杜敬林， 马忠成， 李　然， 崔剑锋

(大连测控技术研究所， 辽宁 大连 116013)

水下目标低频辐射噪声矢量声场干涉测试分析

杜敬林， 马忠成， 李然， 崔剑锋

(大连测控技术研究所， 辽宁 大连 116013)

摘要:矢量传感器具有与频率无关的偶极子指向性， 可以同步、 共点和独立测量声场中的声压和质点振速， 在水下目标辐射噪声测量领域得到广泛应用.本文采用虚源干涉模型和简正波矢量声场理论， 计算和仿真分析了水下目标低频辐射噪声声压与质点振速近程声场的时间-频率干涉图案， 利用单矢量传感器辐射噪声测量系统在北黄海海域对单个和两个目标的水下辐射噪声进行了测试和分析.结果表明： 水下目标低频辐射噪声声场质点振速水平分量与声压的时间-频率干涉条纹具有相似性， 而声场质点振速比声压的时间-频率干涉条纹清晰， 且质点振速能够抑制目标与目标辐射噪声之间的干涉； 利用质点振速LOFAR图， 可以判定水下目标的数目， 区分水面和水下目标.

关键词:水下目标辐射噪声； 矢量传感器； 质点振速； 虚源模型； 干涉图案

辐射噪声一直是衡量舰船战斗力及生存能力的主要性能之一， 由于其军事意义重大而一直受到研究者的关注.随着减振降噪技术的发展， 水下目标的辐射噪声强度也随之大幅度降低， 有些水下目标的辐射噪声甚至已经达到与海洋环境噪声相当的程度， 传统的辐射噪声测量为获取可观的空间增益多采用庞大的声压水听器阵列[1].而矢量传感器可以同步、 共点和独立地测量声场中的声压和质点振速的各正交分量， 且单个矢量传感器具有与频率无关的指向性， 能够在低频、 小尺度阵形下获得一定的空间增益.因此， 矢量传感器自上世纪80年代问世以来， 在水下噪声测量、 噪声源定位、 目标探测与识别等领域得到广泛应用[2,3].

本文以射线声学的虚源干涉模型和简正波声学理论为基础， 理论计算、 仿真分析了基于矢量传感器的水下目标辐射噪声声压和质点振速近程声场的干涉现象， 结合单矢量传感器水下目标低频辐射噪声测试， 分析了水下单个目标和双目标辐射噪声近程声场声压和质点振速矢量特性， 为水下目标被动探测与识别提供了新方法.

1波导条件下水下目标低频辐射噪声声场干涉理论

浅海中的波导不变量理论指出： 在一定条件下， 浅海中宽带信号在传播过程中由于受海面和海底反射的影响会产生干涉[4，5].文献[4]用劳埃德镜(Loyd’s mirror)分析了浅海中水下目标辐射噪声传播过程中的干涉现象.

1.1水下目标辐射噪声的干涉模型

接收传感器与目标通过的最近水平距离(正横距离)为r0， 目标(运动速度为v)与接收传感器的水平距离

(1)

图 1　水下目标运动示意图Fig.1　The sketch map of under target movement

当目标在深海运动时， 即海深远大于距离， 仅考虑海面反射， 不考虑海底界面反射对声传播的影响.假定海洋介质均匀， 海面反射系数为-1， 由射线声学理论可得接收传感器的声压p(r,f)和质点振速vr(r,f),vz(r,f) 为

(2a)

(2b)

(2c)

(3a)

(3b)

(3c)

当上式为零时， 则有

(4)

(5)

当目标在浅海运动时， 必须考虑海底界面对声场的影响.按照上述推导可得由一次海底反射声和海面海底反射声组成的海底偶极子干涉条纹的双曲线方程[7,8]

(6)

当距离一定时， 由式(5)和式(6)可分别计算出海面反射和海底反射的抵消频率

(7)

(8)

由式(5)，式(6)可以看出， 水下目标辐射噪声LOFAR(Low-Frequency Acquisition Ranging)图中的干涉条纹包含了目标深度、 运动速度等信息， 当传感器接收深度、 海水深度和声速一定时， 利用时间-频率平面内的干涉条纹可以提取水下目标运动参数.

文献[9,10]根据波导不变量给出了可反映海洋环境信息的宽带信号LOFAR图干涉条纹的轨迹方程， 利用干涉条纹提取目标运动参数或海洋环境信息.文献[11]利用水下目标辐射噪声的虚源干涉模型联合空间谱估计提出了一种基于矢量传感器的水下非合作目标距离、 方位、 深度等目标参数估计方法.

1.2水下目标辐射噪声的简正波矢量声场理论

水下目标辐射噪声传播过程中的时间-频率(或距离-频率)干涉现象也可由简正波理论推导.由简正波和矢量声场理论可知, 深度为zs的简谐点源在接收距离r接收深度zr处激发的矢量声场声压与质点振速的声能量可表示为

(9a)

(9b)

(9c)

式中：vn=κn+iβn为简正波的复本征值，κn为第n号简正波波数水平分量， 即本征值的实部；βn为简正波的指数衰减因子， 即本征值的虚部；ψn(z)为简正波的本征函数. 式(9)中的第一项是实数， 是各阶简正波自身的能量， 随距离和频率缓慢变化； 第二项是不同阶简正波之间的相互干涉而产生振荡， 是形成距离-频率平面上明暗相间干涉条纹的原因.

2水下目标辐射噪声低频干涉特征仿真分析

2.1水下目标辐射噪声低频干涉特性仿真

假设海水声速垂直分布为等声速， 根据水下目标辐射噪声的虚源干涉模型， 图 2 给出了海深60 m、 接收传感器深度为水下30 m、 目标水下10 m和30 m(航速4 m/s)、 正横距离500 m时水下目标辐射噪声的时间-频率干涉图案； 图 3 给出了海深1 000 m、 接收传感器深度为水下100 m、 目标水下10 m和100 m(航速4 m/s)、 正横距离500 m时水下目标辐射噪声的时间-频率干涉图案.

图 2　浅海条件下目标水下10 m(左)和30 m(右)、 传感器水下30 m正横距离500 m时的干涉条纹Fig.2　Interference pattern when target in 10 m(left) and 30 m(right) depth and sensor in 30 m depth and uprightness distance 500 m in shallow sea

图 3　大深度条件下目标水下10 m(左)和100 m(右)、 传感器水下100 m正横距离500 m时的干涉条纹Fig.3　Interference pattern when target in 10 m(left) and 100 m(right) depth and sensor in 100 m depth and uprightness distance 500 m in deep sea

由图 2， 图 3 可以看出：

1) 直达声和海面反射波组成的偶极子形成的干涉条纹具有较大的频率间隔， 干涉条纹集中于相对较高的频段； 海底反射波和海面海底反射波组成的偶极子形成的干涉条纹频率间隔较小， 干涉条纹集中于相对较低的频段.

2) 当目标和接收传感器之间的距离一定时， 海面反射的抵消频率和海底反射的抵消频率都是等间隔的， 海面反射的抵消频率间隔与目标深度、 接收传感器深度、 声速有关， 海底反射的抵消频率间隔与目标深度、 接收传感器深度、 声速及其海水深度有关.

3) 当声源和接收传感器深度一定时， 声源与接收传感器的水平距离越远， 干涉条纹越稀疏， 干涉条纹的频段也相对较高.

2.2水下目标辐射噪声矢量声场仿真

根据式(9)， 对浅海和南海两种海深条件下水下目标辐射噪声声场声压和质点振速进行数值仿真. 其中： 浅海为等声速条件， 南海声速垂直分布如图4所示.

Ex1： 浅海等声速条件下水下目标辐射噪声声压和质点振速声场仿真.仿真条件： 目标水下30 m、 传感器水下30 m、 海深60 m、 正横距离500 m、 频率分辨率1 Hz.图 5(a)， (b)， (c)给出了浅海等声速条件下水下目标辐射噪声声压、 质点振速水平分量和质点振速垂直分量LOFAR图.

Ex2： 南海条件下水下目标辐射噪声声压和质点振速声场仿真.仿真条件： 海深1 000 m、 正横距离500 m、 传感器和目标位于水下30 m和100 m， 频率分辨率1 Hz. 图6(a)， (b)， (c)和(d)， (e)， (f)分别给出了南海条件下传感器和目标位于水下30m和100m时目标辐射噪声声压、 质点振速水平分量和垂直分量LOFAR图.

图 4　南海垂直声速分布Fig.4　Vertical sound speed of South-China sea

图 5， 图 6 的仿真结果与基于射线声学的干涉特性模型的仿真结果是一致的.由图可以看出：

1) 水下目标辐射噪声质点振速水平分量和垂直分量与声压在LOFAR图上呈现为双曲线簇的干涉条纹； 即使在大深度条件下， 水下目标辐射噪声依然存在明显的干涉现象.这与文献[12]中水下目标辐射噪声声场声压与质点振速互功率谱和相位谱的时间历程图是一致的.当目标靠近海面时， 在辐射噪声声场声压和质点振速水平分量的LOFAR图上可清晰看见辐射噪声源直达波与海面反射波产生的双曲线干涉条纹， 在质点振速垂直分量的LOFAR图上可看见辐射噪声源直达波与海底反射波产生的双曲线干涉条纹； 随着目标航行深度的增加， 在辐射噪声声压、 质点振速水平分量和垂直分量的LOFAR图上均能看见辐射噪声源直达波与海底反射产生的双曲线干涉条纹.因此， 通过质点振速垂直分量LOFAR图干涉条纹及其疏密程度、 抵消频率间隔等可以区分水面和水下目标.

图 5　浅海条件下目标辐射噪声声压与质点振速声场Fig.5　Acoustic pressure and particle velocity sound field of underwater targetradiated noise in shallow sea

2) 温度深度方向上的不均匀性会使水下目标辐射噪声的干涉条纹发生改变.在等温层条件下， 水下目标辐射噪声的干涉条纹比较规则， 在LOFAR图上呈现为双曲线簇.而当温度在深度方向上发生变化时， 目标辐射噪声的干涉条纹会发散.主要是因为温度的不均匀性使辐射噪声源至接收传感器的直达波和经海面或海底至接收传感器的反射波的传输路径发生改变， 导致直达波与反射波的干涉发生变化.

图 6　南海条件下水下目标辐射噪声声压与质点振速声场Fig.6　Acoustic pressure and particle velocity sound field of underwater target radiated noise in South-China sea

3浅海单矢量传感器水下目标辐射噪声低频干涉特性试验分析

图 7， 图 8 给出了大连海域低频四分量矢量传感器接收到的水下目标辐射噪声声压与质点振速LOFAR图.测试海域水深50 m， 矢量传感器安装于透声载体平台(水下系统呈中性浮力)布放于水下25 m， 矢量传感器X轴方向与海流流向一致, 平均时间8 s、 分析带宽1 Hz.

图 7 是渔政船距矢量传感器最近距离500 m左右时辐射噪声声压p与质点振速vx,vy,vz的LOFAR图； 图 8 是货轮距矢量传感器正横距离3.704 km: 左右时辐射噪声声压p与质点振速vx,vy,vz的LOFAR图.

浅海条件下不同类型水下目标辐射噪声声压与质点振速LOFAR图表明： ① 由于海面、 海底界面尤其是海底界面的声反射， 水下目标辐射噪声声压p和质点振速vx,vy,vz的LOFAR图具有清晰的时间-频率干涉条纹， 这与2.1和2.2中的理论仿真结果是一致的. ② 相对水下目标辐射噪声声压p的LOFAR图， 质点振速vx,vy,vz的LOFAR图的干涉条纹更加清晰， 并且可以通过目标辐射噪声LOFAR图准确判定水下目标的数量.主要是因为矢量传感器质点振速vx,vy,vz具有空间偶极子指向性， 可以抑制海洋环境背景噪声和干扰.此外， 由于多个目标在空间位置上有差异， 矢量传感器在接收单个目标辐射噪声的同时， 抑制了其它目标的辐射噪声， 降低了目标与目标辐射噪声声场之间的干涉.图8中， 辐射噪声声场声压p和质点振速vx，vy，vz的LOFAR图出现了2簇干涉条纹， 干涉条纹之间不连续且具有一定的独立性， 是由2个运动目标产生的时间-频率干涉图案.由于目标与目标辐射噪声声场之间的干涉， 辐射噪声的时间通过特性上可能出现3个尖峰.因此， 相比声场声压LOFAR图， 质点振速LOFAR图更易区分出目标的数量.

图 7　渔政船辐射噪声声压与质点振速LOFAR图Fig.7　Acoustic pressure and particle velocity LOFAR pattern of fishing-administer ship radiated noise

图 8　货轮辐射噪声声压与振速LOFAR图Fig.8　Acoustic pressure and particle velocity LOFAR pattern of cargo ship radiated noise

4结论

本文从虚源干涉模型和简正波理论方面对水下目标近程低频辐射噪声声场声压和质点振速的时间-频率干涉图案进行了理论计算和仿真分析， 利用单矢量传感器辐射噪声测试系统获取了水下单个目标和双目标辐射噪声的LOFAR图， 并对此进行了分析. 结果表明： 不同条件下水下目标低频辐射噪声声场声压与质点振速LOFAR图的干涉条纹存在相似性和差异性， 利用声场质点振速LOFAR图的干涉条纹可以准确判定水下目标的数量， 利用质点振速垂直分量的时间-频率干涉条纹可以判别水面和水下目标.

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Experimental and Analysis About Vector Acoustic Interference of Underwater Target Low-Frequency Radiated Noise

DU Jinglin, MA Zhongcheng, LI Ran, CUI Jianfeng

(Dalian Scientific Test and Control Technology Institute, Dalian 116013, China)

Abstract:The vector sensor has dipole directionality which was independent of frequency, which could measure sound pressure and particle velocity synchronously, concurrently and independently. It was widely used in underwater target radiated noise measuring domain. It was simulated and analyzed about time-frequency interference pattern of acoustic field pressure and particle velocity of underwater target low-frequency radiated noise based on fictitious interference model and normal-mode vector acoustic theory. The underwater radiation noise of single and two targets in the north the Yellow Sea is tested and analyzed by using the single vector sensor radiation noise measurement system. The result show that horizontal component of the particle velocity is similar to the time frequency interference fringe of the sound pressure in the low frequency radiation noise of the underwater target. and particle velocity is clearer than the time frequency interference fringe of the sound pressure the particle velocity of vector hydrophone can restrain interference of two target radiated noise, it can judge underwater target number and distinguish surface or underwater target making use of diagram of particle velocity.

Key words:under water target radiated noise; vector hydrophone; particle velocity ; fictitious model; interference pattern

文章编号:1671-7449(2016)03-0246-08

收稿日期:2015-11-12

基金项目：装备预先研究基金资助项目(5130303030102)

作者简介：杜敬林(1978-)， 男， 高级工程师， 硕士， 主要从事水下声学测量和水声信号处理研究.

中图分类号:O427.9

文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.03.012