Page 57 - 《应用声学》2023年第2期

第 42 卷 第 2 期 岳文蓉等： 浅海动态环境下蛙人探测声呐布放深度优化技术 245

其中，θ 为掠射角；c为声速。 其中，AN 为环境噪声级，其计算如式 (11)；AG N 为
高斯射线束的变化过程通过引入两个变量p和 接收阵列的噪声增益；AG R 为接收阵列的混响增
q 来控制，如式(4)、式(5)所示： 益，两者的计算参照文献[5]。
dq N (f) = 10 lg f −1.7 + 6S + 55, (11)
= cp (s) , (4)
ds
dp c nn 式(11)中，f 为频率，单位kHz；S 为海况等级。
= q (s) , (5)
2
ds c (s) Ferla 等 [6] 将探测概率与信号余量的关系表示
其中，c nn 是声速在声线路径法线方向上的二阶导 为式 (12)，使用该式将信号余量与探测概率相关联，
数。因此，ϕ、A可表示为高斯声线宽度W 的函数： 求得每个栅格内声呐对目标的探测概率：
 ∫ SE [ 2 ]
[ ] 1 x
 ϕ (n, s) = exp −(n/W) 2 , p D (SE(r, z s , z g )) = √ exp − dx,

 2
 2πσ 2σ
 −∞

 √
 (12)
 1 c δα 2 cos α
A(s) = 0.25 , (6)
 (2π) c(0) r W 其中，SE 为前一部分求出的信号余量，信号余量




 δα 为 0 dB 是探测概率为 1/2。两者之间的关系如图 2

 W = v (s) ,

c(0) 所示。
其中，δα 为临近声线的夹角。
1.0
然 后 把 u i (s, n) 转 化 为 柱 坐 标 系 下 的 声 压
u i (r, z)，用携带能量的声线叠加的到最后的声场。 ଊ฾ഐ ဋ p D 0.5
本文采用非相干的计算方式，声压p s 为
[ ] −1
N ( )
∑ wz 0 sin θ 2 0
p s (r, z) = 2 sin 2 |u i (r, z)| , -20 -10 0 10 20
c 0 ηՂ͸᧚SE/dB
i=1
(7)
图 2 信号余量与探测概率之间的变化曲线
其中，z 0 为声呐的入水深度；c 0 为声源处的声速。 Fig. 2 Change curve between signal excess and
传播损失TL可由式(8)计算： detection probability

p (r, z) 2.1.3 等效作用距离
TL = 20 lg . (8)
p (1, z)
在计算得到探测概率后，定义等效作用距离为
2.1.2 探测概率 探测概率在距离上的积分，如式 (13) 所示，将其作
信号余量将水文、地理环境和声呐系统均考虑 为度量依据。等效作用距离并不是声呐实际的作用
在内，其结果在一定程度上反映了声呐系统性能。 距离范围，而是对声呐探测能力的简单度量。
蛙人探测声呐大多工作在浅海或极浅海，受混响 ∫ +∞
R (z s , z g ) = p D (SE (r, z s , z g )) dr. (13)
的影响严重，故在计算时选择混响受限的主动声呐 0
方程， 2.2 声呐布放深度自适应优化算法
SE (r, z s , z g ) = SL − 2TL (r, z s , z g ) + TS 以往研究主动声呐的最佳布放深度时，通常以
等效作用距离最大为准则选择最佳布放深度。这种
− NL (r, z s , z g ) − DT, (9)
做法存在一定的不合理性，因为目标并不一定位于
其中，SE 为信号余量；SL 为声源级；TS 为目标强 等效作用距离最大值所在的深度上，通过该准则得
度；DT 为检测阈；RL 为混响级，其计算可以参照文 出的数据不具有普遍性。本节考虑在浅海动态环境
献 [4]；r 表示距离；z s 表示声源深度；z g 表示目标深 下，假设目标位置已知，计算蛙人探测声呐对目标的
度；总噪声级NL可表示为 探测概率，以不同的择优准则进行两次筛选得到声
( )
AN−AG N RL−AG R 呐的最佳布放深度。图 3 为声呐布放深度自适应优
NL = 10 lg 10 10 + 10 10 , (10)
化算法流程图。