Page 110 - 应用声学2019年第4期
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0 引言 其中，k rm 为波数矢量 k 0 的水平分量，第 m 号简正
波的掠射角可表示为
当前，低频大孔径线列阵声呐凭借其低频探测
k rm
声传播衰减小、阵增益高的优势，成为对安静型水 cos φ m = . (2)
k 0
下目标实现远程探测的有效手段。在提供水下目标
远程信息时，测向精度是该类声呐的重要指标之一。 定义第i号简正波的相对强度：
低频大孔径线列阵声呐测向精度与波束宽度 P i (r, z s , z r , ω)
|A i | = . (3)
有关，测向误差估计值通常取3 dB 波束宽度的0.14 倍。 max j=1:m P j (r, z s , z r , ω)
在浅海、深海直达声区和第一会聚区，由于到达接收 将式(1)代入式(3)，得到
阵的声线掠射角较小，声线难以分辨大掠射角声线 √
Ψ i (z r , ω)Ψ i (z s , ω) k rj
造成的测向误差 [1−3] (或者说，参考声速与简正波相 |A i | = √ . (4)
max j=1:m Ψ j (z r , ω)Ψ j (z s , ω) k ri
速度不一致引起的测向误差 [4] ) 可以忽略，该测向
误差估计方法可较为准确地反映实际情况。但是， 各阶简正波相对强度 |A i | 随 φ m 的变化情况称
在深海海底反射区，以大掠射角的声线作用为主，会 为简正波在 “角谱域” [4] 的分布，该分布决定了简正
产生测向误差增大现象。吴俊楠等 [1] 和宋俊 [4] 分别从 波在水平距离上的分布情况。由式(4)可知，简正波
射线声学和简正波理论的角度解释了该现象的物 在角谱域的分布与水平距离无关，只与本征值与本
理机理。吴俊楠等 [5−6] 还指出，在深海某些区域，由 征函数 (或者说与声源深度、接收阵深度和外部环
于声线的多途到达现象，线列阵声呐还会出现方位 境条件)相关。
分裂现象。但是目前，关于低频大孔径线列阵声呐 对于深海 Munk 声道 [7] 下的低频声场，其简正
在深海测向性能下降 (含测向误差增大和目标方位 波的角谱域分布(即φ m −|A i |曲线)如图1所示。在
分裂) 现象出现的区域位置、下降的量化数值预报 不同距离处，均存在固定的某 “几簇” 掠射角下简正
等方面尚缺乏研究，使得线列阵声呐在深海下的作 波相对强度较大，对声呐探测性能起主导作用，这种
战使用及信号处理方法改进缺乏基础理论支撑。 现象称为深海声场的“简正波簇”现象。
本文针对该问题，开展深海声场简正波分布结 假设声源与目标深度、声速值、混合层深度、声
构研究，提出深海存在 “简正波簇” 现象，且在角谱 道轴深度和海深变化，根据式 (1)∼ 式 (4) 分析简正
域上的高簇 “简正波簇”分布存在稳定性；角谱域上 波簇在角谱域的分布规律。
高簇简正波在深海海底反射区形成高簇简正波主 (1) 声源与目标深度变化对简正波簇角谱域分
要作用区和多个高簇简正波的干涉，导致线列阵声 布的影响
呐在进行常规波束形成处理时，产生测向误差增大
在典型深海 Munk 声道下，假设声阵与目标同
和方位分裂现象。通过估计深海海底反射区中高簇
深，分别取5 m、50 m 、80 m 和100 m ，对应的简正
简正波空域分布和多簇简正波干涉位置，本文预报
波簇角谱域分布如图2所示。
了低频大孔径线列阵声呐深海测向性能下降的位
(2)声速值变化对简正波簇角谱域分布的影响
置和下降的量化数值，在此基础上提出了常规阵列
考虑声速剖面整体变化 (声速值同时增加但声
信号处理方法的改进方向。
速梯度值保持不变)的情况，声速值每次变化5 m/s，
1 深海声场简正波分布结构 对应的简正波簇角谱域分布情况如图3所示。
(3) 混合层深度变化对简正波簇角谱域分布
1.1 深海声场“简正波簇”现象及其角谱域分布 的影响
简正波理论指出，在水平不变波导中，声场由 中纬度大洋海区的混合层通常具有明显的季
各阶简正波叠加而成： 节性变化，夏季较浅，冬季较深，而其下的主跃层结
P(r, z s , z r , ω) = 构往往变化较小。假设主跃层的形态结构不变，而
j ∑ e −jk rm r 混合层深度从50 m至200 m 变化，对应的简正波簇
√ Ψ m (z r , ω)Ψ m (z s , ω) √ , (1)
ρ(z s ) 8πr k rm 角谱域分布情况如图4所示。
m
