參量陣聲納在水下反潛戰中的應用

　　技術(shù)，使潛艇的探測越來(lái)越難，潛艇已構成了最重要的水下威脅，先進(jìn)的探測技術(shù)對于水下反潛作戰也顯得尤為迫切。
　　1 水下反潛戰的意義
　　一方面，由于先進(jìn)的隱身技術(shù)（敷瓦及減振降噪）、傳感技術(shù)、信號處理技術(shù)和水下防御措施的快速發(fā)展使反潛作戰越來(lái)越困難。在近三四十年內，美國和俄羅斯潛艇的輻射噪聲大約每年以0.5～1dB 的速度下降，從而使被檢測的距離每年縮小0.5～2km，由于頻率較高的聲波在水中衰減快，而老式聲納利用聲傳播途徑又較為單一，所以主動(dòng)方式下只能達到5～8km 左右的工作距離，探測距離較近測向精度也很差。這無(wú)疑給聲吶探測帶來(lái)了極大挑戰。近年來(lái)發(fā)生了多起潛艇水下相撞事故（如庫爾斯克號潛艇事故、英法核潛艇相撞事件）以及潛艇和海面艦艇相撞的事件，都說(shuō)明水下反潛作戰中對水下探測的技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求。[1]
　　另一方面，作戰對象擁有潛艇甚至安靜型潛艇，意味著(zhù)必須盡早開(kāi)始有效的反潛作戰準備，包括收集情報、戰場(chǎng)準備、清掃作戰區域、監視交通要道，以及保護水面艦艇等。用高新技術(shù)改善遠程探測系統性能，發(fā)展先進(jìn)的反潛裝備已成為掌握制海權，?衛國家權益、開(kāi)發(fā)海洋資源的首要環(huán)節。從世界各國發(fā)展海軍的戰略態(tài)勢可看出：不論是西方發(fā)達國家還是我周邊各國，都把潛艇戰與反潛戰放在現代海戰的特別重要地位，不惜投入大量人力財力，研究開(kāi)發(fā)水聲遠程探測新技術(shù)，研制新型聲吶系統和設備，以增強他們的潛艇戰與反潛戰實(shí)力。
　　2 參量陣聲納理論
　　近一個(gè)多世紀的研究和實(shí)踐表明，由于聲波在水介質(zhì)中較電磁波和光波相比具有最小的衰減系數，聲波是目前惟一可利用的能夠在水中遠距離傳播的能量形式，是水下遠程信息傳播的最佳載體。因此，水聲研究是實(shí)現水下遠程探測的基礎，各種聲吶裝備是完成遠程探測的手段和工具。
　　其中ω=２p ｆ，ｆ為聲波頻率，ｃ為聲速，ρ 為海水密度，? 為海水粘滯系數，c 為熱傳導系數，CV 定容比熱，CP 定壓比熱。由上述公式我們知道，吸收系數a 是與頻率的平方成正比的，即頻率越高，吸收愈大，因而聲波的傳播距離愈��；反之，頻率愈低，吸收愈小，因而聲波的傳播距離愈大。
　　傳統的聲納探測如果采用高頻超聲波，在海水環(huán)境下衰減較快，探測距離有限。如果使用低頻，為了產(chǎn)生具有足夠穿透力的低頻，則需要大功率大裝備，換能器必須做得大而重，同時(shí)大功率會(huì )帶來(lái)大的噪聲，反而不利于潛艇本身的隱蔽。而且大振幅聲波會(huì )形成沖擊波造成海水空化現象,由非線(xiàn)性理論我們知道，聲波在介質(zhì)中傳播由于非線(xiàn)性效應，波形會(huì )發(fā)生畸變，產(chǎn)生沖擊波，沖擊波的形成距離由公式如下：
　　Xs = M bk - （2）這里0 M =u0/c0 , u0 為聲波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)振幅，c0 為聲波在海水中的聲速，b 為非線(xiàn)性系數，k =ω/c0 為波數，顯然u0 越大越容易產(chǎn)生沖擊波，其發(fā)射的波束角也較大，因而探測分辨率也較差。但是參量陣聲納則能很好的解決這一矛盾。
　　參量陣聲納是基于聲波的相互作用的原理，它指的是不同頻率的有限振幅聲波在一種媒體中傳播時(shí)，會(huì )產(chǎn)生新的頻率的聲波。如果只考慮兩個(gè)頻率的話(huà)，最后產(chǎn)生聲波的頻率是這兩個(gè)頻率的和差頻波。傳播的信號稱(chēng)為原波。和頻波將很快被衰減掉，主要考慮的就是差頻波。差頻波沿聲軸方向將以相同的速度與原波一起向前傳播，并與原波在行進(jìn)過(guò)程中不斷產(chǎn)生新的差頻波疊加�？梢灶A料，在聲軸方向上差頻波將達到較大的值，而在非軸方向上，由于非同向疊加，故幅度很小。這就會(huì )形成很好的指向性。如果原波是一個(gè)寬帶信號的話(huà)，一般來(lái)說(shuō)，它總可以用傅立葉積分表示，而被積函數是單頻正弦波，無(wú)限多個(gè)頻率成分的兩兩相互作用產(chǎn)生一個(gè)寬帶差頻信號，從而構成了所謂的寬帶參量陣。
　　在聲參量發(fā)射陣中，設兩束聲波的傳播方向相同，第一束聲波的角頻率為ω1 ， 第二束角頻率為ω2 ，在參量陣理論中將這兩束聲波稱(chēng)之為原波，它們的頻率稱(chēng)之為原頻率。當兩個(gè)波完全重合，在介質(zhì)中傳播時(shí)，兩個(gè)原波相互作用，從而出現新的輻射源。如果只考慮二階相互作用，介質(zhì)中將參量激勵起2ω1 ，2ω2，ω1+ω2，ω1-ω2四種頻率成分的聲波，而后二個(gè)頻率成分稱(chēng)之為和頻波與差頻波，由于原波、高頻諧波和頻波受到的吸收大，故超過(guò)一定的距離后只有差頻波存在，除了特別指出外，一般所說(shuō)的參量陣就只指差頻波。由于它的指向性很尖銳，頻帶較寬，可以提高空間分辨率，抗混響，并能獲得較高的信號處理增益。
　　3 參量陣聲納特性的應用
　　3.1 遠距離探測
　　通常的參量陣是用一個(gè)特制的發(fā)射換能器向介質(zhì)中發(fā)射兩個(gè)原波．由于介質(zhì)的非線(xiàn)性，通過(guò)互相作用．產(chǎn)生了新的頻率成分——差頻波的輻射源，這些輻射源向水中輻射聲波。于是差頻波超聲發(fā)射的方向與原波一起向前傳播。由于水介質(zhì)的吸收．在傳播過(guò)程中原波振幅不斷減小而最終消失．這樣在發(fā)射方向上差頻波將達到較大的值，也就是說(shuō)當原波被衰減完時(shí)，差頻波達到最大，就大大的延長(cháng)了聲納的探測距離。有些國家的聲納探測距離已經(jīng)達到300km。
　　3.2 準確目標識別
　　差頻波在傳播的過(guò)程中，只在軸向最大，而在其它方向上，由于非同相疊加，故很小，最終又能形成很好的指向性。對目標的分辨率高，能夠準確的識別潛艇。
　　我們以圓環(huán)形活塞壓電換能器為例來(lái)討論。對于原波頻率為ω1和ω2兩個(gè)正弦波來(lái)說(shuō)．假定換能器初始輻射波是兩個(gè)不同頻率的基波眾所周知上式右邊第二項是圓形活塞的指向性函數，而右邊第一項就是虛擬的二次聲源陣所產(chǎn)生的指向性，因此參量陣的指向性函數用這公式計算，可以證實(shí)參量陣的指向性很強，且波束很窄。例如，對于平均原波頻率為100KHz的原波，如果使之在水中產(chǎn)生差頻為10KHz的參量波，則其波束寬度只有2.20左右，而換能器直徑只要15cm�？梢�(jiàn)，它是一種低頻超指向聲源。如12kHz的正弦脈沖信號對海中目標的分辨率可達到5cm，100kHz的頻率其測深精度可達0.02m±0.02%。這就大大的提高了海水中探測的準確率。有實(shí)驗用常規聲吶和參量陣聲吶對在250米遠處的長(cháng)度為2米的潛艇模型進(jìn)行了360o范圍內的模擬探測試驗。兩種聲吶的基陣孔徑都是23厘米，開(kāi)角分別為28o和3o，信號都是15千赫填充的3.5毫秒脈沖。試驗結果參量陣聲吶的混響級約低l2分貝，因此，全方位的檢測概率大大高于常規聲吶。[6]
　　3.3 寬帶特性
　　另外一個(gè)特點(diǎn)它是一個(gè)寬帶聲源，例如當原波的頻率只變化10%，則差頻波就可能變化若干個(gè)倍頻程，，可根據實(shí)際海域情況來(lái)選擇最佳的工作頻率，達到最佳的探測效果。因此它有很大的信息容量，有可能獲得很高的信號處理增益。
　　4 參量陣聲納系統的構成
　　這里我們提出了一個(gè)參量陣聲納的簡(jiǎn)單系統架構，如圖2所示，這里只考慮雙頻參量陣。
　　其中GPS全球定位系統主要用于聲納探測點(diǎn)的自動(dòng)定位。聲納工作時(shí),GPS同時(shí)工作給計算機發(fā)送位置信息，計算機以固定時(shí)間間隔給信號產(chǎn)生電路發(fā)送啟動(dòng)發(fā)射信號,并同時(shí)觸發(fā)內部定時(shí)器和GPS定位系統,信號產(chǎn)生電路接收到啟動(dòng)信號后立即產(chǎn)生雙頻電信號，經(jīng)放大后由換能器轉換成聲波后向水中發(fā)射聲波,并接收反射回來(lái)的聲回波脈沖信號,并由換能器轉換成電信號，信號經(jīng)放大、濾波整形后進(jìn)行數據采集，在數據采集中主要進(jìn)行相關(guān)運算，檢出需要的波，如果是近距離則會(huì )有三種波即兩個(gè)原波（f1、f2）和差頻波f3，如果是遠距離則只會(huì )有差頻波。把數據給單片機進(jìn)行處理。它通過(guò)單片機的外部中斷接口輸入到單片機中,單片機收到該信號后即刻中斷計時(shí)器,記錄計時(shí)器的計時(shí)值,并調用距離計算中斷處理程序計算出探測目標距離數據；將數據傳送給計算機,供圖像處理軟件形成潛艇圖像并顯示。
　　5 結論
　　綜上所述，參量陣聲納在水下反潛戰中具有較大的優(yōu)勢，這是因為參量陣聲納：
　�。�1）可獲得低頻窄波束。低頻損失波因其波長(cháng)較長(cháng),衰減小于高頻損失波，作用距離大，大大提高探測距離。且原波的頻率高，換能器可有較高的空化閥。
　�。�2）具有低頻寬帶特性，可以獲得較高的信號處理增益。幾乎沒(méi)有旁瓣，可以提高設備精度。
　�。�3）由于換能器只要發(fā)射頻率很高的原波，因此體積小、重量輕。
　　由于參量陣聲納的小尺寸和窄波束以及其低頻寬帶特性決定了參量陣聲納在現代水下反潛作戰中的應用前景廣闊,由于參量陣聲納強大的穿透能力，在反水雷尤其是沉底雷作戰中也將發(fā)揮重要的作用，而為了提高參量陣聲納的探測效率,未來(lái)結合相控陣技術(shù)和多換能器組成的參量陣聲納陣必將使水下反潛戰的探測技術(shù)上升到一個(gè)新的高度。

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