Page 32 - 网络电信2019年1/2月刊上
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解 决 方 案
二、系统关键技术 声纳载体运动的速度。在探测过程中要保证发射的声波经过目
1、适用于海缆探测的声纳方程 标反射，且反射回的回波可以被接收阵接收，即：
声纳方程综合考虑了水声所特有的各种现象和效应对声
纳设备的设计和应用产生的影响，声纳的设计必须遵循声纳方 （3）
程，并且声纳方程可以预测已有设计的性能。主动声纳的声纳 式中：v s 为载体速度；r为作用水深；LD为接收基阵的阵
方程分为噪声限和混响限两种情况，合成孔径声纳的波束一般 长，本系统中L D =0.64m。在满足其他条件的情况下，作用水深
[1]
指向海底，没有海面混响的干扰，其声纳方程分别如下 ： 和载体速度的关系如图3所示，作用水深和载体速度呈倒数函
噪声限声纳方程： 数的关系，载体速度越低，作用水深越大，当载体速度为2m/s
SL-2TL+TS-NL=DT （1） 时，作用水深可以达到150m。提高接收基阵的长度，也可以提
式中SL,TL,TS,NL,DT分别为源级、传播损失、目标强度、 高作用水深。
噪声级和检测阀。
图3 作用水深和载体速度的关系
混响限声纳方程：
SL-2TL+TS-RL=DT （2）
式中RL为混响级。
[2]
Schock等人在文献 中指出，掩埋目标探测应遵从混响下
的声纳方程，但是需要指出的是文献中的实验条件为：水深
4~5m，目标埋深为30cm，在这种情况下，掩埋目标会被掩蔽在
混响之中，因此所用声纳方程为混响限。但是本系统针对的一
般是在水深20m以下，埋深最深达到3m的海缆目标。这种情况下
海缆并不会被混响掩蔽，并且海缆目标的散射特性跟周围底质
差别很大，因此海缆探测所适用的声纳方程为噪声限情况。
2、海缆的等效目标强度
声纳方程的另外一个组成要素就是目标强度，由于海缆
掩埋在沉积层中，并且最大掩埋深度已经达到3m，经典的目
标强度（TargetStrength，TS）的定义 [3-5] 是计算距物体声中 但是在声纳设计时必须注意另外一个问题，载体速度不宜
心1m处的回波强度和入射声波强度之比的10倍对数值。但是对 过小，因为合成孔径声纳是根据不同位置回波信号的空间位置
于海缆，该位置可能仍在沉积层中，还需要在沉积层中传播 和相位关系进行处理的，速度过小时就很难保持速度的稳定，
一段时间，并透射到海水之中，因此并不能直接用于声纳方 这种情况下，回声的相干性就弱，不利于信号处理。
程。为了便于计算，本文参考文献 [6-7] ，将海缆正上方的海底界 （2）声源级和作用水深的关系
面上的某点作为参考点，如图2所示，将海缆的等效目标强度 声源级和作用水深的关系由声纳方程决定，将声纳方程的
（EffectiveTargetStrength，ETS）定义为距该点1m处的回波 各个变量代入声纳方程可以得到：
强度和入射声波强度之比的10倍对数值，这样就可以直接用于 SL-2×(20logr+αr×10 )+TS-NL=DT （4）
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声纳方程。 假设系统的PRI足够大，足够满足声源级决定的作用水深。
为了方便计算，假设海缆掩埋在泥质沉积层3m深处，海缆半
图2 等效目标强度示意图
径为0.015m，系统中心频率为12kHz，海况为三级海况，根据
上文的讨论，此时噪声级约为20.15dB，海缆的等效目标强度
为-68.04dB。
另外，本文在计算等效目标强度时，假设海缆表面是光滑
的。但是在实际生产中，为了保护海缆，在海缆的表面覆盖了
一层油麻或者聚丙烯材料，这就导致声波并不能被完全反射，
根据文献 [8-9] ，聚乙烯保护层的声反射系数为0.53。
图4给出了现有系统中作用水深和声源级的关系。
从图4中可以看出，随着声源级的增加，作用水深呈非线性
增加，类似于对数曲线，声源级设置为“1”档时，本系统的作
用水深为55.75m，声源级设置为“7”档时，本系统的作用水深
为105.42m，满足近海探测要求。
4、分辨率研究
3、作用水深分析 合成孔径声纳在方位向分辨率上的优势主要是由成像算法
（1）载体速度和作用水深的关系 决定的，根据探测的需要和适用性原则，本系统选取波数域算
因为声速大大低于电磁波在空间传播的速度，从而限制了 法为本系统的成像算法。流程图如图5所示。
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