（水声工程专业论文）声纳指向性分析与作用距离动态预报软件.pdf

a b s t r a c t a sb ek n o w n ，i ti st h eb a s ew o r kf o rs o r l a rd e s i g n e rt os t u d yb e a mp a t t e r n ， a n da l s om a k ev e r yi m p o r t a n ta c t i o n si nn a v a lt a c t i c s b a s e do nt h ed e s i g n i n g p r i n c i p l eo fs o n a ra r r a y , s e v e r a li m p o r t a n tt a r g e t ss h o u l db ed i s c u s s e da n d a n a l y z e di nt h i sp a p e r a f t e rt h a t ，w eu s e dt h ed a t af r o mn a v yt h e o r yc e n t e rt o f o u n dad a t am o d e lo nt r a n s m i s s i o nl o s i n g ，a n dc a l c u l a t i n gt h ed i s t a n c eb yt h e s o n a re q u a t i o n t h et h e s i s sm a i nc o n t e n t s ：b a s e do nt h ed a t am o d e lo ft r a n s m i s s i o nl o s i n g ， c o m b i n e dw i t hs o n a rs y s t e ma n dt a r g e t sp a r a m e t e r s ，t h et h e o r ya n dt h ea r i t h m e t i c o nc a l c u l a t i n gt h ei n p u tr a t i oo fs i g n a la n dn o i s e ，r e a l i z et w od i m e n s i o n sd i s t a n c e f o r e c a s t s t u d yt h et h e o r yo fb e a mf o r m i n go na na r b i t r a r ys h a p es o n a ra r r a y , d e d u c ti t sd i r e c t i o n a lf u n c t i o n s ，s oa st oe s t i m a t et h ea r r a yg a i n ，t h ed i r e c t i o n a l p r e c i s i o n ，a n dt h ed i f f e r e n t i a t i o no fm o r et a r g e t s o nt h eg r o u n do fa 1 1 m a k eu s eo ft h ev i s u a lc + + 6 0s o f t w a r ei nt h ep a p e r , w ed e v e l o po u tas o f t w a r ef o rs o n a ra r r a yd i r e c t i o n a lc h a r a c t e ra n a l y z i n ga n dt h e d i s t a n c e f o r e c a s t i n g ，i tc a nh e l p u st o s t u d yt h ed i r e c t i o n a lc h a r a c t e r , t h e d i f f e r e n t i a t i o no fm o r et a r g e t sa n dt h ea r r a yg a i n i tc a na n a l y z et h et r a n s m i s s i o n l o s i n gd a t ao fg i v e ns e aa r e as h i pt r a c k w i t hs o n a rd e t e c t i o nt h r e s h o l da n dt h e o t h e rp a r a m e t e r s ，c a l c u l a t i n gt h ed i s t a n c eb yt h em e a n t i m e ，a n df i g u r eo u ti t d y n a m i cb yi m a g e so rb yl e t t e r s ，s ot h a tt h et a c t i c sc a p a b i l i t i e so ft h es o n a rd e v i c e c a nb ed e t e c t e da n dc h e c k e di na l la c t u a lw o r k k e yw o r d s ：d a t am o d e lo f e q u i v a l e n c et r a n s m i s s i o nl o s i n g ；g r a p h i c s a r i t h m e t i cb a s eo nt r i a t 1 9 l en e tt h e o r y ；b e a mp a t t e r no fs o n a r a r r a y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指 导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据 和文献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已公开发表的作品成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日 期：年月 目 啥尔滨工程人学硕士学位论文 i 目i _ i _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ _ i i _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - - 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 随着科学技术的进步，人类对海洋的研究已经到了一个崭新的世纪。世 界各国对海洋资源的争夺也更加激烈，可以说谁占有更多的海洋资源，谁对 海洋资源的开发利用能力更高，谁就会在未来的世界竞争格局中处于更有利 的地位。海洋资源的开发和利用是我国实现可持续发展战略的重要保障。要 对海洋资源进行合理的开发和利用，要想在现代海战中占据有利地位，就必 须加强水声技术的研究与开发工作。传统的声纳研究方法给我们提供了可靠 的理论依据，在此基础上许多人进行了大量的研究和试验，使水声科学在很 多领域有了广泛的发展。其中声纳理论的基础性研究起着重要的作用。 基阵是由一系列传感器( 或换能器) 组成”1 。通过组合可获得人们所希望的 波束响应值。这种纯几何的组合，人们称为经典常规基阵。近三十年来，随 着电子学和计算机技术的进步，基阵后处理也得到了飞速的发展。布阵理论 与信号处理是密不可分的。对于声纳基阵的设计单位来讲，人们更希望得到 基阵设计的事前处理，这就必然要求我们把声纳指向性分析与计算机软件技 术相结合，使我们在获得所要求的指向性的同时能够对声纳基阵的阵形有所 选择，以便用最小的代价获得需要的指向性指标，当然，我们所讨论的问题 不仅仅局限于指向性指标，在声纳基阵的设计中，还要同时考虑到阵增益， 定向精度，目标分辨力等其它重要的参数。这样就要求软件的设计中要尽量 考虑的周到，细致。在当前，把声纳基阵设计前期研究与计算机软件技术楣 结合仍是一个热门的主题，对于声纳基阵设计者来说，不可能对所有的设计 思想都通过具体的实验来验证，在此，我们将声纳基阵的设计与计算机应用 技术相结合，研究开发了有效、可靠的软件工具，不仅加快了声纳基阵研究 工作的进程，同时也为其他有关的研究提供了一个有价值的软件平台。 另外，现代的海军战术研究中，声纳的战法研究越来越受到海军领导的 重视。这其中，声纳作用距离是最受关注的指标，如果在特定的海区，能够 哈尔滨工程大学硕士学位论文 预先知道己方声纳的作用距离，就会大大的增加本艇声纳的战斗力。在已知 该区域的传播损失模型的基础上，我们就可以合理有效地机动声纳平台，使 本艇声纳处于有利的攻击或监测地位。同样，如果能够获得对方声纳的性能 参数，以及它所处的位置，根据其传播损失数据模型，本艇就可以选择一个 有利的位置，避免被对方声纳捕捉到。在此，我们根据海军战术研究的需要， 从潜艇声纳训练的实际情况出发，结合并改进已有的三角网格绘图的计算机 算法，利用已知的研究海域的传播损失数据模型，通过对声纳方程的研究， 开发了潜艇主动、被动声纳作用距离动态预报软件，为潜艇声纳的战法研究 提供有益的参考。 1 2 声纳系统作用距离动态预报研究的发展状况 近年来，许多国家为了提高潜艇作战能力和增强反潜能力，都在努力加 强水声技术的研究。其原因是：水声设备依旧是水下最有效的检测设备，即 利用声波来携带信息从而完成对水下目标进行探测和识别的装置。1 。同时， 为了开采丰富的海洋资源，特别是对海底石油资源勘探及采集，水声设备亦 是一种很有效的工具。世界上很多国家为了加速海洋开发事业的进程，大力 进行民用水声设备的研究。 在军事应用上，声纳系统被称为潜艇的眼睛，在潜艇战法研究中越来越 受到重视，这不仅仅因为它担负了潜艇的水下通信，导航，目标的探测、定 位、跟踪等任务，同时，由于海洋坯境的错综复杂，对声纳系统提出的要求 也越来越高，要求声纳的使用者掌握大量的海洋环境信息，才能尽可能准确 地掌握和熟练地运用本艇声纳，使它能更适应海洋环境的变化，在战场上立 于主动地位。 在复杂多变的海洋环境中，以声波在海水中的传播为最佳”1 。在浑浊和含 盐的海水中，无论光波或是电磁波的衰减都远较声波的衰减为大。 由于声波相对地说来容易传播，因此，在利用和开发海洋事业中，人们 广泛地利用水声。水声的应用构成了声纳的工程科学，而以这种或那种形式 利用水声的系统叫做声纳系统。 若声音是有目的地从系统中的发射器产生的，则称这些声纳系统、设备 哈尔滨工彩大学硕士学位论文 或部件是主动的。声波由发射器发出后，经过海水传播到达目标，然后以声 纳回波的形式返回到水听器上，水听器将声能再转换成电能。水听器输出的 电信号经过放大器和各种处理，最后反馈至控制或显示系统，从而完成声纳 的使命。因此，主动声纳主要是用来对目标进行回声定位的。 被动或听测声纳则是利用目标辐射的声音( 通常就目标本身来说是无意 识的) 。这时声波在海水中只是单程传播，而系统的核心部件是用来听测目 标声音的水听器。其它的如通讯、遥测和控制等应用则采用声纳系统的综合 形式，这种声纳系统在声学通讯信道两端都有发射器和水听器“1 。 水声设备主要是依靠声波来传递信息，显然，这种处理水声信息的设备 必须具有一种装置，它既能把电信号变换成声信号，并使这种声信号以声波 的形式在海洋中传播，并在遇到目标时产生反射j 同时它又能从反射声波中 吸取声信号，又把声信号转变成电信号，经放大后送到显示器进行观察和识 剐。能够满足上述要求的装置便是换能器。对于近代的大型水声设备来说， 上述任务将由换能器组成的水声基阵来完成。依据近代信息论观点来看，一 台水声检测设备司视作一部水声信息处理装置，并且声基阵将作为参与信号 时一空处理中的空间处理器”1 。综上所述，换能器( 或基阵) 是水声设备中必 不可少的关键部件，而且它们是水声检测设备区别其他检测设备( 如雷达等) 的标志之一。无论是这种还是那种声纳，人们对其作用距离的追求是永无止 境的，这样，现有的声纳设备越做越好，但是在向声纳设备的低频、大功率 方向发展的同时，却也越来越受到声波的传播途径水下声信道的限制， 所以，研究海洋环境的传播损失就逐渐成为解决问题关键所在“1 。 正是看到了这一点，所以，在研究声纳作用距离预报的过程中，我们就 及时地捂目光投向合理利用已有的海洋环境传播损失数据模型上。 结合这样的传播损失模型，研究并改进软件设计中的图形算法，我们就 可以利用声纳方程，根据已知的声纳参数计算出声纳的作用距离，并以图文 形式显示。所有的这些过程都是用软件来实现的，这样就实现了声纳作用距 离的快速、准确的预报。这样，在军事上，为声纳的战法研究提供了一个高 效，可靠的工具。同时，也可以为潜艇声纳部门的演习、训练、考核提供一 个有价值的手段。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 声纳基阵指向性研究的发展状况 由于近代声纳向低频、大功率( 兆瓦级) 、高搜索率等方向发展，单个 换能器已无法满足这种综合性的要求，所以，必须采用换能器组成的基阵来 达到近代声纳的技术指标。一般来讲，基阵由许多高效率、高灵敏度和一致 性较好的换能器来构成。它的作用是：在辐射时，它能把声能尽可能地集中 到某一指定方向上，而在其他方位上尽量减少；在接收时，它要抑制干扰， i m 义能增强待测信号能量。因此按照工作状态不同，可分为发射阵和接收阵。 根据相位叠加原理，不论发射阵还是接收阵，上述问题皆可归结为如何考虑 它的空间响应问题在空间各点因声信号到达该点的程差不同，由不同程 差引起相位差的差异，依据相位叠加原理，将在空间形成不同声压( 或振速) 的振幅分布：或者说是如何考虑基阵的指向性问题。在信息处理方法及数字 技术尚未引入水声系统的时候，人们经常通过把换能器排列成不同的几何形 状，从而取得某种特定的指向性。运用上述方法所构成的基阵称常规基阵。 依据基阵的几何形状不同，常规基阵分为：线列阵、平面阵、圆柱阵、球壳 阵、圆弧阵等等”3 。 常规基阵具有如下优点： ( 1 ) 能形成良好的指向性： ( 2 ) 能形成多个波束及具有高搜索率。当人们应用数字和相控技术后能使 基阵形成多个固定的波束或波束的空间扫描移动，这样，不但有良好的指囱 性，而且大大提高了对目标的搜索率； ( 3 ) 主极大方向上声源级大。由于声基阵具有巨大的辐射和良好的指向性， 因此，它能使声系统在主极大方向上具有足够大的声源级： ( 4 ) 抗干扰能力强，由于基阵接收时具有指向性，因此具有抑制非主波束 方向干扰和抑制各向同性噪声的能力。 当数字技术及信息处理方法运用于水声系统后，产生了许多新型的基阵。 目前已采用或正在研制的几种比较重要的新型基阵如下： 1 、数字相控发射阵：即利用数字技术进行相位补偿。它的优点是可以不 转动基阵，而使辐射波束在所要观察范围内实现波束的电扫描。这样，基阵 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 尺寸可做得大一些。 2 、数字多波束接收阵：它主要采用多通道数字时延技术和数字波束形成 运算器，在空间同时形成若于个指向性波束。利用这种技术，使得用一个基 阵能同时探测若干个方向的目标，提高了基阵的搜索率和利用率。 3 、相关接收基阵：利用在基阵中不同位置的水听器上所接收到信号与噪 声的相关特性( 时间相关特性、空间相关特性) 的差异，从而对收到的信号 加噪声进行相关处理。它具有改善信噪比，提高声纳作用距离的能力。 4 、自适应基阵：它是当前世界各国重点研制的新型基阵。它把统计决策 理论及自适应技术应用于水声系统。它把基阵看成空间处理器：同时又使基 阵所形成的指离性图案能随外界声场的变化而变化。它能最大限度地抑制人 为和环境干扰，从而获得最佳的检测能力。 声纳基阵设计的研究发展离不开计算机应用水平的提高，在此，我们对 声纳基阵的指向性指标做了大量的研究工作，从中发现，在阵形设计中，如 果能够利用软件工具，根据所要得到基阵的指标要求，进行阵形的预测，或 者反之，根据已有的阵形，对其基阵的指向性指标进行预测，这样，虽然得 到的结果只是一个估计值，但却能为基阵的设计的前期工作提供很多便利。 1 4 论文的主要研究内容 本论文的主要任务是研究声纳基阵波束形成理论以及主动、被动声纳方 程各参数之间的关系，设计开发基于v c + + 6 0 应用程序，论文主要有以下几 个方面内容： l 、研究图形算法的三角网理论，改进其程序实现方法，提高程序的运行 速度，实现二维图形的适时显示。 2 、在传播损失预报模型的基础上，结合声纳系统及目标运动参数( 或者 目标声纳与本艇运动参数) ，计算输入信噪比空间分布的理论和算法，实现二 维空间声纳作用距离动态预报： 3 、研究任意几何形状声纳基阵波束形成的理论，推导其指向性函数。并 根据声纳基f 5 车的阵增益、定向精度及多目标分辨力的最佳估算方法，对基阵 的性能进行预测。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第2 章声纳作用距离动态预报 2 1 基本的声纳装备作用距离预估原则 声纳装备作用距离的预估，以声纳方程( o d 装备、介质和目标确定的声纳 参数建立的基本等式) 为基础4 1 。声纳系统按用途来分有许多型号，但它的工 作方式不外乎主动式和被动式两种。主动式声纳由发射机发射已知信号，通 过换能器转换成声波信号向外辐射出去，这个声波信号若遇到目标，经目标 反射后就可以形成回波；经过海水中各式各样的散射体散射形成混响。接收 机不但接收到皤波和混响，而且还会接收到环境噪声，通常包括海洋嗓声和 本舰自噪声。对于接收机来讲，回波是信号，其余都是干扰。被动声纳是根 据目标辐射的声波来检测目标的。这辐射的声波可能是目标上的声纳发射的 声波，也可能是目标运动时辐射出的舰船噪声，也可能是目标引起的其它声 音。声纳系统的模型反映了声纳、介质和目标三者的关系。介质和目标的特 性是我们无法控制的，而声纳，它的发射方式与接收方式是我们可以合理地 选择的。使得它最佳地和介质、目标的特性匹配。 声纳方程的基本形式及其主要参数的选取原则如下： 1 、主动声纳方程 噪声背景条件下： ，5 z n l 一2 t l + 璐+ g _ + g = m 混响背景条件下： 观一r 三一2 咒+ 四+ 昧+ g = m 式中：乩一发射声源级，拈； n l 一噪声背景级，d b ： r l 一混响背景级，d b ： 北一传播损耗，d b ； 船一目标强度，d b ； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 g 。一空间增益，d b ； g 下一时间增益，d b ； 一识别系数，d b 。它用来表示一定的声纳系统，在不同的时 i 刚增益控制和空间增益控制条件下对目标进行有效检测的能力。 2 、被动声纳方程 s l n l t l + 嗥十g r = m 式中：乩一目标辐射噪声级，d b ； n l 一噪声背景级，d b ； 咒一传播损耗，d b ； g 。一空间增益，d b ； g 7 时间增益，加。 3 、主要参数的选取原则 ( 1 ) 主动声纳方程中的融用下式估算： s l = 1 7 0 8 + 1 0 1 9 p + d i 式中：p 一发射换能器的辐射声功率( w ) ，参考距离为l m 肼一发射指向性指数( 分贝) ，用下式估算： d i ：1 0 1 9 4 z 丁r a e 式中：爿g 一发射阵等效面积( m 2 ) ； 旯一发射声波波长( 删) 。 ( 2 ) 声纳方程中的n l 、r l 、t s 、t l 及被动声纳方程中的砚等均由实 测数据的统计值来确定。 ( 3 ) 声纳方程中的g s 用下述公式估算； 对于离散基阵 g s = 1 0 l g ( - ) = 1 0 l g _ + 1 0 l g n 。 式中，m 一水平方向基元数( 基元间隔均为半波长) ； 上一垂直方向基元数( 基元间隔均为半波长) 。 对于连续基阵 哈尔滨工程人学硕士学位论文 g s ：1 0 培了4 x a e 式中：加一接收阵等效接收面积刀? 2 ) ： 丑一接收声波波长( m ) 。 注意：基阵在接收状态工作时，为了抑制旁瓣总要赋与一定的权重，这 将引起空间增益下降，通常考虑下降l d b 为宣。 ( 4 ) 声纳方程中的q 用下述公式估算： 在主动声纳中，通常采用匹配滤波器接收，则有 g r = 1 0 1 9 2 t w 式中：丁一信号持续对捌( s ) ； 一接收机带宽( 胁) 。 必 在被动声纳中，通常采用能量检测器接收，则有q ，= 1 0 1 9 i l ， 式中：f 一积分时间( s ) ； i 一输入目标噪声的等效相关半径( s ) 。 注意：在考虑工程损失和传播畸变引起的去相关性产生的增益损失时 增益的实际值比理论估算值小5 1 0 d b 。 工程中，为了提高声纳基阵的空间处理增益，以提高接收机输入端( 即 基阵系统的输出端) 的信噪比，根据不同情况，可以进一步从声纳方程中得 声学参数和设备参数之间的关系”l 。 被动声纳的声纳方程为 乩一砚一( n l 一川) = d t ( 2 - 1 ) 主动声纳的声纳方程，以噪声干扰为主时为 s l 一2 t l + t s n l + d i = d t ( 2 2 ) 在方程中，基本的声纳参数都是已知的，本文主要关注的是与计算声纳 作用距离有直接关系的参数强。它在传播损失数据模型中是以矩阵形式给 出的变量，给定一个珏，就可以计算得到一个d 丁值。 另外，本文所说的声纳作用距离预报与主动、被动声纳测距是不同的概 念。本文所讨论的是在给定的传播损失数据模型条件下，利用声纳方程对已 知声纳的参数进行计算，从而完成对声纳作用距离的估计。所以，不需要考 哈尔滨工程大学硕士学位论文 虑声纳方程中的时间处理增益和空间处理增益参数，也不需要考虑潜艇本身 的状态对声纳性能的影响，只需要知道潜艇的地理位置坐标、深度以及基本 的声纳参数就行了。下面给出了优质因数计算及作用距离估算的基本公式 ( 1 ) 主动声纳的优质因数用下式计算： 1 f o m = 告( 脱一舭一m + 嬲+ q + q ) 噪声背景 山 1 f o m = 寺( 乩一皿一m + 稻+ q + q ) 混响背景 ( 2 ) 被动声纳的优质因数用下式计算： f o m = s l n l m + g s + g r 利用品质因数和实测的t l 曲线可以估算出声纳装备的作用距离。 2 2 传播损失等值空间数字模型建模 给定的传播损失数据模型是以距离及深度作为坐标的数组文件，在二维 空间以矩阵形式排列。由于传播损失通常是以标准的距离一深度间隔采样计 算( 按照已有的标准，最大距离值为20 千米，最大深度值为1 0 0 0 米) ，如 图2 1 所示。 1 0 0 0 i o 深 图2 1 常用传播损失数据采集方法图 距离 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在获取采样点的传播损失数据时，常用的方法是采用图2 1 所示的方法 进行手榴弹爆炸实验“，其中a 、b 两点为手榴弹爆炸位置，其它装置为声 纳浮漂，利用声纳浮标对数据采样点所接收到的信号强度进行定深测量、记 录，通过计算即可以分别得到a 、b 两点所对应不同位置，不同深度在某一 方向上的传播损失数据。本文并不对数据获取方法进行讨论，而仅仅引用其 中的一组结果，分别如表2 1 、表2 1 2 所示。 表2 1a 点传播损失数据表 表2 2b 点传播损失数据表 其中，表2 1 为：某测区内a 点，坐标为( 1 2 0 0 0 米，3 6 0 0 0 米) ，深度 3 0 米，方位1 2 0 度所对应的传播损失数据。 1 0 哈尔滨工栏火学硕士学位论文 i i i _ i _ _ 蕾i _ _ q _ _ l 表2 2 为：某测区内b 点，坐标为( 2 2 0 0 0 米，5 8 0 0 0 米) ，深度6 0 米， 方位1 2 0 度所对应的传播损失数据。 出于实际需要的考虑，建立传播损失的数据模型需要对大批的数据进行 处理，对于所选测区中的一个点，它所表示的传播损失数据需要由地理坐标， 深度值，以及目标所在方向等这样一个多维空间才能精确地定位表2 1 中的 那样一组数据。 但是，如果完全按照这一标准对每一个点进行数据采集，则需要很大的 工作量，可以说根本做不到。所以在数据模型的建摸中，我们根据实际需要 只考虑对结果影响较大的参数。由于海洋环境受季节等因素影响较大，而对 于同一时刻，相邻位置它们的变化是不大的。所以在考虑本艇与目标的相互 捕捉的过程中，由于我们所能获得的传播损失数据是2 0 千米范围以内的，不 妨假定双方处于相同的或对等的条件，对于航行中的两条潜艇，同一时刻双 方具有同样的声传播通道。这样考虑的好处是，不仅大大减少了数据输入量， 同时也更便于对本艇与目标声纳的性能做直观的比较。在准确娃预报本艇声 纳作用距离的同时，我们也能对目标声纳有了深入的了解。在潜艇的航行过 程当中，可以及时记录航迹上测量点的位置和深度信息，同时根据预先提供 的该点处的传播损失数据，利用声纳方程进行作用距离的计算，并以图文的 形式直观的反映出来，同时还利用软件对航迹上一系列的数据点进行记录， 以便做回放分析。 在传播损失等值空间模型的建模过程中，本文更多的从实际应用的需要 进行考虑，对航迹以外的点并不做过多的考察，而对航迹上的点则可以按需 要进行不等间隔的数据采集，并结合对应的传播损失数据作为回放文件保存 实际记录。 实际中，采样点传播损失的数值是随机的，不能直接被用来计算输入信 噪比的空间分布。为了得到满足本文所需要各种信息，就需要对传播损失数 据进行处理。所以系统的初始化阶段，在传播损失数据矩阵的模块结构基础 上，建立起一个传播损失的等值空间数字模型。当然，所有这一切都是用计 算机软件实现的，这样就为图形显示准备了有用的数据。 哈尔滨】i 稃人学硕十学位论文 2 3 基于三角网理论的绘图方法研究及其在软件中的应用 传播损失矩阵相邻元素间包含着传播损失梯度分布信息，利用该梯度信 息可以建立超传播损失等值空间数字模型。对于图2 1 所描述的实验，本文 在这里所研究的是，对于给定的一个合理的传播损失数值，在一定的距离和 深度范围所构成的二围空嵋：内必然可以找到很多含有距离和深度信息的点和 它对应，由于海水介质具有连续性的特点，则这些点一定具有连续性，所以， 建立一个传播损失等值空间模型，找到一条或几条传播损失等值线就具有理 论可行性。 传播损失等值空间数字模型建模的第一步是勾画三角网“。将传播损失 矩阵各元素以等值条件，按“左、下、右、上”的次序和规则两两相连，最 终将组成一个三角网如图2 2 所示。 ) 。 图2 2 三角网勾网示意图 三角网的横轴表示距离，纵轴表示深度，易知，每一个三角形包围区域 内传播损失的梯度变化范围可以由该三角形的3 个顶点确定，如图2 2 中的a 、 b 、c 三点。设传播损失等值点搜索值为弛。，以三角形a a b c 为例，如果有 t l 。 t l o ，t l h ( t l o ，则通过插值算法可以在a b 边上找到等值点儿o ，在图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 中以黑点表示；反之，如果有t l 。 t l o ，同样也可以通过 插值算法在a b 边上找到儿。的位置。这里，等值点丁的坐标可利用线性内 插公式进行计算，其计算方法如下： y 图2 3 两点间求取几。的插值算法分析图 x 如图2 3 中所示，若已知a 点的坐标为a ( x l ，y i ) ，b 点的坐标为 b ( x 2 ，y 2 ) ，并且知道点c 的横坐标为，则可求出c 的纵坐标_ y 。；或者 知道点c 的纵坐标y 。，则可求出其横坐标。计算公式如下： k ：丝二些 x 2 一x y o = y 1 + k ( x o x 1 ) 工o = 一十k ( y o y 】) 由于海承介质具有连续性，对于某一点附近的传播损失值，正常情况下 不可能有较大的突变，正是由于传播损失的空间分布的这种渐变特性，才为 本文的理论研究提供了可靠的理论依据。图2 2 中，如果a b 边上存在传播损 失等值点儿。，则在其相邻边上同样的可以找到这样的等值点儿。，在图中是 以小空心圆表示。将相邻等值点按照“左、下、右、上”的原则，用直线连 接起来，就可以得到传播损失为仡。的一段等值线。 在距离、深度值所确定的整个三角网内，所有的关于儿。的等值点均已 哈尔滨工程大学硕士学位论文 被检索、连接以后，就会形成一个以弛。为边界的等值曲线，以这条曲线为 边界向距离减小的方向以皿。所代表的颜色填充图形，即可得到代表z k 的一 个颜色面。按照同样的方法，将儿。增大一个刻度值，这样又得到了另一条 传播损失的等值线，并以增大的传播损失所代表的颜色向距离减小的方向重 新填充图形，则上一个颜色面的大部分将被覆盖，没有覆盖的部分即为儿。的 等值空间。由于上述的过程是按照化。由小到大的顺序( 本文中的传播损失 是负数表示的，其最大值为零) 进行的，这就保证了所有的传播损失数值都 能以不同的颜色在整个空间被区分，形成了以一系列等值线为边界，相互重 叠的区域，它就是传播损失等值空阳j 数字模型。如图2 4 所示： 图2 4 以色度值表示的传播损失等值空间数字模型图 显然，声纳系统作用距离预报的精确程度与传播损失的采样密度有关。 采样密度越大，采样间隔越小，则声纳系统的作用距离预报越精确。但是， 考虑到本文是以颜色值来直观的区分传播损失等值线，如果采样过密，则图 形上的相邻颜色会很难区分，给图形的实际应用带来了很多不便。经过实际 绘图检验，我们把取样间隔定为5 d b ，则刚好满足上述需要。另外，从绘图 1 4 哈尔滨工程人学硕士学位论文 的速度方面考虑，也不应该把采样间隔设置的过密，那样会使运算量成倍的 增加，给程序的正常工作带来很多不利的影响。从以上三角网的勾网过程也 可以看出，并不要求传播损失采样点按矩形格式分布。只要传播损失数据的 采样密度取值恰倒好处，就能保证其空间采样位置随机性，即无论从那一点 出发，总可以找到与该起始点距离最小的另外两个点组成个三角形，并以 该三角形为基础派生出其他三角形，最终生成一个完整的三角网。 2 4 主动声纳作用距离动态预报 在第二章第一节里，我们对主动声纳方程、被动声纳方程以及其各参数 都有了一定了解，但是，按水声学原理，对于声纳系统设计的要求，仅有象 ( 2 1 ) 和( 2 。2 ) 那样的等式是不够的。 从实际考虑，主动声纳系统设计应满足下面的主动声纳方程： s ! 一2 他+ t s n l + 1 ) 1 d t ( 2 3 ) 在式( 2 - 3 ) 中，各声纳系统参数分别为： 龇：发射信号声源级 d i ：指向性指数 d t ：检测阂，即最小可检测信噪比。 环境参数为： 几：传播损失 n l ：噪声级 目标参数为： 硒：目标强度 在此，本文对上述参数的意义不再重复解释。 因为公式( 2 。3 ) 的左边只有扎是变量，其余各项全都是常量，所以就 可以简单地把检测阈d t 看成是传播损失儿的函数。在上一节所述死等值 线的基础上，按照公式( 2 3 ) 即可计算出相应的d t 的等值线。 实际工作中为了使用方便，初始儿等值点是以给定的最小可检测信噪比 d 瓦。为基准选取的。在此基础上，等间隔向两边扩展，求出其余儿等值点 所对应的d t 值，这样就通过声纳方程的计算使检测阈也可以在距离深度乎 哈尔滨工程大学硕士学位论文 面内表示出来。我们同样可以得到一个用颜色表示的图形，只不过图中的颜 色以变为检测阈值了。在此，本文给出一 个 动声纳作用距离预报的示例。 如图2 5 所示的主动声纳。它所对应 的传播损失数据模型为表2 1 中的数据。 在程序中加载主动声纳参数和传播损失 数据，就可得到如图2 6 所示的图形。 图中的色码条是d t 的伪彩色编码 条，每一个色差间隔代表了5 d b 的检测 阈值。色块愈明亮则d t 的值愈大，愈靠 近距离减小的方向。伪彩色编码条中的黑 线代表d 瓦以黑线为界，其上方颜色 较浅的色块衷示丰动声纳能够检测到目标的区域，其下方颜色较深的色块表 不0 i 能检测到目标的区域。 图2 6 主动声纳对目标距离检测示意图 6 哈尔滨工程人学硕士学位论文 从而，根据d t 的伪彩色编码，可以直观方便地在图中读出主动声纳的 作用距离及作用范围，实现主动声纳作用距离预报。只不过现在所显示的还 只是一个静态的图形，要想做到图形能随着潜艇的机动的动态显示，则需要 做更多的工作。 图2 6 中，如果想得到某一特定位置的精确数值，就需要知道该点所在 的三角形各个顶点坐标以及这三个点的输入信噪比值。如图2 7 所示，三角 形a a b c 每一个顶点的距离、深度坐标及输入信噪比的值都是己知的，因而 a c 图2 7 精确求取检测阙值的插值算法图 可以通过插值求出d 点位置处的距离深度坐标及输入信噪比值。以深度为 例，由a 点经d 作一条直线与直线b c 边相交，其交点为e 。由b 、c 两点的深 度经过插值可以求出e 点的深度。又由a 、e 两点的深度插值可求出d 点的深 度。d 点的距离坐标及输入信噪比可以用同样的方法求出。 声纳作用距离的动态预报，就是按照潜艇所处的地理位置坐标、深度以 及目标相对于本艇的真方位这样一组数据的变化，而不断交换图2 6 这样的 图形。当然，它的必须是在所有的传播损失数据都是已知的条件下才能得以 实现。i 卜像前文所说的，实际上根本不可能穷尽所有上述条件下的传播损失 数据，所以在处理这个问题上本文是有所取舍的。这样保证了数据的合理性 和实用性，也保证了声纳作用距离预报的动态效果。有关声纳作用距离动态 软件的情况将在第四章进行详细的论述。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 。5被动声纳作用动态距离预报 被动声纳方程如下： s e t l n l 十d i d t( 2 4 ) 在公式2 4 中，被动声纳方程的各参数分别为： d i ：指向性指数 d t ：检测阈，即最小可检测信噪比。 环境参数为： 儿：传播损失 n l ：噪声级 目标参数为： 乩：被动目标辐射噪声声源级 被动声纳方程中的各参数的意义在前 文已经叙述过了，这里不再赘述“”。 将式( 2 - 4 ) 的被动声纳方程与式 ( 2 3 ) 的主动声纳方程的各参数进行 比较，可以看出，这里的检测闳d t 同样是化的线性函数。所以被动声纳 输入信噪比的空间分布，也可以用第二章第四节的方法计算。给定被动声纳 参数如图2 8 所示。如果同样采用表2 i 的传播损失数据模型，则可以得到一 个包含着距离、深度信息，以及与各个传播损失值相对应的检测闽信息的等 值空间数字模型，如图2 , 9 所示。 同样，如果想得到图2 9 菜一特定位置的精确数值，就可以象在主动声 纳中所提到的采用给定三角形的插值算法求出。 被动声纳作用距离的动态预报与主动声纳的不同之处主要在于各自的声 纳参数有很大的差异，本文在这个问题上并不是从声纳的主动、被动测距方 面来考虑，而只是单纯的从它们的作用距离本身来探讨它们各自的传播损失 预测模型、检测阂的变化，以及来自于声纳设备本身的影响。 被动声纳作用距离动态预报软件的设计流程，工作原理，以及软件的功 能用途等详细情况将在第四章中进行详细介绍。 哈尔滨工程人学硕士学位论文 2 6 本章小结 图2 9 被动声纳对目标距离检测示意图 本章在讨论了主动、被动声纳方程的基础上，详细讨论了传播损失数字 模型的建模方法以及所形成的数据结构的特点，从实际应用的角度进行数据 的采集，并分析了其理论上的可行性。 应用了数学中的插值算法，并研究基于三角网理论的计算机绘图方法， 建立了传播损失等值空间模型，得到了关于距离深度以及相对应的传播损失 的数据块结构。 研究了主动、被动声纳作用距离预报的工作原理，为形成潜艇声纳作用 距离动态预报软件奠定了理论基础。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第3 章声纳基阵指向性分析 3 1 影响声纳基阵指向- i 生研究的主要因素 3 1 1 常规基阵的研究对象和假设条件 水声设备主要依靠声波来传递信息，显然，这种水声信息设备必须具有 一种装置，它既能把电信号变换成声信号，并使这种声波在海洋中传播，遇 到目标时产生反射；同时它又能从反射声波中吸取声信号，又把声信号变成 电信号，经放大后送到显示器进行观察和识别。满足上述要求的装置便是换 能器。对于近代的大型水声设备来说，上述任务将由换能器组成的水声基阵 来完成。依据近代信息论观点来看，一台水声检测设备可视作一部水声信息 处理装置，并且声基阵将作为参与信号时一空处理中的空间处理器。综上所述， 换能器( 或基阵) 是水声设备中必不可少的关键部件，而且它们是水声检测 设备区别其他检测设备( 如雷达等) 的标志之一“。 所谓常规基阵是指传感器按照理想的情况布置的基阵。在理想情况下传 感器基元的位蜀和阵形状是确定性的；同时确定性基阵并不考虑周围环境的 噪声背景和干扰声源的影响。在设计常规基阵时，并不考虑如何有效地抑制 干扰，降低背景噪声对基阵的影响：计算基阵特性时，也并不考虑如何利用 接收信号特点达到提高信噪比，增强对信号的检测能力。常规基阵在进行基 阵的声学理论推导时认为声传播介质是均匀的、各向同性的，一句话，常 规基阵是放置在理想的自由声场条件下，研究空间方向诸特性规律。 在雷达、水声、生物医学工程、通讯、工业无损检测和无损评价、海样 资源勘测及地震波勘探等领域，不仅需要超声换能器或水听器( 或称传感器) 的装置，更需要由这些换能器( 或称传感器) 组成阵列的整个声学系统装备， 以满足愈来愈高的控制性能的要求。因此，近二十多年来近代声学基阵理 沦和处理装备获得了迅速的发展，但是，常规基阵的理论知识仍是近代声学 基阵理论的基础。通过对声学理论的研究，可以得到对基阵的讨论中的近似 哈尔滨工样大学硕士学位论文 条件为： a ) 对于平面波入射，若声源到基阵的距离为，基阵本身的线度为， 如图3 1 所示，d 为基元间隔，这时要求，d ； b ) 同时，设声波波长为旯，也就是信号频率所对应的波长，则应该满足 远场条件( 即非干涉场) 为r ，2 肛； c ) 仅考虑自由场，不考虑多途径反射和散射。 d ) 认为基元本身是无指向性的。即基元尺寸口满足条件a a 。 e ) 通常给出的基阵方向性图分别是窄带情况和宽带情况。 ， 声探 卜一，一 图3 】常规基阵的声场条件示意图 可以说，常规基阵研究的目的就在于写出( 或画出) 在不同形式传感器 布阵的条件下基阵的方向特性图，而以上的声学条件是必不可少的。 在研究声纳基阵指向性的同时，我们有必要对信号处理系统做一个大致 的了解a 一般来讲，信号处理系统可以分为时间处理器和空间处理器两种。 时- 空处理器的目的是利用信号和干扰噪声之间，在时间( 或频谱) 和空间特 性上的差异，把弱信号从干扰背景中提取出来。时间处理器仅利用它们在时 哈尔滨工程人学硕士学位论文 i 目| j 一i _ _ _ _ _ 间上的差异，以获得时间处理增益。在白噪声的条件下，所获得的最大时间 处理增益为2 w t ( 其中，w 为接收系统的等效带宽，t 为系统的积分时间) 。 从信号和噪声的空间特性上可以看出，信号可以认为是远场的平面波，而干 扰噪声却认为是各个方向入射平面波声场的线性叠加。这种不同的空间特性， 使我们可以利用基阵对声场进行空间处理，以获得空间处理增益。由此可见， 基阵在声纳系统中的作用是相当重要的。 在声纳中，基阵设计主要解决两类问题。 对目标进行定位、定向和测速是要首先考虑的问题之一，为此，要求： ( 1 ) 波束的形成。利用基阵形成波束，以确定目标的方位。 ( 2 ) 降低基阵指向性的旁瓣。旁瓣的存在可能产生虚假的目标方位， 同时可能使近场强干扰信号影响了远场弱信号的接收。 ( 3 ) 具有一定的搜索扇面和搜索速度。过去常用机械法使波束在空间 旋转，现在多采用多波束形成方法。 ( 4 ) 测定目标速度，并跟踪目标。 第二类问题是提高空间处理增益，以提高接收机输入端( 即基阵系统的 输出端) 的信噪比。基阵的这一作用，可以从声纳方程中得到进一步的说明。 根据不同的情况，声纳方程给出了声学参数和设备参数之间的关系。 被动声纳的声纳方程为 s _ 一t l 一( n l d 1 ) = d t ( 3 - 1 ) 主动声纳的声纳方程。以噪声干扰为主时为 s l 一2 t l + 7 s 一| + d 1 = d 7 。( 3 2 ) 以混响干扰为主时为 s l 一2 几十t s r l = d t( 3 - 3 ) 其中s l 为声源级，可表示为 s l = 7 1 + 1 0 l g 异+ d 1 7 ( 3 - 4 ) 在这里，只是声源功率；d 1 7 称为发射基阵的方向性指数，即 d i r 兰1 0 l g ， ( 3 - 5 ) 式中，为轴向集中系数，定义为 y 皇l o i ( 3 - 6 ) 其中，厶为换能器有指向性时，在指向性的轴向方向的发射功率：，为 哈尔滨工程人学硕士掌位论文 换能器无指向性时，在指向性的轴向方向的发射功率。显然，表示了发射 换能器有指向性后，能量集中的程度。 检测阂d t 表示接收机能做出有无信号判决时，在其输入端所需的最小信 噪比。 d ，j 亦为接收机基阵的方向性指数，反映接收机基阵抑制噪声的能力，即 空间处理增益。 盯= l o l g ( 等效的无指向性时的噪声功率有指向性时的噪声功率) 。 所以声源级毗、检测闽d t 和接收基阵方向性指数d i 均为设备参数。 声纳方程中还有信号在传播过程中的传播损失死，被探测目标的反射本 领四，目标噪声源的噪声级n l 和混响级五。这些参数都是与传播介质和目 标特性有关的声学参数。它们是不能人为调整的客观特性或规律，确定其规 律是水声物理学的任务。如何在给定的声学参数下，合理设计声纳设备参数， 则是声纳工程设计面临的主要问题。 从以噪声干扰为主的主动声纳的声纳方程可以看到，背景干扰