深海波导不变性的分析范文

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《计算机仿真杂志》2014年第六期

1深海波导不变量性质

基于Kraken模型仿真在相同频率条件下分别计算浅海均匀声速梯度环境和深海声道声速梯度环境的各号简正波相速度、群速度以及相慢度和群慢度之间的关系，环境声速梯度如图1所示，海深5938m，声源深度7m，接收器深度120m，海底声速cbottom=1668m/s，海底密度ρbottom=1806kg/m3，海底吸收系数α=0．692dB/λ(该环境为某海试试验环境，本文之后的仿真以及数据皆以此环境为基础)，部分结果如图2和3所示。由图2(a)可得，浅海环境中简正波的相速度vm和群速度um随简正波号数n单调变化。由图2(b)可以看出，浅海环境下所有号数的简正波的相慢度Sp和群慢度Sg呈反关系且基本在一条直线上，通过拟合计算可以得到该直线斜率K≈－1，则根据式(6)可得该环境下任意两号简正波形成的波导不变量值β≈1，符合相关文献［2］中的推导结果。浅海其它声速梯度情况下波导不变量的值并无显著变化，不再赘述。由图3可以看出，深海环境中的简正波可以分为两部分，以图3(b)为例，图中左半部分的简正波和浅海环境下的简正波相似，群慢度和相慢度呈反比例关系;右半部分则相反，群慢度和相慢度呈正比例关系。以上只讨论了两类简正波各自范围内形成的波导不变量，并没有讨论两类简正波相互之间形成的波导不变量。两类简正波内各任意一号简正波相互间形成的波导不变量β的值变化范围较大，且各有正负，相互抵消，难以形成有效的干涉条纹，因此对于所有简正波共同作用的海区，在其LO-FAR谱中无法观测到明显的干涉条纹。反射简正波形成的波导不变量与浅海类似，形成的波导不变量值β≈1，反转简正波形成的波导不变量β＜0，两者在距声源较近范围内互相作用，致使被动声纳在深海环境下很难探测到近距离目标的干涉条纹。而反转简正波能够经由较少的衰减到达会聚区，反射简正波由于经历海面海底反射，衰减较大，因此在会聚区范围内反转简正波对干涉条纹的形成起主要作用，即会聚区范围内的波导不变量β＜0，所以形成的干涉条纹呈现与浅海干涉条纹的方向相反。基于Kraken模型对深海环境下被动声纳接收的LOFAR谱图进行仿真，环境同图1所示的环境，部分仿真结果如图4、5所示。

2基于WKBZ方法计算波导不变量

利用WKBZ简正波方法中的本征值近似方程进行推导，得到计算波导不变量的方法［2］。张仁和院士在文献［4］中说明了WKBZ方法，本节的推导过程主要使用本征值方程，计算过程中使用了本征函数方程的计算结果。从图6中可以看出，该环境下反射简正波的波导不变量值约为1，反转简正波的波导不变量小于零，且在一定范围内变化，符合之前的理论分析。

3会聚区目标判定和运动态势分析方法及验证

两类简正波形成的波导不变量值有很大差异，致使深海环境下被动声纳接收到的信号与浅海环境下情况有很大不同。由之前介绍的深海波导不变量的性质可以得到，在深海环境下，如被动声纳检测到目标但LOFAR谱图无条纹，且目标方位变化率较快，可判定为近距离目标，可按照传统的的目标定位方法进行目标定位;如被动声纳检测到目标同时有明显的干涉条纹，目标方位变化率缓慢，则可以判定目标为会聚区目标。该方法可以提升声纳的性能，在原有的近距离探测基础上，添加了会聚区部分的探测范围，使得探测距离大幅提高。相关文献［6－8］中已有许多在浅海环境下利用波导不变量分析目标运动态势的方法，本节将利用前面得到的深海环境波导不变量的性质，对会聚区目标的运动态势进行判别，并结合实验数据加以验证。当环境参数不随水平距离改变时，式(2)可转化为导致深海会聚区的干涉条纹呈现与浅海相反的方向，即随着频率增加，干涉条纹指向距离减小的方向，如图5所示。可利用该性质判断会聚区目标运动态势。对2012年5月在西北太平洋某次海试中获得的深海目标数据进行处理，环境即为图1所代表的环境，处理得到的图7、图8为深海环境条件下，接近和远离态势下被动接受器接收到的LOFAR谱图。利用图7中0－240s时段可以看到较为清晰的条纹，可判定该时段接收接收器经过目标声波产生的会聚区，条纹随着频率增加指向时间增加方向，即dtdω＞0，根据深海波导不变量性质drdω＜0，该方向为距离减小的方向，可得drdt＜0，即该图态势为接近态势;图8中400－700s时段可以看到较为清晰的条纹，说明此时段接收器经过目标声波产生的会聚区，条纹随着频率增加指向时间减小方向，即dtdω＜0，使用同样方法可判定drdt＞0，即该图态势为远离态势。两图理论推导结果均符合实际情况，说明该态势判断方法有效。

4结论

本文分析了深海波导不变性，利用基于WKBZ的方法计算深海环境下的波导不变量，并提出利用该性质对会聚区标进行判定和运动态势判别方法。在深海环境下，被动声纳收听到目标信号但其LOFAR谱图无条纹，且目标方位变化率较快，则可判定为近距离目标;被动声纳检测到明显的干涉条纹，且目标方位变化率缓慢，则可判定为会聚区目标。利用深海波导不变性可以根据会聚区干涉条纹判断目标是接近还是远离态势。仿真数据和海试数据验证了该方法可准确有效判别会聚区目标运动态势。

作者：崔宝龙笪良龙徐国军唐帅单位：海军水下作战环境研究所