深海波導不變性的分析范文
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《計算機仿真雜志》2014年第六期
基于Kraken模型仿真在相同頻率條件下分別計算淺海均勻聲速梯度環(huán)境和深海聲道聲速梯度環(huán)境的各號簡正波相速度、群速度以及相慢度和群慢度之間的關系，環(huán)境聲速梯度如圖1所示，海深5938m，聲源深度7m，接收器深度120m，海底聲速cbottom=1668m/s，海底密度ρbottom=1806kg/m3，海底吸收系數(shù)α=0．692dB/λ(該環(huán)境為某海試試驗環(huán)境，本文之后的仿真以及數(shù)據(jù)皆以此環(huán)境為基礎)，部分結果如圖2和3所示。由圖2(a)可得，淺海環(huán)境中簡正波的相速度vm和群速度um隨簡正波號數(shù)n單調變化。由圖2(b)可以看出，淺海環(huán)境下所有號數(shù)的簡正波的相慢度Sp和群慢度Sg呈反關系且基本在一條直線上，通過擬合計算可以得到該直線斜率K≈－1，則根據(jù)式(6)可得該環(huán)境下任意兩號簡正波形成的波導不變量值β≈1，符合相關文獻［2］中的推導結果。淺海其它聲速梯度情況下波導不變量的值并無顯著變化，不再贅述。由圖3可以看出，深海環(huán)境中的簡正波可以分為兩部分，以圖3(b)為例，圖中左半部分的簡正波和淺海環(huán)境下的簡正波相似，群慢度和相慢度呈反比例關系;右半部分則相反，群慢度和相慢度呈正比例關系。以上只討論了兩類簡正波各自范圍內形成的波導不變量，并沒有討論兩類簡正波相互之間形成的波導不變量。兩類簡正波內各任意一號簡正波相互間形成的波導不變量β的值變化范圍較大，且各有正負，相互抵消，難以形成有效的干涉條紋，因此對于所有簡正波共同作用的海區(qū)，在其LO-FAR譜中無法觀測到明顯的干涉條紋。反射簡正波形成的波導不變量與淺海類似，形成的波導不變量值β≈1，反轉簡正波形成的波導不變量β＜0，兩者在距聲源較近范圍內互相作用，致使被動聲納在深海環(huán)境下很難探測到近距離目標的干涉條紋。而反轉簡正波能夠經由較少的衰減到達會聚區(qū)，反射簡正波由于經歷海面海底反射，衰減較大，因此在會聚區(qū)范圍內反轉簡正波對干涉條紋的形成起主要作用，即會聚區(qū)范圍內的波導不變量β＜0，所以形成的干涉條紋呈現(xiàn)與淺海干涉條紋的方向相反。基于Kraken模型對深海環(huán)境下被動聲納接收的LOFAR譜圖進行仿真，環(huán)境同圖1所示的環(huán)境，部分仿真結果如圖4、5所示。
2基于WKBZ方法計算波導不變量
利用WKBZ簡正波方法中的本征值近似方程進行推導，得到計算波導不變量的方法［2］。張仁和院士在文獻［4］中說明了WKBZ方法，本節(jié)的推導過程主要使用本征值方程，計算過程中使用了本征函數(shù)方程的計算結果。從圖6中可以看出，該環(huán)境下反射簡正波的波導不變量值約為1，反轉簡正波的波導不變量小于零，且在一定范圍內變化，符合之前的理論分析。
3會聚區(qū)目標判定和運動態(tài)勢分析方法及驗證
兩類簡正波形成的波導不變量值有很大差異，致使深海環(huán)境下被動聲納接收到的信號與淺海環(huán)境下情況有很大不同。由之前介紹的深海波導不變量的性質可以得到，在深海環(huán)境下，如被動聲納檢測到目標但LOFAR譜圖無條紋，且目標方位變化率較快，可判定為近距離目標，可按照傳統(tǒng)的的目標定位方法進行目標定位;如被動聲納檢測到目標同時有明顯的干涉條紋，目標方位變化率緩慢，則可以判定目標為會聚區(qū)目標。該方法可以提升聲納的性能，在原有的近距離探測基礎上，添加了會聚區(qū)部分的探測范圍，使得探測距離大幅提高。相關文獻［6－8］中已有許多在淺海環(huán)境下利用波導不變量分析目標運動態(tài)勢的方法，本節(jié)將利用前面得到的深海環(huán)境波導不變量的性質，對會聚區(qū)目標的運動態(tài)勢進行判別，并結合實驗數(shù)據(jù)加以驗證。當環(huán)境參數(shù)不隨水平距離改變時，式(2)可轉化為導致深海會聚區(qū)的干涉條紋呈現(xiàn)與淺海相反的方向，即隨著頻率增加，干涉條紋指向距離減小的方向，如圖5所示。可利用該性質判斷會聚區(qū)目標運動態(tài)勢。對2012年5月在西北太平洋某次海試中獲得的深海目標數(shù)據(jù)進行處理，環(huán)境即為圖1所代表的環(huán)境，處理得到的圖7、圖8為深海環(huán)境條件下，接近和遠離態(tài)勢下被動接受器接收到的LOFAR譜圖。利用圖7中0－240s時段可以看到較為清晰的條紋，可判定該時段接收接收器經過目標聲波產生的會聚區(qū)，條紋隨著頻率增加指向時間增加方向，即dtdω＞0，根據(jù)深海波導不變量性質drdω＜0，該方向為距離減小的方向，可得drdt＜0，即該圖態(tài)勢為接近態(tài)勢;圖8中400－700s時段可以看到較為清晰的條紋，說明此時段接收器經過目標聲波產生的會聚區(qū)，條紋隨著頻率增加指向時間減小方向，即dtdω＜0，使用同樣方法可判定drdt＞0，即該圖態(tài)勢為遠離態(tài)勢。兩圖理論推導結果均符合實際情況，說明該態(tài)勢判斷方法有效。
4結論
本文分析了深海波導不變性，利用基于WKBZ的方法計算深海環(huán)境下的波導不變量，并提出利用該性質對會聚區(qū)標進行判定和運動態(tài)勢判別方法。在深海環(huán)境下，被動聲納收聽到目標信號但其LOFAR譜圖無條紋，且目標方位變化率較快，則可判定為近距離目標;被動聲納檢測到明顯的干涉條紋，且目標方位變化率緩慢，則可判定為會聚區(qū)目標。利用深海波導不變性可以根據(jù)會聚區(qū)干涉條紋判斷目標是接近還是遠離態(tài)勢。仿真數(shù)據(jù)和海試數(shù)據(jù)驗證了該方法可準確有效判別會聚區(qū)目標運動態(tài)勢。
作者：崔寶龍笪良龍徐國軍唐帥單位：海軍水下作戰(zhàn)環(huán)境研究所