海环境下,当声源位于海面附近时,声波传播主要存在直达波、会聚区和海底反射三种模式。其中,海底反射模式中声波以较大出射角向海底方向传播从而在海底发生反射进入到深海声影区,与会聚区模式相比,海底反射照射区呈现环带状,不具备声场聚焦增益,由于海底反射导致信号传播损失较大,而且声波来自于海底方向,在接收时为了获得较高的信噪比,需要将接收波束对准海底方向。

       本文针对基于海底反射路径目标探测中的基础问题,研究了海底反射模式的机理和规律,突破了体积阵俯仰波束的优化控制方法,并提出了基于声波多途时延的目标定位方法,为基于海底反射路径的目标探测奠定了技术基础。

       为了研究海底反射路径产生条件,定义了深海声能量陷获系数,作为初步判断海底反射模式是否适用的参数。陷获系数越小,则海底反射声波的能量越大,影区内传播损失越小,也就越有利于海底反射模式的产生。海深增大导致海底声速值增大,或者海底声速一定时,声源处声速值越小,声波的发射角度越大,均会陷获系数增大,不利于海底反射模式的产生。利用WOA09数据,对全球范围海域的陷获系数进行了计算,如图1所示,获得了全球海域产生海底反射模式的能力。


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图1 全球陷获系数分布图

       针对声波在粗糙海底界面上的反射损失,建立了基于有限元理论的分层粗糙海底散射统计模型,作为分层粗糙海底声散射的标准解,并考虑到实际应用,分析了Eckart经典模型的有效性,结果如图2所示,通过与标准模型比较表明:对于较薄的沉积层,由于多界面反射波干涉,在大角度情况下反射损失出现起伏变化;小掠射角时Eckart模型采用近海底声速,而大掠射角下采用平均声速更加准确。在实际中可用Eckart模型结合合适的声速来计算海底反射损失。

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图2 粗糙海底反射损失

       针对圆柱阵传统波束形成方法计算量较大的问题,将阵列分为两级子阵进行波束形成处理。首先将同一列上的L个阵元(直线阵)进行常规波束(CBF)形成,圆柱阵转换为圆环阵;然后采用圆环阵特征波束分解与综合(EBDS)超指向性方法进行第二次波束形成。得到的不同频率下的阵列增益如图3所示,可以看出,与常规方法相比,高频情况下增益接近,而在低频情况下的阵增益可高出10dB以上。该阵列处理方法的特点体现在:1)第一级线阵波束形成后,将圆柱阵转化为圆环阵,阵元个数减少,噪声协方差矩阵维度降低,使得波束优化时复杂度大大降低。2)实际使用时,在期望俯仰角方向上预置波束,第一级线阵进行了波束形成后再存储数据,可大大减少数据存储量。3)采用子阵分级的EBDS方法能够大大提高稳健性,能够适应更低频的实际海洋和舰船噪声数据。4)在低频段,EBDS方法的阵增益远远高于CBF方法。EBDS的波束主瓣窄,旁瓣低,性能优势明显。

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图3 圆柱阵及其波束形成增益

       在海底反射模式情况下,声波传播主要存在海底反射、海底-海面反射、海面-海底反射、海面-海底-海面反射等路径,通过对接收的目标辐射宽带噪声信号做自相关处理,提取不同路径之间的相对达到时延,建立了基于匹配场定位思想的目标位置代价函数,从而实现了水下声源的定位。在南海开展的某次实验及其处理结果如图4所示,利用单水听器在声源所在位置实现了准确定位。


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图4 海上实验数据及定位结果