水下对抗过程中，目标声学特性、声基阵背景干扰、复杂海洋环境等对声呐探测能力影响巨大。声呐系统动态效能计算是最大限度发挥声呐探测能力的关键，伴随着分布式、多基地水声探测的发展趋势，其作用日益突出。《声呐系统动态效能计算原理及应用》对制约声呐系统探测能力的主要影响因素、动态效能计算原理方法和典型应用分析三个方面进行了系统阐述，分析了目标声学特性、背景干扰、海洋环境等要素及其对声呐探测的影响，总结提出了声呐系统动态效能计算的基本原理以及单声呐、多声呐、多基地声呐系统动态效能计算方法等，介绍了声呐系统动态效能计算在声呐探测控制和模拟训练系统中的几种典型应用。

目录
丛书序
自序
第1章 绪论 1
1.1 概述 1
1.2 声呐效能 2
1.3 声呐方程 3
1.4 声呐效能的影响因素 7
1.5 声呐系统动态效能计算 9
1.6 小结 12
参考文献 12
第2章 海洋环境要素 14
2.1 浅海与深海 14
2.2 海底地形 15
2.2.1 典型海底地形 16
2.2.2 地形声学效应 18
2.2.3 地形数据获取 27
2.3 底质 29
2.3.1 海底分层结构 29
2.3.2 底质声学特性 30
2.3.3 底质声学效应 37
2.3.4 底质声学数据获取 39
2.4 声速剖面 42
2.4.1 海水中的声速 42
2.4.2 声速剖面效应 43
2.4.3 声速剖面数据获取 47
2.5 中尺度现象 48
2.5.1 中尺度涡旋 48
2.5.2 海洋锋 50
2.5.3 海洋内波 54
2.6 小结 56
参考文献 56
第3章 水声传播特性及建模 62
3.1 典型水声传播特性 62
3.1.1 深海 62
3.1.2 浅海 69
3.1.3 水平非均匀海域 71
3.2 水声传播建模 73
3.2.1 水声传播建模理论基础 74
3.2.2 二维水声传播建模 77
3.2.3 三维水声传播建模 86
3.3 水声传播模型自适应优选 89
3.3.1 水声传播模型的适用范围 89
3.3.2 自适应水声传播计算方法 90
3.4 水声传播数据获取 92
3.4.1 测量手段和方法 92
3.4.2 数据处理 95
3.5 小结 95
参考文献 95
第4章 背景干扰特性及建模 97
4.1 噪声 97
4.1.1 噪声干扰特性 97
4.1.2 噪声建模 110
4.1.3 噪声数据获取 118
4.2 混响 123
4.2.1 混响干扰特性 123
4.2.2 混响建模与预报 135
4.2.3 混响数据获取 144
4.3 小结 148
参考文献 148
第5章 水声目标特性及建模 152
5.1 目标辐射噪声 152
5.1.1 辐射噪声产生机理 152
5.1.2 辐射噪声特性 155
5.1.3 辐射噪声建模 159
5.1.4 辐射噪声测量 164
5.2 声呐目标强度 167
5.2.1 目标回波及产生机理 168
5.2.2 目标强度特性 169
5.2.3 目标强度建模 173
5.2.4 目标强度测量 183
5.3 小结 185
参考文献 185
第6章 声呐空时处理性能建模 187
6.1 声呐信号处理基本原理 187
6.1.1 声呐的工作流程 187
6.1.2 空域处理基本原理 188
6.1.3 时域处理基本原理 190
6.2 声呐空域处理建模 193
6.2.1 线列阵 193
6.2.2 柱面阵 196
6.2.3 球面阵 201
6.2.4 共形阵 203
6.2.5 扩展阵 207
6.2.6 矢量水听器 209
6.3 声呐时域处理建模 213
6.3.1 主动声呐时域处理建模 213
6.3.2 被动声呐时域处理建模 217
6.4 声呐发射与接收特性测量 225
6.4.1 空间指向性 225
6.4.2 发射声源级 229
6.5 小结 231
参考文献 231
第7章 声呐系统动态效能计算 233
7.1 声呐系统动态效能计算的基本原理 233
7.1.1 模型体系 233
7.1.2 信息流程 235
7.1.3 主要功能 236
7.1.4 计算系统架构 237
7.2 单声呐动态效能计算 238
7.2.1 基本原理 238
7.2.2 系统架构 239
7.2.3 计算流程 242
7.2.4 典型系统计算 243
7.3 多声呐动态效能计算 244
7.3.1 基本原理 244
7.3.2 系统架构 246
7.3.3 计算流程 247
7.3.4 典型系统计算 249
7.4 多基地声呐系统动态效能计算 250
7.4.1 基本原理 250
7.4.2 系统架构 251
7.4.3 计算流程 252
7.4.4 典型系统计算 253
7.5 声呐系统动态效能的战术意义表达 254
7.5.1 声呐累积探测概率 255
7.5.2 目标存在概率 256
7.5.3 目标存在概率计算流程 256
7.5.4 典型系统计算 260
7.6 小结 261
参考文献 262
第8章 模型与系统检验 263
8.1 水声传播模型检验 263
8.1.1 标准问题检验 264
8.1.2 实测数据检验 269
8.1.3 水声传播模型评价 279
8.2 声呐系统动态效能计算系统检验 280
8.2.1 检验方法 280
8.2.2 数据处理 287
8.2.3 模型检验 290
8.3 小结 290
参考文献 291
第9章 声呐系统动态效能计算的典型应用 292
9.1 基于声呐系统动态效能计算的探测控制 292
9.1.1 作用及意义 292
9.1.2 功能及系统架构 296
9.1.3 单基地声呐探测控制 298
9.1.4 编队声呐协同探测控制 302
9.2 基于声呐系统动态效能计算的模拟训练系统 310
9.2.1 作用及意义 310
9.2.2 功能及系统架构 311
9.2.3 系统使用流程 313
9.2.4 声呐系统动态效能计算服务 314
9.3 小结 316
参考文献 316
索引 317
彩图

第1章　绪论
　　1.1　概述
　　海洋面积约占地球表面积的71%，海洋是人类活动的空间，也是资源的重要来源，在人类文明发展过程中扮演着重要角色。自从19世纪末美国马汉提出海权论[1]，世界各国对海洋的重视空前，围绕海洋的战略竞争成为大国竞争的重要内容，同时也将持续影响21世纪的世界地缘政治格局。
　　由于水中的能量传播与空气中有着巨大的差异，水中声波的传播速度（约1500m/s）是空气中传播速度（约340m/s）的4～5倍。水中声波的传播损失较光波、电磁波的要小多个数量级。声波是目前唯一在海水中远距离传播的能量形式，因此，以海洋声学现象为主要研究对象的水声学，成为近代以来声学研究的重要分支。应用水声学原理实现警戒、探测、识别、鱼雷报警、通信、导航、武器导引、水声侦察等功能的声呐系统，在国家海上安全保障和社会经济发展、民生保障等国民经济领域发挥着不可替代的重要作用，是开发海洋资源、建设海洋强国、拓展海洋空间、维护海洋权益的主要支撑技术。
　　自1490年达 芬奇最早利用插入水中长管听到远处航船声以来，随着科学技术的持续发展和经济军事需求的不断催生，到目前为止，声呐系统已形成门类齐全、用途多样的系列装备，覆盖海洋研究、勘探、开发、环境资源保护和反潜战、潜艇战、反水雷战等民用军用领域。声呐系统按其是否主动发声来划分可分为主动声呐系统和被动声呐系统，按照收发是否分开可分为单基地声呐系统和多基地声呐系统，按照在海洋区域范围内的分布情况可分为单平台声呐系统和分布式声呐系统。声呐对目标的探测距离，即声呐作用距离，是声呐系统最为基本同时也是最为重要的战术指标，反映的是声呐装备主要的作战性能，也是研究分析水下作战问题的关键数据。
　　在实际海洋环境中声呐系统的探测距离受两部分影响：一方面是其固有性能，由声呐本身的基阵形态及空-时-频域的信号处理方法决定；另一方面是随环境、背景干扰、目标特性、态势等动态变化。海洋中的温跃层，锋面、内波、涡旋等中尺度现象和大陆坡、海山、海沟等地形条件以及海面起伏使得信号传播复杂多变，引起信号异常衰减；海面的航船、海底的礁石以及各类鱼群等海洋生物会产生假目标或干扰。此外，在实际作战场景下，各种作战平台与作战目标均处于复杂的战术对抗环境，敌我舷角、平台机动航速随时间发生动态复杂变化，这些因素叠加在一起，对声呐实时探测效能产生很大的影响，动态变化范围甚至高达一两个数量级。由于海洋环境、目标特性等因素的复杂性、易变性，以及由此产生的不确定性，使用静态方式计算的声呐探测效能与实际情况相比通常存在很大的偏差，难以满足实际海上作战的需要。
　　运用声呐系统动态效能计算技术对各影响因素进行综合分析和量化评估，计算各影响因素条件下声呐的作用距离，对于水声装备论证与设计，在水下攻防作战行动中非常关注的武器使用、水下作战预案制订、潜艇的航路规划、作战指挥等都具有十分重要的意义。在声呐设备使用方面，通过对不同海洋环境和工况下声呐探测能力的分析，给出声呐装备在不同的水深、声速剖面、海底地形与底质、平台航速及航深下的作用距离，可帮助使用声呐设备的各类指战员更好地理解海洋水声环境对声呐战术性能的影响，掌握在不同条件下声呐的作战性能，为科学运用声呐装备提供有效的支撑手段。在声呐技术发展方面，通过典型场景条件下声呐作战效能的细化分析，可有效支撑新装备的军事需求、作战样式、作战效能、体系贡献率等论证评估工作，夯实声呐装备论证基础，确保声呐研制立项有序推进。在作战支持方面，作战筹划阶段，通过分析典型作战环境下敌我多平台多声呐相互探测能力，为作战预案拟制提供支撑；作战实施阶段，通过实时分析当前不同海洋环境、对抗态势、平台机动条件、敌我声呐探测能力，为兵力行动策略调整、声呐工作参数优化提供支撑。
　　本书将以水下预警探测声呐为研究对象，重点围绕声呐系统动态效能计算，针对物理场特性及建模、声呐时空处理性能建模、动态效能计算等方面进行系统阐述，分析海洋环境、目标声学特性、背景干扰等影响因素及其对声呐探测的影响，总结提出声呐系统性能建模原理与基本方法、声呐系统动态效能计算方法等，通过动态效能计算得到的声呐作用距离估计，能够为声呐工作参数的优选提供依据，进而实现量化的探测控制，以*大限度地发挥声呐探测能力。在此基础上，本书还将介绍声呐系统动态效能计算在声呐实时效能分析评估与声呐使用训练中的几种典型应用。
　　1.2　声 呐 效 能
　　声呐效能是指声呐在规定条件下完成作战任务的能力。对于预警探测声呐，搜索发现目标就是其作战任务，相应的作战效能主要围绕探测能力进行分析。根据装备效能和性能的定义，声呐性能是装备固有能力的度量，是静态不变的；而声呐效能则是装备固有能力在实际作战环境下的具体表现，与海洋环境和目标状态等密切相关，是动态变化的。采用常见的武器系统效能工业咨询委员会（Weapon System Effectiveness Industry Advisory Committee，WSEIAC）模型[2]分析评估声呐效能，该模型一般形式可写为
　　（1.1）
　　式中， 为系统效能行向量； 为可用性行向量； 为可信性矩阵； 为能力矩阵。
　　由于声呐的作战任务是探测目标，其系统效能写为
　　（1.2）
　　式中， 为探测概率； 、 分别为声呐的平均故障率和修复率，其典型取值为
　　（1.3）
　　其中，MTBF为平均无故障间隔时间；MTTR为平均故障修复时间。将式（1.3）代入式（1.2），有
　　（1.4）
　　从式（1.4）可知，对于典型的声呐系统，其效能即规定的环境、目标和装备条件下对目标的探测概率。
　　根据水声信号检测理论，该探测概率实则为瞬时的检测概率，在一定的虚警概率（一般取 ）条件下，可根据输入信噪比计算。另外，在一定的虚警概率和检测概率（一般取0.5）条件下，也可以把该检测概率转换为满足检测条件的探测距离（即声呐作用距离）。这两种效能从不同角度、以不同方式描述同一问题，两者等价，均可用于描述声呐效能，在本书后续章节中不再详细区分和赘述。
　　1.3　声呐方程
　　声呐效能通过探测概率或作用距离来描述，但如何计算这些效能指标，则需要利用声呐方程[3]。如图1.1所示，声呐在海洋混响、环境噪声、平台自噪声等干扰背景影响下，实现对信号的检测与参数估计。
　　由声呐原理可知，声呐方程建立在水声信号检测理论基础上，是开展声呐设计、分析声呐效能的基本工具。根据声呐信号检测理论，声呐探测概率、作用距离主要受环境、目标、装备三类因素影响，这些因素对声呐效能的影响方式与程度，可通过声呐方程进行量化计算分析。根据声呐的类型，声呐方程可以分为被动声呐方程和主动声呐方程。
　　图1.1 声呐探测示意图
　　被动声呐自身不发射声信号，通过接收水声信号进行工作，其信息流程如图1.2所示。被动声呐方程写为
　　（1.5）
　　图1.2 被动声呐信息流程
　　主动声呐需要发射声信号，利用目标回波进行工作。它的背景干扰分为两类：噪声限制背景和混响限制背景。
　　噪声限制下主动声呐的信息流程如图1.3（a）所示，对应的声呐方程为
　　（1.6）
　　混响限制下主动声呐的信息流程如图1.3（b）所示，对应的声呐方程为
　　（1.7）
　　图1.3 主动声呐信息流程
　　上述主被动声呐方程中，各声呐参数的定义和描述如表1.1所示。
　　表1.1 声呐方程中的有关参数
　　续表
　　注意，表1.1中未点明用于何种工作方式的声呐参数，默认为主动和被动两种方式皆适用。使用中经常把自噪声级与海洋环境噪声级合称为背景噪声级，它描述了声呐工作的背景噪声强度。