- 相關(guān)推薦
參量陣聲納在水下反潛戰(zhàn)中的應(yīng)用
技術(shù)，使?jié)撏У奶綔y(cè)越來越難，潛艇已構(gòu)成了最重要的水下威脅，先進(jìn)的探測(cè)技術(shù)對(duì)于水下反潛作戰(zhàn)也顯得尤為迫切。
1 水下反潛戰(zhàn)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(hào)處理技術(shù)和水下防御措施的快速發(fā)展使反潛作戰(zhàn)越來越困難。在近三四十年內(nèi)，美國(guó)和俄羅斯?jié)撏У妮椛湓肼暣蠹s每年以0.5～1dB 的速度下降，從而使被檢測(cè)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(dá)到5～8km 左右的工作距離，探測(cè)距離較近測(cè)向精度也很差。這無(wú)疑給聲吶探測(cè)帶來了極大挑戰(zhàn)。近年來發(fā)生了多起潛艇水下相撞事故（如庫(kù)爾斯克號(hào)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，都說明水下反潛作戰(zhàn)中對(duì)水下探測(cè)的技術(shù)提出了越來越高的要求。[1]
另一方面，作戰(zhàn)對(duì)象擁有潛艇甚至安靜型潛艇，意味著必須盡早開始有效的反潛作戰(zhàn)準(zhǔn)備，包括收集情報(bào)、戰(zhàn)場(chǎng)準(zhǔn)備、清掃作戰(zhàn)區(qū)域、監(jiān)視交通要道，以及保護(hù)水面艦艇等。用高新技術(shù)改善遠(yuǎn)程探測(cè)系統(tǒng)性能，發(fā)展先進(jìn)的反潛裝備已成為掌握制海權(quán)，?衛(wèi)國(guó)家權(quán)益、開發(fā)海洋資源的首要環(huán)節(jié)。從世界各國(guó)發(fā)展海軍的戰(zhàn)略態(tài)勢(shì)可看出：不論是西方發(fā)達(dá)國(guó)家還是我周邊各國(guó)，都把潛艇戰(zhàn)與反潛戰(zhàn)放在現(xiàn)代海戰(zhàn)的特別重要地位，不惜投入大量人力財(cái)力，研究開發(fā)水聲遠(yuǎn)程探測(cè)新技術(shù)，研制新型聲吶系統(tǒng)和設(shè)備，以增強(qiáng)他們的潛艇戰(zhàn)與反潛戰(zhàn)實(shí)力。
2 參量陣聲納理論
近一個(gè)多世紀(jì)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(shù)，聲波是目前惟一可利用的能夠在水中遠(yuǎn)距離傳播的能量形式，是水下遠(yuǎn)程信息傳播的最佳載體。因此，水聲研究是實(shí)現(xiàn)水下遠(yuǎn)程探測(cè)的基礎(chǔ)，各種聲吶裝備是完成遠(yuǎn)程探測(cè)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(shù)，c 為熱傳導(dǎo)系數(shù)，CV 定容比熱，CP 定壓比熱。由上述公式我們知道，吸收系數(shù)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�。环粗�，頻率愈低，吸收愈小，因而聲波的傳播距離愈大。
傳統(tǒng)的聲納探測(cè)如果采用高頻超聲波，在海水環(huán)境下衰減較快，探測(cè)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(xiàn)象,由非線性理論我們知道，聲波在介質(zhì)中傳播由于非線性效應(yīng)，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 為非線性系數(shù)，k =ω/c0 為波數(shù)，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(cè)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，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(hào)稱為原波。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?qū)⒁韵嗤乃俣扰c原波一起向前傳播，并與原波在行進(jìn)過程中不斷產(chǎn)生新的差頻波疊加�？梢灶A(yù)料，在聲軸方向上差頻波將達(dá)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(hào)的話，一般來說，它總可以用傅立葉積分表示，而被積函數(shù)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(hào)，從而構(gòu)成了所謂的寬帶參量陣。
在聲參量發(fā)射陣中，設(shè)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?yán)碚撝袑⑦@兩束聲波稱之為原波，它們的頻率稱之為原頻率。當(dāng)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(xiàn)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(lì)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，故超過一定的距離后只有差頻波存在，除了特別指出外，一般所說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(hào)處理增益。
3 參量陣聲納特性的應(yīng)用
3.1 遠(yuǎn)距離探測(cè)
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)的非線性，通過互相作用．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(dá)到較大的值，也就是說當(dāng)原波被衰減完時(shí)，差頻波達(dá)到最大，就大大的延長(zhǎng)了聲納的探測(cè)距離。有些國(guó)家的聲納探測(cè)距離已經(jīng)達(dá)到300km。
3.2 準(zhǔn)確目標(biāo)識(shí)別
差頻波在傳播的過程中，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(duì)目標(biāo)的分辨率高，能夠準(zhǔn)確的識(shí)別潛艇。
我們以圓環(huán)形活塞壓電換能器為例來討論。對(duì)于原波頻率為ω1和ω2兩個(gè)正弦波來說．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(xiàng)是圓形活塞的指向性函數(shù)，而右邊第一項(xiàng)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(shù)用這公式計(jì)算，可以證實(shí)參量陣的指向性很強(qiáng)，且波束很窄。例如，對(duì)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�？梢姡且环N低頻超指向聲源。如12kHz的正弦脈沖信號(hào)對(duì)海中目標(biāo)的分辨率可達(dá)到5cm，100kHz的頻率其測(cè)深精度可達(dá)0.02m±0.02%。這就大大的提高了海水中探測(cè)的準(zhǔn)確率。有實(shí)驗(yàn)用常規(guī)聲吶和參量陣聲吶對(duì)在250米遠(yuǎn)處的長(zhǎng)度為2米的潛艇模型進(jìn)行了360o范圍內(nèi)的模擬探測(cè)試驗(yàn)。兩種聲吶的基陣孔徑都是23厘米，開角分別為28o和3o，信號(hào)都是15千赫填充的3.5毫秒脈沖。試驗(yàn)結(jié)果參量陣聲吶的混響級(jí)約低l2分貝，因此，全方位的檢測(cè)概率大大高于常規(guī)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(dāng)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(jù)實(shí)際海域情況來選擇最佳的工作頻率，達(dá)到最佳的探測(cè)效果。因此它有很大的信息容量，有可能獲得很高的信號(hào)處理增益。
4 參量陣聲納系統(tǒng)的構(gòu)成
這里我們提出了一個(gè)參量陣聲納的簡(jiǎn)單系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2所示，這里只考慮雙頻參量陣。
其中GPS全球定位系統(tǒng)主要用于聲納探測(cè)點(diǎn)的自動(dòng)定位。聲納工作時(shí),GPS同時(shí)工作給計(jì)算機(jī)發(fā)送位置信息，計(jì)算機(jī)以固定時(shí)間間隔給信號(hào)產(chǎn)生電路發(fā)送啟動(dòng)發(fā)射信號(hào),并同時(shí)觸發(fā)內(nèi)部定時(shí)器和GPS定位系統(tǒng),信號(hào)產(chǎn)生電路接收到啟動(dòng)信號(hào)后立即產(chǎn)生雙頻電信號(hào)，經(jīng)放大后由換能器轉(zhuǎn)換成聲波后向水中發(fā)射聲波,并接收反射回來的聲回波脈沖信號(hào),并由換能器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，信號(hào)經(jīng)放大、濾波整形后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在數(shù)據(jù)采集中主要進(jìn)行相關(guān)運(yùn)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(yuǎn)距離則只會(huì)有差頻波。把數(shù)據(jù)給單片機(jī)進(jìn)行處理。它通過單片機(jī)的外部中斷接口輸入到單片機(jī)中,單片機(jī)收到該信號(hào)后即刻中斷計(jì)時(shí)器,記錄計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)值,并調(diào)用距離計(jì)算中斷處理程序計(jì)算出探測(cè)目標(biāo)距離數(shù)據(jù)；將數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī),供圖像處理軟件形成潛艇圖像并顯示。
5 結(jié)論
綜上所述，參量陣聲納在水下反潛戰(zhàn)中具有較大的優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)閰⒘筷嚶暭{：
�。�1）可獲得低頻窄波束。低頻損失波因其波長(zhǎng)較長(zhǎng),衰減小于高頻損失波，作用距離大，大大提高探測(cè)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(hào)處理增益。幾乎沒有旁瓣，可以提高設(shè)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(xiàn)代水下反潛作戰(zhàn)中的應(yīng)用前景廣闊,由于參量陣聲納強(qiáng)大的穿透能力，在反水雷尤其是沉底雷作戰(zhàn)中也將發(fā)揮重要的作用，而為了提高參量陣聲納的探測(cè)效率,未來結(jié)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(zhàn)的探測(cè)技術(shù)上升到一個(gè)新的高度。
中國(guó)碩士論文網(wǎng)提供大量免費(fèi)碩士畢業(yè)論文,如有業(yè)務(wù)需求請(qǐng)咨詢網(wǎng)站客服人員！
【參量陣聲納在水下反潛戰(zhàn)中的應(yīng)用】相關(guān)文章：
目標(biāo)規(guī)劃及其在經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用05-11
氣管插管在院前急救中的應(yīng)用05-29
Openprocess在熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用06-04
幼兒文學(xué)在幼兒教育中的應(yīng)用論文04-28
多媒體技術(shù)在鋼琴教學(xué)中應(yīng)用論文04-28
思維導(dǎo)圖在美術(shù)教學(xué)中應(yīng)用論文05-10
英語(yǔ)文學(xué)在英語(yǔ)教學(xué)中的應(yīng)用04-21