（水声工程专业论文）艇用声纳信息辅助系统软件设计.pdf

a bs t r a c t t h es o f t w a r eo fs o n a ri n f o r m a t i o na u x i l i a r ys y s t e mf o rn a v a ls h i p si sa k i n d o fa p p l i e dr e s e a r c hw i t ha l li n t e g r a t i o no fm a r i n ee n g i n e e r i n g ，u n d e r w a t e ra c o u s t i c e n g i n e e r i n g ，n a v i g a t i o na n dp o s i t i o n i n g ，c o m p u t e r , g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ， a n do t h e rk n o w l e d g ea n dt e c h n o l o g i e s t h es o f t w a r ei sa l lo r g a n i cc o m b i n a t i o n o f s o n a rr a n g ep r e d i c t i o n ，s h i pn a v i g a t i o na n de l e c t r o n i cc h a r td i s p l a y i n f o r m a t i o n o fs o n a ra n dn a v i g a t i o nc a nb es h o w ni ne l e c t r o n i cc h a r t si nv i s u a l i z a t i o n ，a n dt h e r e a l t i m ep r e d i c t i o no fs o n a rr a n g ei s r e a l i z e db yo b t a i n i n gs u p p l e m e n t a r y i n f o r m a t i o nf r o mt h ed a t ai n t e r f a c eo rc h a r t s ，a n dt h er e s u l t so f s o n a rp r e d i c t i o ni s d i s p l a y e di ne l e c t r o n i cc h a r t s ，w h i c hp r o v i d ea v i s u a lp l a t f o r mf o rn a v i g a t i o na n d a u x i l i a r yo p e r a t i o n so fn a v a ls h i p s t h et h e s i s ，f i r s to fa l l ，t h e o r e t i c a l l yr e s e a r c h e sa n dd e r i v e s s o n a rr a n g e p r e d i c t i o n ，a n a l y z e ss o n a rp a r a m e t e r s ，c h a n n e lp a r a m e t e r sa n dt a r g e tp a r a m e t e r s o ft h e o r e t i c a lm o d e l s ，d e r i v e se q u a t i o n so fr a n g ep r e d i c t i o n o fa c t i v es o n a ri n n o i s ea n di nr e v e r b e r a t i o na n dp a s s i v es o n a r , a n dc o m p u t e ss o m et y p i c a le x a m p l e s i nd i f r e r e n tc o n d i t i o n s ；s e c o n d l y , t h ep a p e r i n t r o d u c e ss o f t w a r e r e l a t e d t e c h n 0 1 0 9 ya n dr e c e i v i n ga n dc o n v e r s i o no fn a v i g a t i o nd a t a ；i n s u c c e s s i o n ，t h e p a p e ra n a l y z e st h et h i n k i n ga n df u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so ft h es o f t w a r e d e s i g n i n o r d e rt om e e tt h es y s t e mr e q u i r e m e n t sa n de s t a b l i s h ag o o dm o d u l a rp r o g r a m s t m c t u r e ，t 圮r m c t i o n so ft _ h es o f t w a r ei sd i v i d e di n t o e l e c t r o n i cc h a r tc o n t r o l m o d u l e ，n a v i g a t i o n i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t m o d u l e ， s o n a ri n f o r m a t i o n m a n a g e m e n tm o d u l e ，d a t a b a s ea n di n t e r f a c em o d u l e ，i n t e r f a c eo p t i m i z a t i o na n d p r i n tm o d u l e s ，a n de a c h f u n c t i o n a lm o d u l e i sr e a l i z e df r o man u m b e ro f s u b m o d u l e s f i n a l l y , t h ee n t i r es o f t w a r ei sd e b u g g e dt om a k es u r e t h a ti tc a n f u l f i l la l lt h er e q u i r e df u n c t i o n s ，a n dt h ee f f e c ti si n t r o d u c e d 0 nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，t h es o f t w a r ei sd e v e l o p e du n d e rt h e p l a t f o 肌o fv i s u a lc + + 6 0 ，u s i n gm i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s e sc o m b i n e d w i t h m a p xt e c h n o l o g yp r o v i d e db ym a p l n f o ，b a s e do no b j e c t o r i e n t e dp r o g r a ma n d 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v i t yt e c h n o l o g yo nd a t a b a s em a n a g e m e n t k e yw o r d s ：s o n a r ；r a n g ep r e d i c t i o n ；n a v i g a t i o n ；m a p x 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、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经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) ：弓可童舸 日期： z o o7 年3 月2 d 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：珂茎虢导师( 签字) ：旁，陆 日期：2 7 年了月7 0 日2 口口c 年3 月2 0 日 哈尔滨工程大学硕七学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 艇用声纳信息辅助系统软件是在水声工程技术、数字海图技术、g p s 技术、信息技术支持下与声纳设备及各种舰船导航设备集成的软件。作为专 业化很强的这一信息系统技术，它主要解决动态特征可视化、运动过程监控、 辅助作战决策、过程计划与再现等功能。该系统软件的研究需要水声工程和 电子海图的有关理论支持，在空间数据多比例表达、多设备信号集成、基于 海图数据的分析决策方面要求较高。该软件不同程度的涉及到这些功能的开 发，将通用化的g i s 技术策略与水声工程应用相结合。 1 2 论文背景及意义 随着时代的发展，学科发展走向综合是一个普遍的趋势，本文将水声工 程、地理信息系统( g i s ) 和全球定位系统( g p s ) 的集成应用。 2 0 0 5 年1 月8 日，美国海军洛杉矶级核潜艇“旧金山”号在美国关岛基地 以南约5 6 0 公里处，撞上了一座旧海图上没有标明的水下山体，造成一名水 兵死亡和6 0 多人受伤。美国纽约时报的一篇文章披露，酿成此次事故 的元凶就是一张过期的海图和缺少良好的可视化信息辅助系统。美国海军在 华盛顿举行的一次新闻发布会上称，未来几年内美国海军的导航系统将发生 重要变化。由此可以看出，水面舰艇和潜艇将装备具有声纳、导航及环境信 息的综合信息辅助系统软件，为航海信息实现可视化具有重要意义，电子导 航辅助系统将全面取代传统纸质海图在海军中的地位。 对于海军尤其是舰艇来说，导航海图就像是舰艇的眼睛，是合理运用战 术和了解战场态势的必要保障。美国海军可以在高精确度的电子海图上实时 看到当前舰艇的准确位置以及活动状况，大大提升舰艇在航行过程中的位置 感，有利于舰艇的单独或协同作战。电子海图导航系统技术标志着海军强国 在海洋导航方面取得了“跳跃式”的进步，同时也意味着海军作战水平的提高。 信息化战争对舰艇信息化装备建设提出了新的要求，艇用声纳信息辅助 系统软件研究是舰艇信息化建设的核心内容之一。为了充分利用现代舰艇获 哈尔滨工程大学硕士学位论文 取信息的能力、加强艇用声纳信息辅助系统研究是提高舰艇导航及作战性能 的重要途径。 声纳系统是指利用水下声信息来进行探测、定位、识别、导航和通讯的 所有设备。许多国家为了提高海洋作战能力和增强反潜能力，都在努力加强 水声技术的研究。原因是水声设备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。在军事应用上声纳系 统在战法研究中越来越受到重视，这不仅仅因为它担负了水下通信、导航、 目标的探测、定位、跟踪等任务，同时由于海洋环境的错综复杂，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，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。 在现在的海军战术研究中，声纳作用距离是最受关注的指标之一，如果 在特定的海区能够预先知道声纳的作用距离，将会大大的增加本舰的战斗力。 声纳作用距离预报是反潜与防潜、防鱼雷的重要决策内容，是衡量对潜搜索 效果的主要指标。 人们对艇用声纳系统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。在研究声纳作用距离预报的过程中，我们就及时地把目光投向 合理利用已有的海洋环境传播损失数据模型上。 结合一些传播损失模型，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。 声纳系统的工作方式分主动和被动两种。舰艇声纳系统还不断对所在海 区的声传播条件和本艇噪声进行监测和分析，以便辅助导航及选择最佳的战 术决策和声纳使用方式。 1 3 声纳作用距离研究概况 声纳作用距离预报是给定声纳系统的- 1 4 工4 - 台日匕l , ，根据时间和海区的具体传播 条件、环境噪声、目标特性等参数，预先估算出对目标的发现距离，以此来 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 指导声纳的合理使用。无论主动声纳还是被动声纳，通常都希望获得尽可能 大的作用距离，以便提高发现目标的概率，确保战术使用的灵活性。 声纳作用距离是一项重要的战术指标，是舰艇反潜与防潜决策、水下作 战环境仿真和辅助作战决策的重要内容，为制定战术方案提供重要依据，因 此预报声纳作用距离是非常有意义的工作仁1 。首先，广泛应用在声纳设计中， 在给定水声环境条件、目标声特性参数和背景噪声的条件下，根据声纳工作 参数确定声纳的作用距离；其次，应用在作战模拟研究中，通常认为目标声 特性参数已知，在给定作用距离的条件下研究作战效果；最后，应用在海上 导航及作战过程中进行实时估计。 国内外在舰艇的实际应用中，采用了各种计算水声设备作用距离的简化 方法，如借助于专用计算尺、计算表、列线图、曲线和计算图板等p 1 。这些 方法主要是算出使介质有条件地分成照射区和阴影区的边界线的轨迹来确定 出几何作用距离。制造出各种给水声操作人员使用的计算图板。一般规定计 算的声纳的作用距离是正确地检测目标的概率为o 5 时的距离一1 。 对声纳作用距离评定是一项非常困难的工作。艇用声纳的作用距离与声 纳的主要技术参数、海洋及舰艇噪声干扰、海洋声特性、目标特性等因素有 关，其中许多参数是随机的，难于预测和控制，通常是从统计意义上进行预 报陋1 。在声纳系统的工作特性、传输性能、信号检测能力等因素的影响下， 作用距离是一个具有一定范围的有限值，这就是由声纳决定的最大作用距离。 同时由海洋的水文条件影响，还存在一个极限几何作用距离。声纳作用距离 的理想值应接近或达到由系统特性所决定的最大作用距离。由声纳方程估算 艇用声纳作用距离具有随机性，但实际最可能的作用距离一般在此估算值的 附近捌。 1 4 电子导航系统简介 现代舰船航海保证航行安全越来越重要，电子导航系统是安全的重要保 证，其中水声工程、雷达、g p s 、i n m a r s a t ( 国际移动卫星通讯系统) 已 被广泛使用，而电子海图显示和信息系统( e c d i s ) 的出现更加促进了航海 安全和提高了自动化程度p 1 。 在舰艇作战时，需要将自然环境信息( 海区地理条件、水文气象情况) 、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 敌方目标信息( 目标类型、工作特性、可能的战术) 、我方声纳工作参数等信 息综合处理和分析，才能做出合理的攻击或防御决策。电子海图在这个过程 起着重要的作用。电子海图是纸质海图的数字化产品，由于采用了计算机技 术而使它的功能大大增强，不仅大大提高了航海自动化和智能化水平，而且 可用于战场环境的信息分析，为指导员提供辅助决策捧1 。 目前国际上成型的电子海图产品有很多，国内也有类似产品。例如海军 大连舰艇学院研制的n s s - 2 0 0 e 航海支持系统除了能用于日常航行保障外，还 有专门的战斗航海模块，并且有航海资料数据库( 能够查询海区地理信息和 气象水文信息) 、舰艇数据库( 可以查询各国海军主战舰艇的战术技术性能) 。 利用计算机技术可以将各种收集到的有关信息方便地叠加标绘到海图上，给 指挥员提供一个直观、清晰的战场综合态势显示图。 日本的s n a 9 0 9 1 型综合电子导航系统，最佳航行计划功能的实现就是 采用了电子海图技术。在实现航行计划和航线分析之后，就进行电子海图的 编辑，它是利用海图数字化装置来实现的。 英国雷卡最新的系统m i r a n s 5 0 0 0 具有一个先进的电子海图系统 c h a r t m a s t e r , c h a r t m a s t e r 是通过把传统的纸质海图数字化，在一个高分辨的 2 6 英寸彩色显示屏上加以显示与纸质海图一道使用咿1 。 1 5 论文主要研究内容 目前我军在舰艇导航及作战系统上还没有完全实现可视化辅助决策系 统，而界面综合处理声纳信息与导航信息的系统平台更是迫切需求。论文在 研究艇用声纳作用距离辅助系统软件的需求上，主要研究的是声纳信息辅助 系统软件的设计，该软件具有声纳信息管理、声纳作用距离预报、舰艇导航、 电子海图显示及控制等功能，并将它们有机结合在一起。论文对声纳作用距 离预报进行了理论研究和推导，分析了声纳参数、信道参数及目标参数的理 论模型，推导了作用距离预报公式并列举了不同条件下的典型算例；论文介 绍了软件丌发的相关技术及g p s 导航数据的接收和转换；论文分析了软件设 计思想与功能要求，将软件的功能划分为多个模块，每一种功能模块又由若 干子模块实现。最后，对软件进行了联调实现总体功能，论文阐述了软件的 实现效果。论文各章的具体研究内容如下： 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第一章说明选题研究背景、目的和意义，综述了声纳作用距离预报技术 和电子导航系统。 第二章研究了声纳作用距离预报相关理论，对声纳作用距离预报所需的 声纳工作参数、海洋环境参数、目标特性参数等进行了理论研究，为声纳作 用距离预报提供理论依据。同时，分别推导了主动声纳和被动声纳在不同条 件下的作用距离预报公式，并用典型算例来说明声纳作用距离预报的步骤和 主要参数对预报结果的影响。 第三章介绍了软件开发技术的相关理论，其中包括全球定位系统( g p s ) 、 地理信息系统( g i s ) 、m a p i n f o 技术、a c t i v e x 控件的m a p x 理论。 第四章介绍了g p s 导航数据的接收n m e a 0 1 8 协议标准、o d b c 数据库 设计、地图投影及坐标转换的相关理论并给出了一些对应界面。 第五章详细介绍了软件的设计思想、设计流程、功能模块划分、界面效 果、组织结构等，重点分析了软件主要功能模块的设计包括电子海图控制模 块、导航信息管理模块、声纳作用距离预报模块，并采用o d b c 技术对例如 作用距离预报、测距、坐标转换等算法的数据库数据进行了后台处理。 最后，总结了论文的工作和结果，对软件的发展方向进行了展望。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章声纳作用距离预报的基本理论 声纳系统按用途来分有许多型号，但它们的工作方式分为主动和被动两 种。有目的的主动从系统中发射声波的声纳称为主动声纳；利用接收换能器 基阵接收目标自身发出的噪声或信号来探测目标的声纳称为被动声纳。主动 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，当 声波信号遇到目标，经目标反射后就可以形成回波，经过海水中各式各样的 散射体散射形成混晌。除了回波和混响，接收机还会接收到环境噪声，通常 包括海洋噪声和本舰自噪声。对接收机来讲，回波是信号，其余都是干扰。 被动声纳根据目标辐射的声波检测目标，这种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的噪声或是目标引起的其它声音。声纳系 统模型反映了声纳、介质和目标三者的关系川。介质和目标的特性是无法控 制的，而声纳的发射方式和接收方式是可以合理选择的，因而预使声纳作用 距离更远需使声纳最佳的与介质、目标的特性匹配。 本章在对声纳工作模型及作用距离预报所需的声纳参数、信道参数、目 标参数进行了分析研究的基础上，利用优质因素，根据传播损失模型及声纳 系统在不同工作状态下推导了相应作用距离预报方程式，从而解算出声纳作 用距离的估值，并列举了相应典型算例分析主要参数对声纳作用距离的影响。 2 1 声纳作用距离预报基础 在海军战术研究中，声纳的战法研究越来越受到海军领域的重视。而声 纳作用距离是最受各国海军关注的指标之一，如果在特定的海区可以预先知 道声纳的作用距离，将会很大的增加本艇的战斗力川。 声纳作用距离定性或定量的表征了声纳在不同工作条件下所具有的特 点。正确检测目标或信号的概率等于给定值时的距离称为水声设备的作用距 离，也可以理解为能有效的发现目标并检测其数据的最大可能测量的距离， 是各种声纳必不可少的重要战术指标之一。声纳作用距离预报是给定声纳系 统的性能，根据时间和海区的具体传播条件、环境噪声、目标特性等参数， 预先估算出对目标的发现距离，以此来指导声纳的合理使用。声纳作用距离 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 预报是舰艇反潜、防潜、防鱼雷等辅助战术决策的重要内容，是衡量舰艇对 潜艇搜索效果的主要指标n 2 1 。 环境噪声 图2 1 艇用主动声纳系统工作模型 环境噪声 图2 2 艇用被动声纳系统工作模型 艇用主动声纳系统工作模型如图2 1 所示，主动声纳系统工作时，有两 种背景干扰：噪声和混响。艇用被动声纳系统工作模型如图2 2 所示，因为 声纳不发送声信号，所以背景干扰只有噪声。 声纳作用距离预报通常要从相应的声纳方程的近似形式中解出含有作用 距离的参数。声纳方程有如式( 2 1 ) 、式( 2 2 ) 及式( 2 3 ) - - 种形式。 以噪声为主要背景干扰的主动声纳方程： 脱一2 儿+ 碍一( n l d i ) = d t( 2 1 ) 式中，毗为声纳辐射声源级( d b ) ；t l 为声源的传播损失( d b ) ；t s 为目标强 度( d b ) ；n l 为声纳工作带宽内的噪声级( d b ) ；d i 为声纳接收指向性指数 ( d b ) ；d t 为检狈0 阈( d b ) 。 以介质中的散射体的散射或混响为主要干扰的主动声纳方程： 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i s l 一2 t l + t s r 三= d t ( 2 2 ) 式中，皿为声纳接收的混响级( d b ) 。 在主动声纳系统中，作用距离随输出声功率增加而增加，直到回波开始 淹没在混响背景里为止。当回波淹没在混响背景里时，称作用距离受混响限 制，超过这个功率值，作用距离再也不会增加，因为回声级与混响级同时随 功率增加而增加。因此，输出声功率只能加到这样大，使得该系统在最大有 效距离上的混响级等于背景噪声级。 被动声纳方程能表示为： 观一兕一( n l d i ) = d t ( 2 3 ) 式中，皿为噪声源辐射噪声的声源级( d b ) 。 一个组合参数优质因数( f o m ) ，是与作用距离有关的较为科学的 衡量标准。对于噪声为主要背景干扰的主动声纳优质因素定义为： 1 f o m = 去( 乩+ 瑙一+ d _ 一d t ) ( 2 - 4 ) z 对于以混响为主要背景干扰的优质因素定义为： 1 f o m = 二s l + t s r l d t )( 2 5 ) 、， 、。 么 被动声纳的优质因数定义为： f o m = s l 一( 亿一d i + d t ) ( 2 6 ) i ：匝亟舞= 匣 l i 图2 3 声纳作用距离预报的思想框图 声纳作用距离预报思想框图如图2 3 所示。作用距离预报的实质是尽可 能的精确估计优质因数，即需精确预报或确定儿，s l ，n l 和品质因数q 的值。 声纳的品质因数q 可以通过实验测量或海上测量，也可以通过利用仿真信号 源在线进行测量。声源级龀可以根据目标不同类型予以测定；当给定声纳的 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 工作频段，便可以计算某特定环境的干扰级n l 。因为传播损失小于等于优 质因数，当它们相等时，就可以推导出不同条件下的声纳最大作用距离。 声纳在最大作用距离上不一定能每次都发现目标，即有“漏报”现象。 假如检测了次，漏报了n 次，定义检测概率： 尸( d ) ：_ n - - n ( 2 7 ) v 漏报概率： 1 - p ( d ) = 等 ( 2 8 ) v 若在次中谎报了m 次，定义虚警概率： p ( f a ) ：i m ( 2 9 ) v 在给定声纳系统提出最大作用距离时，应当给出p ( d ) 和p ( f a ) 的要求。 声纳的作用距离取决于：传播损失、声纳系统的参数和特性、目标声源 的参数和特性及声速分布等。强调这样一个事实：声速垂直分布由负梯度过 度到正梯度是形成声照射远区现象的充分条件，若要利用这点，声源及接收 换能器投放深度都要有一定范围。水声设备的设计和使用人员的任务是相应 地选择声源或接收换能器的潜水深度，用以保证水声设备具有最大的作用距 离。所以，声纳作用距离预报要充分考虑以上各因素的影响。 2 2 声纳参数 以主动声纳方程为例，声纳系统设备性能对作用距离有很大影响，如发 射声功率，工作频率，换能器阵的阵形，发射、接收指向性，检测阈等参数。 图2 4 声纳发射机基本组成 水声发射接收机作为声系统最前端的设备，是其重要组成部分，它能在 水中将电信号转化为声信号以声波的形式发射出去探测目标，然后接收换能 器接收回波信号，处理机再对接收到的信号进行分析处理，从而完成对目标 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的识别、测向、定位等功能。主动声纳发射机的基本组成如图2 4 所示。主 要由三部分组成。第一部分是波形产生器，它的功能是产生一定形式的波形 信号；第二部分是发射多波束信号形成器，形成多个空间波束的发射驱动信 号，向水中空间某一指定扇面角度或全方向提供声能，用来定位等；第三部 分是功率放大器，波形产生器产生的信号功率很小，需要加到声纳换能器上 的电信号功率要达到千瓦，甚至兆瓦的量级，所以功率放大必不可少。当发 射机和接收机共同使用一个换能器基阵时，为了使发射机和接收机都能正常 工作，必须采用收发转换开关。 1 发射电脉冲功率p 电脉冲功率是指发射脉冲持续时间内发射机消耗的平均功率，可表示为： p = 丢譬 p 呐 式中，玑是发射机输出的峰值电压，尺是发射换能器辐射电阻。 脉冲功率决定着声纳的最大有效作用距离，声源级阻的估计公式为： s l = 1 7 0 8 + 1 0 l o g p + l o g e + d i ( 2 1 1 ) 式中，e 为换能器电声转换效率；d i 为空间指向性指数。 在一般情况下，换能器的发射声功率随工作频率变化，在共振频率时具 有最大的辐射功率。在一定频率和采取某种信号处理方法的情况下，换能器 的发射声功率越大，声信号传播越远，作用距离就越远。 2 脉冲宽度r 脉冲宽度不仅与混响强度及显示指示器的识别能力有关，而且还应考虑 最小作用距离和目标距离分辨率等因素。从最小作用距离考虑有： f 鱼 ( 2 1 2 ) 式中，r m i 。n n d , 作用距离；c 为声速。 在满足最小作用距离和距离分辨率的情况下，适当增加脉冲宽度r ，将 增加作用距离。增加脉冲宽度f ，也就是增加发射能量，采用主动声纳最佳 接收机匹配滤波对信号进行处理，相当于增加了发射功率。因此，主动声纳 一般都具有几种不同脉冲宽度、工作方式及可供选择的信号调制方式。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 工作频率厂 发射机的发射频率即为主动声纳的工作频率，它是一个很重要的指标。 采用不同的工作频率，直接关系到声波在水中的传播衰减、换能器的指向性 指数、接收灵敏度以及在这个频率范围上的电路噪声电平等。这些因素都影 响声纳的作用距离，而提高作用距离是声纳要解决的主要矛盾。对发射器来 说，一般都使它工作在谐振基频上，这样能获得大功率发射和高效率的特性。 目前，声纳的工作频率从几千赫兹到几百赫兹。较高的工作频率应用在近距 离的测深设备、航道测量或海底地貌图的测量设备中。较低的工作频率主要 用在以探测远距离目标的声纳中，此时要求作用距离远，但发射机体积大， 换能器的尺寸也比较大。 如果声纳用在装备编队航行的舰只，以及要求在一个大的海域内对水下 目标进行跟踪定位或进行攻击时，为了避免相互之间的同频干扰，同一类型 的声纳可以采用若干个不同的频率段，各相邻频率间的频率间隔一般应不小 于1 k h z 。 4 指向性d i 水声基阵的指向性是指其发射响应( 电压响应或功率响应) 或接收响应 ( 声压灵敏度或功率灵敏度) 的幅值随方位角变化的一种特性。其定义为由 一个无指向性水听器输出的噪声功率级与实际水听器输出噪声功率级的差。 它是表征接收器或基阵抑制非目标方向干扰能力的参数。通常它在某个方向 上有一个极大值的响应或灵敏度。接收基阵的波束图愈尖锐，指向性指数愈 高，抑制噪声的能力愈强。 本论文考虑的基阵阵元为平面圆形活塞换能器，而圆形活塞的指向性指 数为： d i = 1 0 1 9 ( 爿删g i 一掣i 陋聊 式中，d ，的单位为d b ；以( 勉) 为一阶b e s s e l 函数；k = 2 ，r 2 为波数；兄为 工作频率对应的波长：a 为平面活塞的半径。当c a 1 时，及a 兄时， 以( 2 k a ) - - - 0 。 当圆活塞的直径2 a 兄，可以采用如下理论关系式作近似计算： 哈尔滨_ 丁程大学硕士学位论文 d i l o l g ( k a ) 2 ：1 0 1 9 等 ( 2 1 4 ) 式中，k 为波数；a = 刀口2 为圆形活塞的有效辐射面积。 5 检测阈d t 检测阂d t 定义为在某一预定的检测判断置信级下，在接收机输入端测 得的接收机带宽内的信号功率级与1 h z 带宽内噪声功率级之差，其表达式为： d t = 1 0 1 9 ( 2 1 5 ) v 0 式中，s 为接收机带宽内的信号功率；0 为1 h z 带宽内的噪声功率。 检测阈有两个方面的意义：一是检测系统本身的性能。检测系统为了完 成判决功能，需要一定的输出信噪比。在这一要求的输出信噪比情况下，信 号处理系统处理增益越高，则检测阂值越低，检测系统性能越好。二是在接 收机端输出端设定一个阂值，用来判断目标的有无。接收机的输出超过门限 判定为有目标，否则判定为无目标。接收机输入端存在目标而判定为有目标 的概率为检测概率，在接收机输入端不存在目标而判定为有目标的概率为虚 警概率。检测概率和虚警概率与接收机输出端的信号加噪声及噪声的概率密 度函数、设定的门限和输出信噪比有关，接收机工作特性曲线表征了检测概 率、虚警概率和输出信噪比间的关系。 给定检测概率和虚警概率，由接收机工作特性曲线可以求得需要的输出 信噪比，或称检测指数d ，定义为： d ：幽! 型；坠辽( 2 - 1 6 ) 仃。 式中，m ( s + n ) 为信号加噪声输出均值；m ( n ) 为噪声的输出均值；仃2 为输 出噪声功率或称为方差。 再根据接收机的特点求得检测阈d t 。信号确知时，可求得： d t = l o l g 熹 ( 2 一1 7 ) 式中，z 为信号持续时间。 在信号确知的情况下，最佳接收机是互相关器或高斯白噪声背景下的匹 配滤波器。对于高斯白噪声背景下信号完全未知的情况，可得： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 d t ：5 1 9 d w f 2 1 8 ) 丁 式中，形为接收机的带宽。在这种情况下，最佳接收机是能量检测器。 d t 取决于接收机系统的处理增益和要求的检测概率易和虚警概率b 。 由只求出归一化门限瓦，由求出系统输出信噪比，由处理增益和信噪比 可以求出d 丁。 2 3 混响与噪声掩蔽下主动声纳方程的选用 主动声纳方程中，选用噪声掩蔽下的声纳方程还是选用混响掩蔽下的声 纳方程进行作用距离预报是一个需要考虑的问题，这不仅因为用不同的方程 式求解的作用距离不同，还因为仿真计算必须与舰艇声纳的实际工作相符， 选用不同的声纳方程代表着声纳系统工作于不同的环境条件和状态下。 宙 级 ( r i b ) r 。 r rr n 距离( m ) 图2 5 回声级、噪声级及混响级与距离的关系 在实际应用中，声纳方程中各参数的不同组合给予不同的名称：其中 “s l 一2 t l + t s ”称为回声信号级，表示在水中主动声纳接收换能器测得的 回声信号的声级；“n l d i + d t ”称为噪声掩蔽级，“r + d 瓦”称为混响 掩蔽级，这两者均表示在不同的干扰背景下声纳设备正常工作所需的最低信 号级n3 1 。回声级、混响级和噪声级均为距离的函数，其中噪声级一般随距离 变化很小，回声级和混响级都随距离的增大而衰减，但是回声级比混响级衰 减快，两者相交距离t 由混响掩蔽下的声纳方程给定，称为混响限制距离， 见图2 5 所示。同理，由回声级与噪声级i 相交处决定的噪声限制距离名由 噪声掩蔽下的声纳方程给定。一般情况下，如果小于，则混响级高于噪 哈尔滨工程大学硕士学位论文 声级，主要干扰为混响，声纳作用距离受混响限制；如果，大于一，也就是 噪声升到图中i i 位置，则主要干扰为噪声，作用距离预报受噪声限制。由此 可以确定选用哪种声纳方程。 上面是从理论上进行分析，实际使用中情况并非都如此。对于具有自适 应门限的声纳，可能在同一种设定条件下，一部分是以噪声为主要背景干扰 进行计算的，而另一部分则是以混响为主要干扰进行的，这时声纳作用距离 的求解就应按上面的分析，通过比较混响和噪声级的大小来确定选用哪种声 纳方程。 2 4 声波信道 声波在海洋中传播时，随着传播距离的增加，其能量逐渐衰减，使传播 距离受到限制。同时声速分布、主动声纳产生的混向、海洋环境噪声等都对 作用距离预报产生很大影响，下面分别讨论。 2 4 1 声速分布 水声设备换能器的下沉深度或被测目标相对于具有各种声速垂直梯度值 的水层位置的变化会引起水声信号传播条件的变化，因此会相应地影响声纳 的作用距离。海水中的声速与温度、盐度和静水压力有关。各水文站收集到 的资料，即在标准水层中测得的温度、盐度和深度值，是声速场在海洋中有 关时一空变化的主要资料来源。世界大洋中声速的平均值约等于1 5 0 0 m s ，在 大洋表面声速变化的可能范围约在1 4 3 5m s 至15 4 0 m s ，而在大深度处则为 1 5 7 0m s 至1 5 8 0 m s 。这里需要说明，个别具有十分大的声速梯度的水层， 仅在海的表层可观察到。因此，这样的梯度层的总厚度只占整个海洋深度的 一个极小的百分数，它们对艇用水声设备作用距离变化的影响是微不足道的。 不久前开始研究了声速场细微结构对水声设备预期作用距离计算精度的影响 的估计，但这个问题还远未解决。 声速分布对声纳作用距离的影响非常大，例如当呈现负声速梯度时，声 波在透过不同声速层时会发生折射，引起声线弯曲。根据折射定律，入射角 不断减小，掠射角不断增大，声线就会向声速减小的方向弯曲。经过多次折 射后，声线折向下方。若把水层分成无穷多层，每层趋于无穷薄时，声线就 1 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 变成了平滑的圆弧线。 当声速梯度毋 0 ，声波掠射角为九，设x 为声波传播的水平距离，】，为 声波传播的垂直深度，向下为正，为声速极大值，则声线的轨迹方程卅为： r,x2f,x2r- x 2 卜两c ot a n 丸h 卜南j2 l 南j 弘柳 这是一个圆方程，说明在声速为恒定负梯度时，声线呈圆弧向海底方向 弯曲。圆弧半径厂= ( c o ( | l c o s ) ) ，圆心位于o ( - c ot a n # o i l ，c oj i g 。i ) 。 由此会在远距离上形成声影区。当目标例如鱼雷等处于声影区内时，若 不考虑多次反射的话，声纳是无法检测到目标的。与具有声速最大值的平面 相切的声线传播距离最远，该声线为临界声线。由临界声线决定的声波作用 距离称为极限几何作用距离。对位于 深度上的声源和乜深度上的接收器， 其极限几何作用距离可用下式计算： 。厝( 压+ 压) ( 2 2 0 ) 对主动声纳来说，脉冲发射周期是固定的。由式( 2 2 0 ) 知，不同声速 对应着不同的最大作用距离，这是首先要考虑的。如果通过声纳方程求解的 作用距离大于极限几何作用距离，则应将声纳作用距离值修正为极限几何作 用距离。因为实际上若超过此距离目标已处于声影区，声纳无法检测到目标。 2 4 2 吸收系数 传播损失死是量度声源到远处接收机之间声强衰减大小的一个物理量。 如果厶表示距声源中心1 米处的声强，是接收机处的声强，则声源到接收 机处的传播损失为： ，、 t l = l o l g i2 0 ，i ( 2 2 1 ) j r ， 声波在介质中传播衰减的原因，可归纳为下列三个方面： 1 扩展损失，是由于声波波阵面在传播过程中不断扩展而引起的声强衰 减，也称为几何衰减。 2 吸收损失，通常由于介质粘滞、热传导及其他驰豫过程引起的声强衰 哈尔滨工程大学硕士学位论文 减。 3 散射，在海水介质中，存在泥沙、气泡和浮游生物等悬浮粒子以及介 质不均匀性，引起声波散射和声强衰减，海水界面对声波的散射等原因。 为了量化计算传播损失儿，首先将其视为扩展损失和吸收损失之和，至 于与距离无关的损失，包括散射和折射效应所产生的损失，这里不予考虑。 海水声吸收用海水吸收系数来描述，它的定义为： 口：! q ! 堡互二! 垒! 咝 f 2 2 2 ) 吃一 、。 式中，口为海水吸收系数；五和l 分别为声波在和巧处的声强。 海水声吸收系数同声波的频率及海水的温度、盐度和静压力等有关。声 波的频率越低吸收系数越小，随温度的变化而变化。 海水的声吸收系数可在海上直接测量，海上直接测得的结果，往往不能 排除海水中的气泡和悬浮颗粒散射引起的声强衰减的因素，称海上直接测得 的结果为海水衰减系数。 工程应用中，计算声纳作用距离时可以用下式估算吸收系数5 1 口： 口：鬈+ 羔+ 2 7 5 1 0 一f 2 + 0 (2-23)2 51 00 0 322口= + _ - i + ( 一 1 + 厂24 1 0 0 + 7 r 2 、 另外，表2 1 中给出了一组可供选择的口值，利用线性差值可获得其它 频率下足够精确的历值，非按近似公式的计算值，对于估计频率变化带来的 影响非常实用n q 。 表2 1 可供选择的口值 衰减系数o l ( d b k m ) 温度r ( o c ) o 。5 k h z 1k h z2 煳z5k h z 1 0k h z2 0 l 出z 5 0k h z9 9l ( h z 50 0 2o 0 6o 1 4o 3 3 1 o o3 8 0 1 53 0 1 0 0 0 2 o 0 60 1 40 2 9 o 8 23 3 0 1 63 5 1 5 0 0 2 o 0 6o 1 4o 2 6 o 6 82 8 0 1 74 0 2 4 3 声传播损失模型 影响作用距离预报的精度因素很多，在通常情况下，传播损失取如下式： t l = 2 0 l o g r + 口r x l 0 3( 2 - 2 4 ) 1 6 哈尔滨工程大学硕士学何论文 在预报作用距离时，采用式( 2 2 4 ) 的传播损失模型，这在理论分析和实际 中都很有意义。但是在航海时也需要根据实际环境而定。下面给出常见的两 种典型传播损失模型：混合层声道和均匀浅海声道的传播损失模型。 混合层由等温层、压力正梯度形成的，根据s n e l l 定律，声波会向上折 射，使得近海面的声源所发射的部分声能量保持在海面附近，沿着由许多圆 弧所组成的声线轨迹，在海面经历多次反射传至很远，式( 2 2 5 ) 是w f b a k e r 提供的混合层声道传播损失模型u ”： lt l = 2 0 1 0 9 r + ( 口+ 吼) ，1 0 刁 当， 3 5 0 h 2 式( 2 2 6 ) 为均匀浅海声道的传播损失模型”： 7 z = 2 0 1 9 r + 口r 1 0 3 + 6 0 一红 厂 8 h 式中，仡为传播损失，厂为作用距离( k m ) ，口为海水吸收系数( d b k m ) ，h 为过度距离( k m ) ，h = 【( d + 三) 3 】，d 为海水深度( m ) ，l 为浅海混合层 厚度( m ) ，口r 为浅海衰减系数，吃为近场异常衰减系数，它与海况和海底的 类型有关，昕，缸可通过海况、底质通过查询数据库获取。 2 4 4 混晌 从声纳方程中可以看出，当舰艇启动主动声纳时，除了受到环境噪声、 舰船自噪声等背景噪声干扰外，还受到混响信号的干扰，而且在很多情况下， 混响是主要的背景干扰，此时混响限制了声纳的作用距离。 1 混响的定义 当舰船上的声纳系统工作在浅海时，海底和海面所引起的混响将严重影 响声纳工作，成为主要的干扰因素。在主动声纳中，发射声脉冲信号遇到目 标会产生反射，称为回波。声信号遇到海底、海面以及水中的悬浮粒子、海 洋生物和气泡等也会产生反射，这种反射或散射称为混响。反射至声源的入 射声能的分量称为反向散射，反向散射的总能量就是混响，混u 向中既包含目 标检测的背景也包含目标本身的回波，使目标的检测变得困难。混响过程是 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 声信号发射后，在接收点观测到的合成散射声场随时间逐渐衰减的一种非平 稳随机过程，其起点与脉冲发射的瞬间一致。混响干扰集中在基阵发射方向 性波瓣内，发射信号刚刚结束时混响最强，随着时间的增长衰减很快，直至 消失，其频率与发射信号的频率相同。 2