深海波導(dǎo)不變性的分析范文
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《計(jì)算機(jī)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(jì)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(hào)簡(jiǎn)正波相速度、群速度以及相慢度和群慢度之間的關(guān)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(yàn)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(chǔ))，部分結(jié)果如圖2和3所示。由圖2(a)可得，淺海環(huán)境中簡(jiǎn)正波的相速度vm和群速度um隨簡(jiǎn)正波號(hào)數(shù)n單調(diào)變化。由圖2(b)可以看出，淺海環(huán)境下所有號(hào)數(shù)的簡(jiǎn)正波的相慢度Sp和群慢度Sg呈反關(guān)系且基本在一條直線上，通過(guò)擬合計(jì)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(hào)簡(jiǎn)正波形成的波導(dǎo)不變量值β≈1，符合相關(guān)文獻(xiàn)［2］中的推導(dǎo)結(jié)果。淺海其它聲速梯度情況下波導(dǎo)不變量的值并無(wú)顯著變化，不再贅述。由圖3可以看出，深海環(huán)境中的簡(jiǎn)正波可以分為兩部分，以圖3(b)為例，圖中左半部分的簡(jiǎn)正波和淺海環(huán)境下的簡(jiǎn)正波相似，群慢度和相慢度呈反比例關(guān)系;右半部分則相反，群慢度和相慢度呈正比例關(guān)系。以上只討論了兩類簡(jiǎn)正波各自范圍內(nèi)形成的波導(dǎo)不變量，并沒(méi)有討論兩類簡(jiǎn)正波相互之間形成的波導(dǎo)不變量。兩類簡(jiǎn)正波內(nèi)各任意一號(hào)簡(jiǎn)正波相互間形成的波導(dǎo)不變量β的值變化范圍較大，且各有正負(fù)，相互抵消，難以形成有效的干涉條紋，因此對(duì)于所有簡(jiǎn)正波共同作用的海區(qū)，在其LO-FAR譜中無(wú)法觀測(cè)到明顯的干涉條紋。反射簡(jiǎn)正波形成的波導(dǎo)不變量與淺海類似，形成的波導(dǎo)不變量值β≈1，反轉(zhuǎn)簡(jiǎn)正波形成的波導(dǎo)不變量β＜0，兩者在距聲源較近范圍內(nèi)互相作用，致使被動(dòng)聲納在深海環(huán)境下很難探測(cè)到近距離目標(biāo)的干涉條紋。而反轉(zhuǎn)簡(jiǎn)正波能夠經(jīng)由較少的衰減到達(dá)會(huì)聚區(qū)，反射簡(jiǎn)正波由于經(jīng)歷海面海底反射，衰減較大，因此在會(huì)聚區(qū)范圍內(nèi)反轉(zhuǎn)簡(jiǎn)正波對(duì)干涉條紋的形成起主要作用，即會(huì)聚區(qū)范圍內(nèi)的波導(dǎo)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(duì)深海環(huán)境下被動(dòng)聲納接收的LOFAR譜圖進(jìn)行仿真，環(huán)境同圖1所示的環(huán)境，部分仿真結(jié)果如圖4、5所示。
2基于WKBZ方法計(jì)算波導(dǎo)不變量
利用WKBZ簡(jiǎn)正波方法中的本征值近似方程進(jìn)行推導(dǎo)，得到計(jì)算波導(dǎo)不變量的方法［2］。張仁和院士在文獻(xiàn)［4］中說(shuō)明了WKBZ方法，本節(jié)的推導(dǎo)過(guò)程主要使用本征值方程，計(jì)算過(guò)程中使用了本征函數(shù)方程的計(jì)算結(jié)果。從圖6中可以看出，該環(huán)境下反射簡(jiǎn)正波的波導(dǎo)不變量值約為1，反轉(zhuǎn)簡(jiǎn)正波的波導(dǎo)不變量小于零，且在一定范圍內(nèi)變化，符合之前的理論分析。
3會(huì)聚區(qū)目標(biāo)判定和運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)分析方法及驗(yàn)證
兩類簡(jiǎn)正波形成的波導(dǎo)不變量值有很大差異，致使深海環(huán)境下被動(dòng)聲納接收到的信號(hào)與淺海環(huán)境下情況有很大不同。由之前介紹的深海波導(dǎo)不變量的性質(zhì)可以得到，在深海環(huán)境下，如被動(dòng)聲納檢測(cè)到目標(biāo)但LOFAR譜圖無(wú)條紋，且目標(biāo)方位變化率較快，可判定為近距離目標(biāo)，可按照傳統(tǒng)的的目標(biāo)定位方法進(jìn)行目標(biāo)定位;如被動(dòng)聲納檢測(cè)到目標(biāo)同時(shí)有明顯的干涉條紋，目標(biāo)方位變化率緩慢，則可以判定目標(biāo)為會(huì)聚區(qū)目標(biāo)。該方法可以提升聲納的性能，在原有的近距離探測(cè)基礎(chǔ)上，添加了會(huì)聚區(qū)部分的探測(cè)范圍，使得探測(cè)距離大幅提高。相關(guān)文獻(xiàn)［6－8］中已有許多在淺海環(huán)境下利用波導(dǎo)不變量分析目標(biāo)運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)的方法，本節(jié)將利用前面得到的深海環(huán)境波導(dǎo)不變量的性質(zhì)，對(duì)會(huì)聚區(qū)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)進(jìn)行判別，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證。當(dāng)環(huán)境參數(shù)不隨水平距離改變時(shí)，式(2)可轉(zhuǎn)化為導(dǎo)致深海會(huì)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(zhì)判斷會(huì)聚區(qū)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)。對(duì)2012年5月在西北太平洋某次海試中獲得的深海目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)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(yuǎn)離態(tài)勢(shì)下被動(dòng)接受器接收到的LOFAR譜圖。利用圖7中0－240s時(shí)段可以看到較為清晰的條紋，可判定該時(shí)段接收接收器經(jīng)過(guò)目標(biāo)聲波產(chǎn)生的會(huì)聚區(qū)，條紋隨著頻率增加指向時(shí)間增加方向，即dtdω＞0，根據(jù)深海波導(dǎo)不變量性質(zhì)drdω＜0，該方向?yàn)榫嚯x減小的方向，可得drdt＜0，即該圖態(tài)勢(shì)為接近態(tài)勢(shì);圖8中400－700s時(shí)段可以看到較為清晰的條紋，說(shuō)明此時(shí)段接收器經(jīng)過(guò)目標(biāo)聲波產(chǎn)生的會(huì)聚區(qū)，條紋隨著頻率增加指向時(shí)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(shì)為遠(yuǎn)離態(tài)勢(shì)。兩圖理論推導(dǎo)結(jié)果均符合實(shí)際情況，說(shuō)明該態(tài)勢(shì)判斷方法有效。
4結(jié)論
本文分析了深海波導(dǎo)不變性，利用基于WKBZ的方法計(jì)算深海環(huán)境下的波導(dǎo)不變量，并提出利用該性質(zhì)對(duì)會(huì)聚區(qū)標(biāo)進(jìn)行判定和運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)判別方法。在深海環(huán)境下，被動(dòng)聲納收聽(tīng)到目標(biāo)信號(hào)但其LOFAR譜圖無(wú)條紋，且目標(biāo)方位變化率較快，則可判定為近距離目標(biāo);被動(dòng)聲納檢測(cè)到明顯的干涉條紋，且目標(biāo)方位變化率緩慢，則可判定為會(huì)聚區(qū)目標(biāo)。利用深海波導(dǎo)不變性可以根據(jù)會(huì)聚區(qū)干涉條紋判斷目標(biāo)是接近還是遠(yuǎn)離態(tài)勢(shì)。仿真數(shù)據(jù)和海試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法可準(zhǔn)確有效判別會(huì)聚區(qū)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)。
作者：崔寶龍?bào)瘟箭埿靽?guó)軍唐帥單位：海軍水下作戰(zhàn)環(huán)境研究所