声传感器垂直线阵列测距技术研究

沈广楠+李金平+毕佳宇+张鹏

摘 要：根据海洋声速分布特点，分析了基于可靠声路径算法的可达到的最大被动水声探测距离。通过声传感器垂直线阵列接收声线和最远探测距离，证明了深海环境可靠声路径算法可以实现声传感器垂直线阵列远程水声探测，通过对垂直线列阵阵元数的仿真，表明增加阵元数能够提高声传感器垂直线列阵的探测能力。研究结果为在深海环境下远距离探测提供了理论依据。

关键词：可靠声路径；垂直线列陣；被动测距；深海探测

中图分类号：TB566 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）02-0007-02

Abstract： According to the characteristics of ocean acoustic velocity distribution， the maximum range of passive acoustic detection based on reliable acoustic path algorithm is analyzed. It is proved that the reliable acoustic path algorithm of deep sea environment can realize the remote acoustic detection of acoustic sensor vertical line array by receiving the sound line and the farthest detection distance of the acoustic sensor vertical line array. The simulation results show that increasing the number of array elements can improve the detection ability of the vertical array of acoustic sensors. The results provide a theoretical basis for remote detection in deep-sea environment.

Keywords： reliable acoustic path； vertical array； passive ranging； deep-sea detection

引言

目前常用的三角法定位技术对海洋环境不均匀性声线弯曲及波阵面畸变等影响较敏感，且作用距离受限，一般不适合深海远距离被动定位[1-2]。利用可靠声路径理论进行被动测距技术相较于三角法定位具有能够实现对深海目标进行准确定位的优势，可以更早地发现目标，对于深海目标被动测距的工程应用具有很好的指导意义。本文在研究可靠声路径理论的基础上，分析了声速剖面对可靠声路径的影响及垂直线列阵布放深度与临界深度的关系，通过仿真得到了利用可靠声路径算法能够进行目标测距，为进一步开展被动目标定深研究、提高被动目标定深精度奠定了基础。

1 声速剖面模型

影响声波在海水中传播速度的主要因素有温度、盐度和压力（深度）等，其中温度的变化对声速的影响最大[3]。通常按温度参数可将深海分为表面等温层、主跃变层、深海等温层[4-5]。Munk给出了深海典型“三层结构”的理想化声速剖面模型计算式，在没有实际海洋环境参数的情况下，能够获得某一海域的声速，Munk声速剖面模型计算式如（1）式[6]。其中，ε=0.00565，η=2（z-z0）/z0，z0表示声速最小处的深度。

（1）

2 可靠声路径

深海中声速值与海表附近最大声速值相等处的深度称之为临界深度。当垂直线列阵布放深度大于临界深度时，声传播路径不受近海面效应或海底相互作用的影响，将产生可靠声路径。若垂直线列阵声传器布放在临界深度以上，声源到达声传感器之间无直达声线，此时声线会在海面产生多次反射折射，声能量逐渐减弱，若放置于临界深度以下，声线传播时间短、最先到达接收点，声能量传播损失最少。因此，利用可靠声路径方法进行计算，需将垂直线列阵声传器布放在临界深度以下的近海底处。

3 可靠声路径算法垂直线列阵探测距离分析

在不考虑接收门限的情况下，接收阵最上面的水听器能最先接收到水面目标的声辐射。此时计为时间t0，之后随着目标的接近，接收阵其他阵元也相继接收到水面目标的声辐射，时间计为t1、t2、t3、t4和t5，由相邻声传感器能接收到声辐射的时间差△t以及该区域的声速剖面即可计算出水面目标的水平距离[7]。根据可靠声路径算法，将垂直阵声传感器布放于临界深度与海底之间，如图1所示。

在图1中，3号水听器能最先接收到水面目标不经过海面海底反射（散射）的声信号，计为t0，且海域的声速剖面已知，即各深度下的c（z）与n（z）（折射系数）已知，则有

其中c3为接收阵3号水听器处的声速，z3为3号水听器处的深度，？琢3为临界可靠声路径对应的出射角度。

随着水面目标的接近，2号、1号水听器接收相继接收到不经海面海底反射（散射）的声信号，根据式（2）能够获得t1和t2，通过时间差△t0，1=t1-t0以及△t1，2=t2-t1可解得水面目标的深度z，进而可求得水面目标的水平距离为

其中z'为声线反转处的深度，此处声线掠射角为？琢'=0，因此上式可化为

仿真一：依据Munk声速分布，海底为平坦海底，在z0=200m时，临界可靠声路径对应的出射角度为[-45°，45°]，考虑一次反射，此时的临界深度z临界=738m，应用可靠声路径理论垂直线阵列布放深度的范围为z∈[738，1000m]，声传感器垂直线阵列阵元数N=6，图2（a）为阵元置于水下750m处根据可靠声路径理论，仿真得到的海水中传播声线的示意图，图2（b）为阵元置于水下1000m处的传播声线示意图。

仿真二：结合仿真一的结果，垂直线阵列声传感器接收最远声源，即垂直线阵列探测距离，仿真如图3所示。

从图中可以看出，在z0=200m时，垂直线列阵利用可靠声路径方法最远探测距离可达到3.75km。在给定探测距离的情况下，根据可靠声路径理论能够得到垂直线列阵布放情况。

4 结束语

本文从实际需求出发，介绍了海洋声速分布特点，分析了基于可靠声路径算法的声传感器垂直线阵列最大被动水声探测距离。通过仿真结果表明，深海环境可靠声路径算法可以实现声传感器垂直线阵列远程水声探测，适当增加垂直线列阵的阵元数能够提高声传感器的探测能力。这为基于深海探测环境的目标探测与识别、反潜作战、海洋开发等提供了重要的理论依据。

参考文献：

[1]田坦，刘国枝，孙大军.声呐技术[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2000：38-50.

[2]邢军，苗锦，刘忠，等.基于垂直线列阵的深海被动目标定深精度分析[J].计算机仿真，2009，26（2）：41-44.

[3]李启虎.声呐信号处理引论[M].北京：海洋出版社，1985：100-123.

[4]刘伯胜.水声学原理[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2010：54-62.

[5]Urick.水声原理[M].哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社，1990：178-184.

[6]王鸿吉，韩建辉，杨日杰.基于RAP的垂直线列阵时反定位研究[J].传感器与微系统，2015，34（4）：56-58.

[7]Kim S，Kuperman W A，Hodgkis W S，et al. Echo-to-reverberation enhancement using a time reversal mirror[J].J Acoust Soc Am，2004，115（4）：1525-1531.endprint