双基地声纳海底混响面元划分与建模

　　0 引言

　　双基地声纳利用空间分布的一组发射声源和接收器进行目标检测、定位、跟踪和识别,其作为探测安静型潜艇的有效手段已被广泛接受。自20世纪90年代以来,国外一直致力于双基地声纳技术的研究。在单基地声纳中,由于收发合置,海底混响主要以后向散射为主,混响区域呈圆环状,圆环不同位置上的散射强度基本一致。而在双基地情况下,收、发是分置的,海底混响主要以侧向散射为主,混响区域呈等时椭圆环状,椭圆环不同位置上的散射强度各不相同,其与双基地的几何配置、探测方向等很多因素有关。目前,国外相关的研究大多集中于双基地海底散射强度,得到了一些经验公式和理论模型[1-4]。而对影响双基地性能另一主要因素的混响面元的划分和计算的研究公开报道较少。本文提出了一种双基地声纳海底混响区域的面元划分方法,并利用SSA模型[5-6],建立双基地声纳海底混响模型。

　　1 双基地声纳海底混响几何关系

　　传统的单基地声纳,声源和接收器放在同一个位置,所接收的海底混响是海底等时圆环上的后向散射回波。而双基地声纳是收发分置的,即彼此相隔一定距离和一定深度,所接收的海底混响不再是后向散射回波,而是海底界面等时椭圆环上的侧向散射回波[7],几何关系如图1所示。

　　假设发射基地T位置为(x1,0,h1),接收基地R位置为(x2,0,h2),发射和接收指向性分别为bT和bR,α为海底散射区域,Ai为掠入射角,θs为掠散射角,β为双基地角,φ为平面外角,D1为发射基地与海底散射区域的距离,D2为接收基地与海底散射区域的距离。

　　2 双基地声纳海底混响建模

　　在观测时刻t,双基地声纳海底混响的有效声强为:

　　式中,I0为发射声强,SL=10lgI0为声源级,Sbb=10lgS'bb为双基地海底散射强度,dA为产生双基地海底混响的面元面积。所以,双基地声纳海底混响级为:

　　由式(2)可知,双基地海底散射强度和散射区域面积的计算是建模的两个重要环节。其中,双基地海底散射强度的建模是国内外研究的热点,已得到了一些理论和经验模型。本文采用基于小斜度近似(SSA)理论的海底散射强度模型进行海底散射强度的估计。

　　2.1 混响区域面元划分

　　假设发射无指向性,混响面积主要由双基地几何配置、脉宽、探测距离和接收束宽等因素决定。某一时刻产生海底混响的区域是由等时椭圆环与接收束宽围成的,如图2(a)所示。阴影区为某时刻产生混响的区域,T'、R'分别为发射、接收基地在海底平面上的投影。由于阴影区范围较大,不同位置的掠入射角、掠散射角和平面外角各不相同,所以各处的海底散射强度也不一致。