一种估计吊放声呐工作深度的简易方法
2016-09-07战和金中原杨日杰
战和，金中原，杨日杰
一种估计吊放声呐工作深度的简易方法
战和1,2，金中原1，杨日杰1
(1. 海军航空工程学院，山东烟台 264001；2. 92074部队，浙江宁波 315020)
反潜战中，吊放声呐的工作深度对探测效果影响较大，研究如何根据不同声速剖面确定最佳工作深度使探测距离达到最远，可有效提高探测效率。先将声速剖面划分为典型的几类，然后设计了一种使计算机能够自动识别其类型的方法，再在此基础上利用Bellhop模型找出不同声速剖面下的最佳工作深度规律。仿真结果证明快速算法在一定条件下可替代逐深度计算声呐作用距离，再通过比较选出最佳工作深度的传统算法的。
反潜战；声速剖面识别；吊放声呐；最佳工作深度
0 引言
在直升机反潜作战中，获取作战海区的声速剖面并根据该声速剖面快速确定吊放声呐的工作深度[1-2]，以使吊放声呐的探测效果达到最佳，是影响直升机吊放声呐探潜效果的决定性因素[3]。寻找最佳深度的传统方法是利用水声传播模型计算各个工作深度上的作用距离，以最远者为最佳[1]。由于是逐深度计算，该方法计算精度很高，但速度却十分缓慢，可供理论研究使用，却无法满足作战中的实时性要求。因此，可考虑研究传统方法的结论，总结归纳相应规律，研究一种在声速剖面数据基础上，能够自动识别声速剖面类型并利用规律快速给出吊放声呐最佳工作深度的方法，具有显著的军事效益。
1 声速剖面类型划分
由于经纬度、海域、洋流、季节甚至测量时刻的不同，获得的声速剖面曲线也不同。有关资料将海洋中0~500 m深度内所有可能出现的声速剖面划分为8种类型，其中包含了夏季在30~100 m深度左右的温度跃层的剖面。声速剖面体现了声速值随水深变化的趋势，根据该变化趋势，进一步可归纳出4种典型的声速剖面，如图1所示。
在最佳工作深度选择的意义下，海洋声速剖面可大致归纳为四种声速剖面类型：A、正梯度声速剖面，声速值随深度加深而增大；B、负梯度声速剖面，声速值随深度加深而减小；C、存在非两端极大值的声速剖面，且声速值随深度加深先增大后减小；D、存在非两端极小值的声速剖面，且声速值随深度加深先减小后增大。
2 声速剖面类型识别算法
获取声速剖面的手段多种多样，但是不论通过何种方式方法获取声速剖面，也不论获取的声速剖面属于何种类型，对计算机而言，都只是若干“深度-声速”数据对。因此，在基于声速剖面类型选择最佳工作深度之前，必须设计适当的算法使计算机能够对声速剖面的类型进行识别。
观察图1中四条声速剖面曲线，能够发现他们都可以表示为二次曲线的一部分，故可考虑利用二次曲线的数学特征，采用二次曲线拟合，获取二次项拟合系数a2和一次项拟合系数a1；再通过简单运算得到二次曲线的对称轴所在深度-a1/2*a2，记为Dmid。将声速剖面起点深度记为D0，终点深度记为Dmax(Dmax>D0)，则可由a2的正负结合Dmid、D0、Dmax之间的大小关系将获取的任意声速剖面识别归类至图1定义的四种类型。为形象说明该算法，特绘制如图2所示的类型识别示意图。
图2中显示的是声速-深度坐标系下，二次项系数分别取正、负值时的标准二次曲线，结合图1中划分出的四种常见的声速剖面类型，可发现各种类型的声速剖面从图形上都是二次曲线的一部分。例如，方框A选中部分沿深度方向呈简单的正梯度，因此可视为A型声速剖面，同理方框B、方框C、方框D选中部分也可分别视为B、C、D型声速剖面。
因此，可设计识别算法如下：
(1) 为减少运算量，仅取出声速剖面中位于深度标准层上的声速值，当海深较浅时可适当插入其他深度对应的声速值；
(2) 以标准层深度值作为自变量、对应声速值作为函数值，拟合为一条二次曲线，计算出a1、a2和Dmid的值；
(3) 根据图2中的六个方框进行分类讨论：a2<0且Dmid>Dmax时识别为A型声速剖面；a2<0且Dmid
3 最佳工作深度分析
吊放声呐在某种声速剖面下的最佳工作深度，指的就是使吊放声呐能够获得最佳声传播条件的深度，意味着在这个深度上吊放声呐可获得最大的作用距离。而影响吊放声呐作用距离的因素很多，除声速剖面外，还包括海底底质[4]、海水吸收系数等环境因素，声呐工作频率、接收机检测阈、处理增益等设备因素，目标深度、目标强度等外在因素。为此，本文在假定其他因素一定的情况下，通过仿真分析典型声速剖面下不同工作深度上的作用距离，找出最佳工作深度。
计算作用距离时选用Bellhop模型[5-7]，限于篇幅，本文仅以B型声速剖面为例详细介绍最佳工作深度的推理过程。仿真条件如下：海深为800 m、海底底质为砂-粉砂-粘土混合型底质(密度为1550 kg/m3)、压缩波波速为1566 m/s、压缩波衰减系数为0.2 dB/λ、切变波波速和切变波衰减系数取0、B型声速剖面(负梯度)、噪声级为58 dB、吊放声呐声源级为203 dB、目标强度为10 dB、处理增益为14 dB、检测阈为10 dB(检测概率50%)、频率为3 kHz、水平波束开角为±30°、目标深度为500 m。
图4为吊放声呐工作深度从15~300 m变化时对应的作用距离变化曲线。从图中可以看出，作用距离随吊放深度的变化波动较大，但整体趋势体现为吊放深度越深，作用距离越远。对于该现象可以这样理解：B型声速梯度下声线向下弯曲，吊放深度越深，经海表反射的声线数量就越少，反射损失就少，作用距离相对较大；当吊放深度继续加深到一定程度时，发射的声线在未达到海表时已“折”向下，避免了海表反射，作用距离则进一步增大。
从图4中还可看到，作用距离在100 m深度附近有较大提升，这是由于仿真中假设目标位于100 m，此时声波往返路程较短，海水吸收少，信号余量大。考虑到水下目标出于隐蔽的目的，其活动深度往往处于温度(声速)跃层下沿，因此可在已知目标深度时将目标深度作为吊放声呐最佳工作深度；目标深度未知时，若吊放声呐电缆长度足够，应选择海深中点作为吊放声呐的最佳工作深度。
利用同样的推理过程，对其他三种类型的声速剖面，可得到以下结论：在目标深度未知时，A型声速剖面下应选择海深中点深度；C型声速剖面下应选择下半段曲线中点深度；D型声速剖面下应选择曲线拐点深度。在已知目标深度时，均选择目标深度作为吊放声呐最佳工作深度。
4 性能分析
理论上，利用Bellhop模型逐深度计算吊放声呐作用距离求取最佳工作深度的传统方法必然是最精确的，其结论也可作为“真值”对其他方法进行精度检测。但该方法最致命的缺陷在于计算速度过慢，无法满足反潜直升机空中作业的实时性要求。而本文中提出的快速算法可大大提高运算速度，至于结果的准确程度则可以通过与传统算法的对比分析得知，如表1所示。
表1 快速算法与传统算法对比分析表
表1是快速算法和传统算法的对比分析表，计算条件中水深为800 m，C、D两种声速剖面的声速拐点深度为200 m，其余条件与上节相同。
表中列出了四种典型声速剖面下分别使用两种算法求得的最佳工作深度、在该深度上对应的吊放声呐作用距离和计算耗时，其中作用距离一项由Bellhop模型在对应深度上求得，用以检测快速算法给出的最佳工作深度精度。
从表中可以看出，快速算法的计算耗时仅为毫秒级(调试发现其中还有30多毫秒耗费在拟合运算中)，比逐深度计算的传统算法快了4个数量级，大大提高了运算速度；而且针对D型声速剖面，快速算法结论与真值完全一致；对于其他三型声速剖面，虽然从作用距离方面看，快速算法的结果与理论上的“最佳”存在一定误差，但由深度误差引入的探测距离误差最大时依然控制在25%左右，对水声作用距离而言，该误差范围是可接受的[8-9]。因此，在对计算速度要求较高时可使用快速算法替代传统算法。
5 结论
通过对不同声速剖面下吊放声呐最佳工作深度规律的研究，结合声速剖面的划分和自动识别方法，构建了一种快速计算吊放声呐最佳工作深度的算法。在作战和训练中获取作战海域的深度-声速数据后，利用该算法可快速自动识别声速剖面类型，并计算出吊放声呐的最佳工作深度，可作为机载辅助决策系统的一个有效工具。
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Simple approach to getting working depth of dipping-sonar
ZHAN He1,2, JIN Zhong-yuan1, YANG Ri-jie1
(1. Naval Aeronautics and Astronautics University,Yantai 264001,Shandong, China; 2.Unit 92074,PLA,Ningbo315020,Zhejiang, China)
In anti-submarine warfare, the working depth of dipping-sonar greatly affects detection results. Research on the optimum working depths under different sound speed profiles for the longest distance detection is helpful to improve the detection efficient of dipping sonar. In this paper, the sound speed profiles are firstly classified into typical types, then a smart fast algorithm is designed to achieve auto-recognition by computer; and finally with the Bellhop model, the change regulation of the optimum working depth for different types of sound speed profiles is figured out. Simulation results show that in some conditions the fast algorithm could be a substitution of the traditional algorithm, with which the detection distance of every depth needs to be calculated and then by comparing each other to select an optimal working depth.
anti-submarine warfare; classification of sound speed profiles; dipping-sonar; optimal working depth
TB566
A
1000-3630(2016)-01-0029-04
10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.01.007
2015-10-26;
2015-12-30
国家自然科学基金资助项目(61271444)
战和(1984－), 男, 山东龙口人, 博士研究生, 研究方向为水声工程与航空反潜。
战和, E-mail: zhanhe@foxmail.com
