謝亮 林旺生 王魯軍
(1.聲納技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 第七一五研究所,杭州,310023)
(2.中國船舶重工集團(tuán)公司電子信息部,北京,100097)
目前,我國水聲研究以淺海為主,美國的研究則是由深海至淺海。隨著近年來國際格局的變化,國內(nèi)開始關(guān)注深遠(yuǎn)海,并在太平洋、南海等海域開展一系列深遠(yuǎn)海實(shí)驗(yàn),獲得了很多珍貴的數(shù)據(jù),針對(duì)深海環(huán)境條件下的聲場特征和聲傳播規(guī)律展開了相關(guān)的應(yīng)用研究[1-2]。由于邊界條件、聲速剖面、介質(zhì)不均勻等因素存在顯著差異,深海和淺海的聲傳播特性有明顯差別。深海條件下,典型的聲速剖面如圖1所示,從上而下分別為混合層、溫躍層和等溫層,在溫躍層和等溫層之間存在聲速最小值,聲速最小值對(duì)應(yīng)的位置稱為深海聲道軸。
圖1 深海環(huán)境典型聲速剖面
深海傳播的主要特征是存在使聲線向上折射的聲速剖面,這種聲速剖面使遠(yuǎn)程傳播得以實(shí)現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn),深度大于2 000 m的所有海洋都是典型的深海環(huán)境[3],該環(huán)境中主要有5種聲傳播模式:表面波導(dǎo)模式、會(huì)聚區(qū)模式、海底反射模式、可靠聲路徑模式、表面波導(dǎo)泄漏模式。圖2給出了海洋中不同聲傳播路徑。
圖2 海洋中各種聲路徑示意圖
拖曳線列陣聲吶因其陣?yán)|長達(dá)幾百米,遠(yuǎn)離拖曳平臺(tái),具有較安靜的背景和較高的增益,已經(jīng)成為主要的海洋探測裝備[4]。隨著波束形成等技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟,多基元水聽器陣列被越來越多地應(yīng)用,并且已經(jīng)開展了一系列應(yīng)用研究[5-6],在理論和實(shí)際應(yīng)用上都有了進(jìn)一步發(fā)展。本文重點(diǎn)分析在典型深海環(huán)境條件下各種聲傳播模式的聲場特征,綜述了不同聲場特征下相應(yīng)的探測方法,并討論這些方法的優(yōu)缺點(diǎn),最后指出拖曳線列陣未來在深海中應(yīng)用的技術(shù)發(fā)展方向。
深海環(huán)境中,直達(dá)路徑聲線在直達(dá)聲區(qū)起主要貢獻(xiàn),直達(dá)聲線的作用距離較近(大約幾千米),到達(dá)角通常較小。對(duì)于低頻信號(hào),由于海底反射損失較小,海底反射路徑聲線也會(huì)在直達(dá)聲區(qū)起作用,而且到達(dá)角通常較大。當(dāng)海洋表面存在混合層時(shí),由于混合層內(nèi)溫度相等,隨著深度增加,聲速剖面為微弱正梯度,海洋表面形成表面波導(dǎo)。如果聲源位于混合層中,一定條件下聲能將被限制在表面波導(dǎo)內(nèi),可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳播,此時(shí)表面波導(dǎo)下方存在聲影區(qū),但聲影區(qū)內(nèi)并不是完全沒有聲能。波動(dòng)效應(yīng)會(huì)使一些聲能進(jìn)入聲影區(qū)。在實(shí)際情況中聲影區(qū)還會(huì)進(jìn)入一些海面散射聲和海底反射聲。另外,表面波導(dǎo)不是穩(wěn)定的信道,存在強(qiáng)烈的時(shí)空變異性,因此當(dāng)拖曳線列陣在近海面工作時(shí),其性能將受表面波導(dǎo)特性的影響。直達(dá)聲路徑和表面波導(dǎo)聲路徑如圖3所示。
圖3 表面波導(dǎo)和直達(dá)聲傳播路徑
當(dāng)利用拖曳線列陣對(duì)近距離目標(biāo)進(jìn)行探測時(shí)會(huì)接收到直達(dá)聲線和海底反射聲線,因此利用拖曳線列陣估計(jì)目標(biāo)聲源的方位時(shí)會(huì)分裂成兩部分,容易被誤認(rèn)為有兩個(gè)目標(biāo)存在。Kevin D Heaney等人對(duì)菲律賓海試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[7],研究了界面散射效應(yīng)對(duì)海底反射聲能量的影響,發(fā)現(xiàn)直達(dá)聲區(qū)存在如圖4所示的方位分裂現(xiàn)象,但他們并沒有針對(duì)這一現(xiàn)象做進(jìn)一步研究。
圖4 海底反射信號(hào)和直達(dá)信號(hào)方位估計(jì)圖
當(dāng)目標(biāo)位于直達(dá)聲區(qū)內(nèi),且收發(fā)深度都較淺時(shí),實(shí)際應(yīng)用中很難提取直達(dá)聲線和反射聲線之間的時(shí)延差,這也給直達(dá)聲區(qū)目標(biāo)距離的估計(jì)帶來困難。吳俊楠等人對(duì)西北太平洋海域的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后也發(fā)現(xiàn)直達(dá)聲區(qū)存在方位分裂現(xiàn)象,利用射線模型對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了理論分析[8]。與此同時(shí),他們利用方位分裂現(xiàn)象,通過兩個(gè)估計(jì)的方位角實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)測距。當(dāng)水面只有一個(gè)目標(biāo)時(shí),文獻(xiàn)[8]中的方法可以實(shí)現(xiàn)水面目標(biāo)被動(dòng)測距。但是,當(dāng)水面存在多個(gè)目標(biāo)時(shí),上述方法將會(huì)失效,因此還需要對(duì)近程波束同源目標(biāo)辨識(shí)方法進(jìn)行研究。
海洋混合層結(jié)構(gòu)對(duì)表面聲道中的聲傳播特性有很大的影響[9],表面波導(dǎo)特性對(duì)聲吶系統(tǒng)也有影響,因此表面波導(dǎo)及其聲傳播特性受到了廣泛關(guān)注,從上世紀(jì)開始就開展了大量的研究。聲速剖面在表面波導(dǎo)內(nèi)為微弱正梯度,在一定的出射角和高頻條件下,聲線被限制在表面波導(dǎo)內(nèi)。但是對(duì)于低頻信號(hào)而言,由于聲波波長太長,海面波導(dǎo)不能截留聲能,圖3所示的聲傳播路徑圖將不再適用。深海環(huán)境中,表面波導(dǎo)泄漏如圖5所示。針對(duì)這一現(xiàn)象,F(xiàn)rank M Labianca給出了不同模態(tài)經(jīng)典截止頻率公式[10],當(dāng)頻率高于截止頻率時(shí),聲能被表面波導(dǎo)截留,聲能衰減慢;當(dāng)頻率低于截止頻率時(shí),聲能泄漏到聲影區(qū),聲能迅速衰減,但他給出的表達(dá)式只包含了表面波導(dǎo)的特征參數(shù)。Bucker H P對(duì)粗糙表面波導(dǎo)中的聲傳播進(jìn)行了研究[11]。James Cummins研究了聲源頻率和接收深度對(duì)傳播損失的影響[12]。William F Baker對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,給出了聲傳播損失的經(jīng)驗(yàn)公式[13]。
圖5 表面波導(dǎo)泄漏示意圖
DUAN等人對(duì)表面波導(dǎo)聲傳播的細(xì)節(jié)進(jìn)行了研究[14-15],基于勞埃德鏡干涉原理,他們推導(dǎo)了考慮聲源深度的截止頻率表達(dá)式,彌補(bǔ)了Frank M Labianca研究的不足,但是這一表達(dá)式只適用于近海面聲源。因此,他們將這一截止頻率公式與經(jīng)典截止頻率公式相結(jié)合,得到適用范圍更廣的截止頻率表達(dá)式。當(dāng)聲源在近海面且頻率較高時(shí),表面波導(dǎo)中可能存在低傳播損失區(qū),他們給出了低傳播損失區(qū)的估計(jì)方法,可為被動(dòng)聲吶的布放提供理論指導(dǎo)。另一方面,當(dāng)表面波導(dǎo)中信號(hào)頻率在截止頻率以下時(shí),頻率越低,從表面波導(dǎo)泄漏的能量越大,聲影區(qū)被照亮的程度越大,因此利用表面波導(dǎo)泄漏對(duì)聲影區(qū)目標(biāo)進(jìn)行探測時(shí)需要使用低頻信號(hào)。當(dāng)聲源和接收陣均位于表面波導(dǎo)內(nèi)時(shí),他們給出了基于簡正波理論的波達(dá)角公式,利用這一表達(dá)式可以粗略估計(jì)信號(hào)的到達(dá)角,通過到達(dá)角的先驗(yàn)信息可以提高陣列的工作性能。肖鵬等人研究了隨距離變化的表面波導(dǎo)對(duì)聲場產(chǎn)生的影響[16]。Cheng Chen等人對(duì)近距離(8~15 km)表面波導(dǎo)泄漏能量和海底反射能量進(jìn)行比較[17],通過對(duì)比分析兩者的傳播損失,可以為聲影區(qū)目標(biāo)探測提供指導(dǎo)。
表面波導(dǎo)泄漏是低頻信號(hào)在深海中傳播時(shí)的一種獨(dú)有現(xiàn)象。上述研究給出了這一現(xiàn)象的物理機(jī)理,研究表明深海表面波導(dǎo)聲場泄漏效應(yīng)可以用于探測聲影區(qū)目標(biāo),但目前利用表面波導(dǎo)泄漏探測聲影區(qū)目標(biāo)的應(yīng)用研究較少。因此需進(jìn)一步分析其機(jī)理,從而發(fā)展基于表面波導(dǎo)泄漏聲場特征的探測技術(shù)。
在會(huì)聚區(qū)之間反轉(zhuǎn)折射聲線無法到達(dá)的區(qū)域稱為聲影區(qū)[18]。在聲影區(qū)內(nèi),只存在經(jīng)海面或海底反射的聲線,沒有直達(dá)聲線到達(dá),Munk聲速剖面條件下的近海面聲源聲傳播路徑如圖6所示。盡管有部分聲線經(jīng)過反射或繞射進(jìn)入聲影區(qū),但這些聲線傳播損失通常較大,特別在海底特性對(duì)反射信號(hào)影響很大的條件下。
圖6 Munk聲速剖面條件下,近海面聲源聲傳播路徑
在深海環(huán)境中,如果聲線傳播過程只經(jīng)過一次海底反射,聲線的多途時(shí)延和到達(dá)角受海底底質(zhì)影響相對(duì)較小,同時(shí)這些聲線在聲源處的出射角一般較大,水體中的聲速剖面起伏對(duì)其影響也較弱,所以一次海底反射的多途時(shí)延和到達(dá)角較為穩(wěn)定。綜合利用聲影區(qū)內(nèi)信號(hào)的多途時(shí)延、信號(hào)到達(dá)角、干涉條紋特征等信息可以進(jìn)行目標(biāo)探測和定位。
聲影區(qū)內(nèi),經(jīng)過一次海底反射的聲線多途時(shí)延和到達(dá)角較為穩(wěn)定,采用自相關(guān)等方法就可以估計(jì)得到多途時(shí)延,另外通過拖曳線列陣可以估計(jì)多途信號(hào)的到達(dá)角,最終利用射線反傳等方法可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位?;诙嗤緯r(shí)延和到達(dá)角的目標(biāo)探測方法已被廣泛地研究和應(yīng)用[19-20],特別是在海洋生物跟蹤方面[21-22]。
由于拖曳線列陣的軸對(duì)稱性,利用常規(guī)波束形成對(duì)偏離拖曳線列陣正橫方向的聲源進(jìn)行方位估計(jì)時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏差。針對(duì)方位估計(jì)偏差現(xiàn)象,吳俊楠等人從簡正波理論和射線理論角度進(jìn)行了分析[2,23]。從簡正波理論角度來看,不同距離下有貢獻(xiàn)的簡正波不同,與其相對(duì)應(yīng)的相速度也不同,選取參考聲速不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致方位估計(jì)存在誤差。從射線理論來看,海底反射聲線到達(dá)不同距離處拖曳線列陣的俯仰角不同,導(dǎo)致方位估計(jì)出現(xiàn)誤差。根據(jù)上述分析,他們提出了兩種修正方位估計(jì)誤差的方法。在距離已知的條件下,用不同距離處相速度作為參考聲速做常規(guī)波束形成,得到的角度就是目標(biāo)的真實(shí)方位;在距離未知的條件下,通過機(jī)動(dòng)的方式改變拖曳陣軸向方向,畫出機(jī)動(dòng)前后估計(jì)方位隨參考聲速變化的曲線,兩條曲線交叉的位置就是目標(biāo)的真實(shí)方位。但現(xiàn)實(shí)中距離往往是未知的,并且機(jī)動(dòng)過程中拖曳線列陣的陣形會(huì)發(fā)生改變,因此這兩種方法并不是很實(shí)用,有必要對(duì)此做進(jìn)一步研究提出更實(shí)用的方法。
在海洋波導(dǎo)中,聲場強(qiáng)度在距離-頻率二維平面上一般具有穩(wěn)健的干涉結(jié)構(gòu),干涉結(jié)構(gòu)反映了目標(biāo)聲源的幾何特征,可以利用這一特征估計(jì)聲源位置。在淺海環(huán)境中,干涉結(jié)構(gòu)條紋的斜率基本保持不變,并用波導(dǎo)不變量來表示,波導(dǎo)不變量大約為1,這一特性在淺海聲源被動(dòng)定位中已得到廣泛應(yīng)用[24-25]。但是在深海環(huán)境中,干涉結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜多變,波導(dǎo)不變量不僅與聲源深度、接收深度有關(guān),還隨距離和頻率變化而變化。唐帥對(duì)典型深海聲場干涉條紋特征進(jìn)行了研究[26],理論和仿真結(jié)果表明,深海近距離沒有明顯的條紋,在會(huì)聚區(qū)和聲影區(qū)都存在干涉條紋,并且這兩區(qū)域內(nèi)的干涉條紋樣式相反。Rémi Emmetière等人基于簡正波理論和射線理論給出了典型深海環(huán)境下波導(dǎo)不變量的近似理論表達(dá)式[27],通過該表達(dá)式可以預(yù)測不同區(qū)域波導(dǎo)不變量的分布。翁晉寶等人分析了典型深海條件下直達(dá)聲區(qū)和影區(qū)聲場頻率-距離干涉結(jié)構(gòu)[28],研究發(fā)現(xiàn)聲強(qiáng)隨頻率有兩種干涉周期,干涉周期隨著收發(fā)深度的增加而減小,隨著收發(fā)距離增加而增大。吳俊楠等人根據(jù)聲場干涉結(jié)構(gòu)[29],分析發(fā)現(xiàn)反射聲場強(qiáng)度在頻域呈現(xiàn)周期性,并且頻域間隔和多途時(shí)延差的倒數(shù)相對(duì)應(yīng),利用多途時(shí)延與距離之間的關(guān)系,可以實(shí)現(xiàn)水面聲源的被動(dòng)測距。翁晉寶等人利用單水聽器記錄聲場干涉結(jié)構(gòu)[30],通過實(shí)驗(yàn)也證明了影區(qū)干涉結(jié)構(gòu)用于被動(dòng)測距的有效性。
目前,針對(duì)聲影區(qū)目標(biāo)探測方法已經(jīng)開展了大量的研究,但是仍然存在一些問題需要解決。比如,當(dāng)利用拖線陣對(duì)聲源目標(biāo)進(jìn)行方位估計(jì)時(shí)會(huì)存在方位估計(jì)偏差問題,目前提出的方位估計(jì)偏差修正方法還不夠?qū)嵱?,因此需進(jìn)一步研究聲傳播理論,從而對(duì)現(xiàn)有的方位估計(jì)方法進(jìn)行改進(jìn)。另外,隨著減震降噪技術(shù)的發(fā)展,潛艇聲源級(jí)顯著下降。與此同時(shí),隱身潛艇表面覆有消聲瓦,很大程度地減小了中高頻主動(dòng)聲吶的探測距離,因此需要進(jìn)一步發(fā)展基于海底反射聲特性的低頻主動(dòng)探測技術(shù),通過主被動(dòng)結(jié)合的探測方法減小探測盲區(qū)。
會(huì)聚區(qū)是指在海面附近形成的高聲強(qiáng)焦散區(qū)域。當(dāng)聲源位于海面附近或接近海底時(shí),近海面會(huì)形成聲強(qiáng)很高的會(huì)聚區(qū)。會(huì)聚區(qū)的傳播損失比球面擴(kuò)展損失小很多,利用會(huì)聚區(qū)在較遠(yuǎn)距離上就可以發(fā)現(xiàn)水下目標(biāo),因此會(huì)聚區(qū)參數(shù)特征受到了廣泛的關(guān)注[31-34]。另外,拖曳線列陣接收到的遠(yuǎn)場信號(hào)會(huì)呈現(xiàn)一定的多途結(jié)構(gòu),所以利用會(huì)聚區(qū)內(nèi)信號(hào)相關(guān)性、干涉條紋特征、目標(biāo)強(qiáng)度特性等可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測和定位。Arthur B Baggeroer等人在菲律賓海利用FORA拖曳線列陣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[35],研究發(fā)現(xiàn)會(huì)聚區(qū)內(nèi)信號(hào)具有很強(qiáng)的時(shí)間相關(guān)性,這一特征可以用于目標(biāo)的探測。楊剛等人對(duì)深海會(huì)聚區(qū)目標(biāo)相對(duì)聲強(qiáng)特性進(jìn)行分析[36],通過仿真發(fā)現(xiàn)接收深度和目標(biāo)深度相同時(shí)相對(duì)聲強(qiáng)會(huì)出現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu),這一現(xiàn)象可以用于目標(biāo)深度的判定。郭李等人提出一種基于深海會(huì)聚區(qū)聲強(qiáng)匹配處理的深海聲源定位方法[37],但環(huán)境失配對(duì)該方法的影響比較大。
在會(huì)聚區(qū)內(nèi),干涉條紋主要由波導(dǎo)簡正波干涉形成[38],其對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)不變量值為負(fù)。唐帥、崔寶龍等人對(duì)深海會(huì)聚區(qū)干涉條紋的分析表明,干涉條紋會(huì)隨目標(biāo)距離遠(yuǎn)近發(fā)生變化,可以利用這一現(xiàn)象判斷目標(biāo)是否位于會(huì)聚區(qū)內(nèi)[39-40]。如果目標(biāo)位于會(huì)聚區(qū)內(nèi),可以根據(jù)會(huì)聚區(qū)干涉條紋的變化判斷會(huì)聚目標(biāo)運(yùn)動(dòng)態(tài)勢。
拖曳線列陣位于聲影區(qū)內(nèi)時(shí),利用常規(guī)波束形成估計(jì)目標(biāo)方位會(huì)存在方位估計(jì)偏差。同樣地,拖曳線列陣在會(huì)聚區(qū)內(nèi)對(duì)遠(yuǎn)場聲源進(jìn)行方位估計(jì)時(shí)也會(huì)存在偏差。李輝、楊坤德等人對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了研究和分析,發(fā)現(xiàn)拖曳線列陣的方位估計(jì)偏差及傳播損失隨距離呈現(xiàn)周期性變化[41-42]。從簡正波理論和射線理論角度出發(fā),他們認(rèn)為這一現(xiàn)象不僅與不同距離處對(duì)聲場起主要作用的簡正波號(hào)數(shù)不同有關(guān),而且與聲線分布以及聲線掠射角也有關(guān)系。他們研究的結(jié)果有助于目標(biāo)方位的準(zhǔn)確估計(jì),也可以通過方位估計(jì)偏差與會(huì)聚區(qū)的關(guān)系輔助判別目標(biāo)進(jìn)出會(huì)聚區(qū)。
利用會(huì)聚區(qū)雖然能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測,但是在現(xiàn)實(shí)中會(huì)存在會(huì)聚區(qū)模糊問題。目標(biāo)位于不同會(huì)聚區(qū)時(shí),接收到的信號(hào)有很強(qiáng)的相似性,利用傳統(tǒng)匹配場定位目標(biāo)時(shí),非目標(biāo)所在會(huì)聚區(qū)會(huì)出現(xiàn)高旁瓣導(dǎo)致會(huì)聚區(qū)模糊。為了解決這一問題,王良等人提出了基于壓縮感知理論的會(huì)聚區(qū)判別方法[43],通過仿真和海試數(shù)據(jù)證明該方法具有高分辨性能,并且能有效抑制會(huì)聚區(qū)判別中出現(xiàn)的旁瓣模糊問題。在低信噪比和聲速失配條件下,該方法仍能準(zhǔn)確判斷出目標(biāo)位于第一會(huì)聚區(qū),但目標(biāo)位于其它會(huì)聚區(qū)時(shí)該方法失效。
由于聚焦增益的原因,會(huì)聚區(qū)內(nèi)傳播損失小,適合用于遠(yuǎn)程目標(biāo)探測,國內(nèi)外對(duì)會(huì)聚區(qū)聲場特性及探測方法已經(jīng)開展了大量研究,但對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測時(shí)存在會(huì)聚區(qū)號(hào)模糊的問題仍然沒有解決。因此需要對(duì)會(huì)聚區(qū)聲場特征進(jìn)一步研究,從而探討會(huì)聚區(qū)號(hào)的可分性以及有效的會(huì)聚區(qū)號(hào)辨識(shí)技術(shù)。
由于深海特殊的聲速分布和波導(dǎo)大尺度特點(diǎn),深海聲傳播呈現(xiàn)傳播模式分區(qū)的特性,本文分析了深海直達(dá)聲區(qū)、表面波導(dǎo)、聲影區(qū)以及會(huì)聚區(qū)的聲場特征,并對(duì)基于這些聲場特征的拖曳線列陣被動(dòng)探測方法進(jìn)行了介紹和梳理,筆者認(rèn)為拖曳線列陣深海探測技術(shù)未來主要發(fā)展趨勢體現(xiàn)在以下幾點(diǎn):
1、針對(duì)近程目標(biāo)波束分裂和方位估計(jì)偏差問題,需發(fā)展基于拖曳線列陣的中近程波束同源目標(biāo)辨識(shí)和方位精確估計(jì)技術(shù);
2、目前研究表明深海表面波導(dǎo)聲場泄漏效應(yīng)可以用于探測聲影區(qū)目標(biāo),但目前公開發(fā)表的應(yīng)用研究較少,因此需進(jìn)一步分析其機(jī)理,發(fā)展基于表面波導(dǎo)泄漏聲場特征的探測技術(shù);
3、針對(duì)聲影區(qū)目標(biāo)探測盲區(qū)大的問題,需發(fā)展基于海底反射聲特征的主動(dòng)探測技術(shù),以減小探測盲區(qū);
4、針對(duì)會(huì)聚區(qū)目標(biāo)檢測與辨識(shí)問題,需發(fā)展快速實(shí)用的會(huì)聚區(qū)目標(biāo)辨識(shí)技術(shù),研究會(huì)聚區(qū)號(hào)的可分性以及有效的會(huì)聚區(qū)號(hào)辨識(shí)技術(shù);
5、為發(fā)揮拖曳線列陣深海探測最大效能,需發(fā)展深海探測效能評(píng)估技術(shù),從而推薦拖曳線列陣深海探測的最優(yōu)工作深度和信號(hào)處理參數(shù);
6、隨著大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展,尤其是近年成功應(yīng)用的深度學(xué)習(xí)等技術(shù)[44-45],探討其在深海被動(dòng)目標(biāo)探測方面的應(yīng)用也是未來的發(fā)展方向。