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參量陣聲納在水下反潛戰中的應用

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參量陣聲納在水下反潛戰中的應用

技術,使潛艇的探測越來越難,潛艇已構成了最重要的水下威脅,先進的探測技術對於水下反潛作戰也顯得尤爲迫切。
  1 水下反潛戰的意義
  一方面,由於先進的隱身技術(敷瓦及減振降噪)、傳感技術、信號處理技術和水下防禦措施的快速發展使反潛作戰越來越困難。在近三四十年內,美國和俄羅斯潛艇的輻射噪聲大約每年以0.5~1dB 的速度下降,從而使被檢測的距離每年縮小0.5~2km,由於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爲單一,所以主動方式下只能達到5~8km 左右的工作距離,探測距離較近測向精度也很差。這無疑給聲吶探測帶來了極大挑戰。近年來發生了多起潛艇水下相撞事故(如庫爾斯克號潛艇事故、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中對水下探測的技術提出了越來越高的要求。[1]
  另一方面,作戰對象擁有潛艇甚至安靜型潛艇,意味着必須儘早開始有效的反潛作戰準備,包括收集情報、戰場準備、清掃作戰區域、監視交通要道,以及保護水面艦艇等。用高新技術改善遠程探測系統性能,發展先進的反潛裝備已成爲掌握制海權,?衛國家權益、開發海洋資源的首要環節。從世界各國發展海軍的戰略態勢可看出:不論是西方發達國家還是我周邊各國,都把潛艇戰與反潛戰放在現代海戰的特別重要地位,不惜投入大量人力財力,研究開發水聲遠程探測新技術,研製新型聲吶系統和設備,以增強他們的潛艇戰與反潛戰實力。
  2 參量陣聲納理論
  近一個多世紀的研究和實踐表明,由於聲波在水介質中較電磁波和光波相比具有最小的衰減係數,聲波是目前惟一可利用的能夠在水中遠距離傳播的能量形式,是水下遠程資訊傳播的最佳載體。因此,水聲研究是實現水下遠程探測的基礎,各種聲吶裝備是完成遠程探測的`手段和工具。
  其中ω=2p f,f爲聲波頻率,c爲聲速,ρ 爲海水密度,? 爲海水粘滯係數,c 爲熱傳導係數,CV 定容比熱,CP 定壓比熱。由上述公式我們知道,吸收係數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小;反之,頻率愈低,吸收愈小,因而聲波的傳播距離愈大。
  傳統的聲納探測如果採用高頻超聲波,在海水環境下衰減較快,探測距離有限。如果使用低頻,爲了產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,同時大功率會帶來大的噪聲,反而不利於潛艇本身的隱蔽。而且大振幅聲波會形成衝擊波造成海水空化現象,由非線性理論我們知道,聲波在介質中傳播由於非線性效應,波形會發生畸變,產生衝擊波,衝擊波的形成距離由公式如下:
  Xs = M bk - (2)這裏0 M =u0/c0 , u0 爲聲波質點振動振幅,c0 爲聲波在海水中的聲速,b 爲非線性係數,k =ω/c0 爲波數,顯然u0 越大越容易產生衝擊波,其發射的波束角也較大,因而探測分辨率也較差。但是參量陣聲納則能很好的解決這一矛盾。
  參量陣聲納是基於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,會產生新的頻率的聲波。如果只考慮兩個頻率的話,最後產生聲波的頻率是這兩個頻率的和差頻波。傳播的信號稱爲原波。和頻波將很快被衰減掉,主要考慮的就是差頻波。差頻波沿聲軸方向將以相同的速度與原波一起向前傳播,並與原波在行進過程中不斷產生新的差頻波疊加。可以預料,在聲軸方向上差頻波將達到較大的值,而在非軸方向上,由於非同向疊加,故幅度很小。這就會形成很好的指向性。如果原波是一個寬帶信號的話,一般來說,它總可以用傅立葉積分表示,而被積函數是單頻正弦波,無限多個頻率成分的兩兩相互作用產生一個寬帶差頻信號,從而構成了所謂的寬帶參量陣。
  在聲參量發射陣中,設兩束聲波的傳播方向相同,第一束聲波的角頻率爲ω1 , 第二束角頻率爲ω2 ,在參量陣理論中將這兩束聲波稱之爲原波,它們的頻率稱之爲原頻率。當兩個波完全重合,在介質中傳播時,兩個原波相互作用,從而出現新的輻射源。如果只考慮二階相互作用,介質中將參量激勵起2ω1 ,2ω2,ω1+ω2,ω1-ω2四種頻率成分的聲波,而後二個頻率成分稱之爲和頻波與差頻波,由於原波、高頻諧波和頻波受到的吸收大,故超過一定的距離後只有差頻波存在,除了特別指出外,一般所說的參量陣就只指差頻波。由於它的指向性很尖銳,頻帶較寬,可以提高空間分辨率,抗混響,並能獲得較高的信號處理增益。