双基地声纳目标低频散射特性研究

　　传统的水声设备基本上都是按单基地方式工作,故而隐蔽性较差。随着近代水声对抗、舰艇隐身等技术的发展,水下复杂目标的远程探测变得越来越困难,使得单基地声纳的探测能力受到了严重挑战,因为吸声材料的出现降低了主动声纳的作用距离;而潜艇降噪技术的发展,又使得被动声纳的探测范围大大减小。在水下目标低频回波中包含着丰富的目标信息(如体积、形体轮廓等具体信息),且在低频段,由于水声信号能得以有效传播,潜艇降噪难度最大,因而提高探测能力的潜力最大。低频双基地声纳兼有单基地主、被动声纳的特点,具有隐蔽性能好、抗干扰能力强、机动灵活、作用距离远、定位精度高、易于优化设计等优点,已成为当前国内外研究的热点问题[1~4],该声纳也必将成为未来对付安静型潜艇的有效手段之一。

　　建立双基地声纳目标散射声场模型是分析双基地探测性能的一个重要环节,文献[1,2]都基于物理声学近似(即Kirchhoff近似)建立了双基地声纳目标散射模型,从频段上来说只能用于高频,且只能计算小分置角时的目标回波特性,因此具有较大的局限性。文献[3]中运用变形柱法建立了双基地声纳目标散射声场的数学模型,但这种方法只能研究正入射或接近正入射时的回波声学特性,且仅适合于长径比较大的旋转对称体目标的回波计算。为了研究双基地声纳目标低频散射特性,文中建立了非入射方向水下目标散射声场的物理模型和计算方法,并通过计算刚性圆柱体的后向散射回声验证了该模型,为研究低频双基地声纳的探测性能提供了理论基础。

　　1 双基地声纳目标低频散射声场建模

　　双基地声纳声场几何关系如图1所示,取z轴为目标的艏艉线,S为声源,其空间球坐标为(R',θ,φ);R1,R2为接收机;β为声源入射方向和散射声线间的夹角即分置角。则入射声场表达式为

  （1）

　　式中: P0为入射声压幅值;k=ω/c为波数;ω为入射波角频率;c为介质中的声速;R''为坐标原点到目标表面上任意点(x,y,z)的矢径。

　　根据边界元法,将目标表面划分为M个小的三角形面元,设每个面元上各点的散射声压ps、法向振速un都相同,每个面元的单位法向矢量为n。

　　由Helmholtz表面积分方程可知[5],目标表面散射声压

　　式中:r为面元问的距离。

　　目标表面阻抗

　　另由欧拉方程可知

 (4)

　　式中:ρ为海水密度。

　　将式(4)代入到式(3)可得

　　式中:。则式(5)可转化为

 (6)