基于水下滑翔機的水聽器陣設計與探測性能分析

魏陽杰，王淵，張營，劉志武，趙洪冰

（1.中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京，210007；2.北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094）

0 引言

水下滑翔機具有自噪聲低、能耗低、效率高、續航能力強、隱蔽性強等突出優點，一方面可為海洋科學研究、海洋搜救打撈、海底設備布放檢測維修回收、海洋資源開發與利用等提供支撐；另一方面方面可用于海洋軍事目標（例如敵潛艇、艦船、水下無人探測平臺）的探測和偵察，為情報搜集等提供支撐。與浮標和潛標等無人平臺相比，水下滑翔機具有優越的機動性、可控性和高效性，無需專門的動力系統，成本低廉，適合大規模組網應用，構建水聲偵察網。因此，水下滑翔機特別適宜用于水聲偵察領域［1-3］。

1 作用對象分析

1.1 主動聲納信號

主戰艦艇需要裝備主動聲納用于探測、攻擊以及導航等，從而會輻射出主動聲納信號。

驅逐艦安裝的主動聲納典型型號為美國海軍“伯克”級導彈驅逐艦裝備的AN/SQS-53C型綜合主戰聲納以及英軍42型導彈驅逐艦裝備的2050/2016型綜合聲納。護衛艦安裝的主動聲納典型型號為美國海軍“佩里級”級護衛艦裝備的AN/SQS-53B型綜合主戰聲納。主動反潛浮標也會產生主動聲納信號，其典型代表為美軍的SSQ-62E型主動聲源浮標。以上聲吶主要技術參數如表1所示，其中SSQ-62E型主動聲源浮標聲源級≥200 dB；工作深度含27 m、120 m、460 m三檔可選。艦艇主戰聲納的效率一般在0.2～0.7之間，方向性指數一般在10～20 dB之間，則對于150 kW功率聲源，當效率為0.2時可計算其聲源級的上限與下限分別為：

表1 各型號主動聲吶技術參數

當效率為0.7時可計算其聲源級的上限與下限分別為：

1.2 水聲通信信號

有時為了水聲通信的需要，潛艇、水下無人平臺等通常會裝備用于水聲通信的主動聲納設備，國外常用的水聲通信裝備的通信距離大于3 km，典型的工作頻段為2～30 kHz，信號形式有擴頻信號、MFSK信號、MPSK信號以及OFDM信號等，信號形式類型較豐富。水聲通信設備的聲源級一般都比較大，一般≥170 dB（10 kHz）。

1.3 輻射噪聲信號

任何船艦在運行時，主機和輔機都一直在運作，而且船體的其他結構部件由于機械振動都會產生噪聲，通常意義下船艦輻射噪聲分為3個大類：機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲。

1） 機械噪聲是船艦低速航行時的船艦噪聲的主要成分。船艦旋轉的不平衡部件、重復不連續工作的部件、往復部件，這些部件所產生的噪聲均為有線譜噪聲，其主要成分就是振動基頻及其諧波分量。其他機械噪聲還有各種管道、泵管中流體所產生的空化、排氣以及軸承、軸頸上機械部件等產生的連續譜噪聲?？偟膩碚f，機械噪聲是構成船艦噪聲的低頻部分，其中推進系統的輻射噪聲具體表現為強線譜和弱連續譜的疊加，這些線譜的幅度和頻率都與船速相關。而輔機部分所產生的線譜與航速無關，其線譜的幅值和頻率都表現得相對穩定。

2） 螺旋槳噪聲是由螺旋槳自身振動和在水中旋轉所產生的噪聲，與機械噪聲類似，螺旋槳噪聲也會產生連續譜以及線譜噪聲。

3） 水動力噪聲是不規則水流作用于船艦后產生的噪聲。大多數情況下，水動力噪聲對船艦輻射噪聲的貢獻不大，通常都被淹沒在機械噪聲和螺旋槳噪聲中，但在某些特殊情況下，比如當空腔被激勵成線譜噪聲的共振源時，水動力噪聲就會成為主要的噪聲源。

通過前面的分析可以發現船艦輻射噪聲其實就是由連續譜和線譜疊加而成，其有如下的特性：

1） 續譜噪聲主要由機械噪聲，螺旋槳噪聲和水動力噪聲共同產生。連續譜的主要頻段可以從幾赫茲到數萬赫茲，在低頻段是以6～12 dB／倍頻程的正斜率增加，而在高頻段是以-6 dB／倍頻程的負斜率下降，其中譜峰值一般出現在100～1 000 Hz之間。

2） 線譜主要分布在輻射噪聲的低頻部分，少數情況會出現在1 000 Hz附近。線譜的頻率較為穩定，且有一定的規律。

3） 聲級隨距離的衰減量一般與水深和海底介質有關，但在遠場時一本近似為6 dB／倍頻程。

典型潛艇目標的輻射噪聲級總結如圖1所示，并定義噪聲潛艇的源級為140 dB，安靜型潛艇的源級為120 dB，極安靜型潛艇的源級為100 dB［3］。

圖1 典型潛艇目標的輻射噪聲級

2 基于水下滑翔機的水聽器陣設計

由于矢量水聽器通常適合用于低頻段的水聲偵察，且在運動平臺上應用效果不佳，所以為了兼顧對目標海域低頻以及中高頻水聲信號進行全向偵察，采用高靈敏度、小型化標量壓電陶瓷型水聽器進行組陣，同時結合功耗以及水下滑翔機的外形特點，設計水聽器陣，如圖2所示。

圖2 基于水下滑翔機水聽器陣結構示意圖

3 水聽器陣探測性能分析

3.1 作用距離分析

仿真中假設海底為平坦海底，海深1 000 m，海水密度為1.6 g/cm3，聲速分布采用典型munk聲速分布如圖3所示。

圖3 munk聲速分布圖

假設聲源深度100 m，利用BELLHOP射線聲學模型，當聲源為230 dB@3 kHz的主動聲納目標時，計算其傳播損失與FOM之間的對比，如圖4所示?？梢钥闯?，在本文仿真的海洋環境下，本文水聽陣系統對典型聲源級為230 dB@3 kHz的艦艇主戰聲納目標的最大作用距離超過100 km。

圖4 聲源頻率為3 kHz時偵察距離分析

設聲源深度100 m，利用BELLHOP射線聲學模型，當聲源為170 dB@10 kHz的水聲通信聲納目標時，計算其傳播損失與FOM之間的對比，如圖5所示?？梢钥闯?，在本文仿真的海洋環境下，本文水聽陣系統對典型聲源級為170 dB@10 kHz的水聲通信聲納目標的最大作用距離超過15 km。

圖5 聲源頻率為10 kHz時偵察距離分析

同理對于輻射噪聲的偵察，假設聲源深度100 m，采用簡正波模型，當聲源為140 dB@100 Hz噪聲潛艇輻射噪聲目標時，計算其傳播損失與FOM之間的對比，如圖6所示?？梢钥闯?，在本文仿真的海洋環境下，本文水聽陣系統對噪聲潛艇目標的最大作用距離超過9 km。

圖6 聲源頻率為100 Hz時偵察距離分析

3.2 測向性能分析

水下聽陣系統采用波束比幅測向體制，出于計算量以及測向精度的考慮，在水平方向預成16個波束，覆蓋水平方向0～180°。當入射角度為90°、偵察頻率為1 kHz時，仿真其波束圖如圖7所示，其主瓣寬度大約在33°左右，仿真得到的16個波束的覆蓋圖如圖8所示，可見其滿足相鄰波束之間3 dB覆蓋，滿足使用要求。

圖7 入射角度為90°波束

圖8 水聽器陣16波束覆蓋圖

4 結束語

本文設計了一種基于水下滑翔機的水聽器陣，并詳細分析了該陣的性能，通過分析可知，當偵察頻率為1 kHz時，該陣的方位分辨率在33°左右。同時通過對基于水下滑翔機的水聽器陣性能分析可知，其對聲源級230 dB@3 kHz主動聲納信號的有效作用距離最大可達100 km以上，對聲源級170 dB@10 kHz水聲通信信號的有效作用距離最大可達15 km以上，對聲源級140 dB@100 Hz輻射噪聲信號的有效作用距離最大可達9 km以上，系統性能良好。