高空气象条件与被动 声源定位

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高空气象条件与被动声源定位

1、引言
  在军事目标侦察领域，被动声源定位技术由于其不受能见度限制，可在夜间和雾天实施侦察；受地形地物环境影响不大，可探测到遮蔽物后的目标；被动侦察，不易受电磁干扰、不易被发现等特点具有广泛的应用前景。但因目标发出的声信号通过空气传播，所以被动声源定位效果受气象条件影响较大。特别是远距离探测时，千米以下高空气层的温度、湿度、风速、风向等因素对声源定位效果的影响不容忽视，特别是气层风速、风向的影响尤为突出。因此，掌握高空气象条件与声信号的传播关系，有效评估声源定位效果、预测定位能力，在实际应用中非常必要。
2、被动声源定位基本原理
   被动声源定位的基本原理是：利用布设在以知位置的传声器阵列，接收声源经远距离传输后的声信号；利用各阵列信号的时间差或相位差确定目标所处方向；利用多个相关传声器信号，经过几何关系解算出声源位置。文中以长基线声测系统为例，讨论高空气象条件对声源定位的影响情况。
   长基线声测系统通过测量脉冲声源所产生的脉冲声波到达几个精确定位的传声器的相对时间，确定脉冲声源的位置，如图所示。K为声源；M1，M2，M3，M4等为传声器；M1M2，
M2M3，M3M4，为声测基线，是配置在现地上的2个传声器间的连线；O1H1，O2H2为基准线，是声测基线中点向声源方向所作的垂直于声测基线的直线。
    假设：（1）声源与传声器距离远大于声测基线长，传声器接收到的声波近似为平面波；（2）大气介质水平及垂直方向密度均匀、运动（既风）均匀，声波沿直线传播，不发生折射。那么在各传声器测量值没有误差的理想情况下，不同传声器对同一目标测量值时间的差形成的目标方向射线应相交于一点，交点就是目标的真实坐标。实际情况中，由于测量值误差的存在，以及气层温度、风速、风向的不同，即便在经过修正之后，同一目标测量值所确定的射线也不可能相交于一点；虽然所有射线交点接近目标真实位置，可以通过概率统计方法求出目标坐标估计值，但定位精度也往往较差。其最主要的原因是远距离传输所经过的大气截介质的不均匀性和不稳定性不能很好地 数学方法描述。笔者就该问题进行了分析，并引入能听度的概念以衡量大气对声传播的影响度，目的是使被动声源定位技术得以更合理的应用。

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3、高空气象条件对声传播的影响

根据理论分析，声源距探测传声器10-20Km时，声波传输主要集中在千米高空以下，对声波传播的影响主要反映在各气层声速的变化上。

   根据有关研究表明，气体中声速受温度的影响最大。假设大气水平方向均匀，则各气层声速是气层温度和风的函数。设某气层声速C=C0+CfO其中，C0为无风条件下声速；Cf=V*cosQ，为风在传播方向上的分量，称为纵风速，同向为正，反向为负。

   最理想的情况是，声速随高度无变化或近似无变化，即声速在各高度一致，高度-声速曲线无倾斜，信号能量沿直线传播。当声速随着高度的变化而变化时，声在传播过程中将出现折射甚至多路径聚合（即产生多径效应）。声速随高度的变化趋势不同，声波的传播情况也各有不同。如图：

   （1）声速随高度增加而减小，声在传播过程中上扬，在地面产生的声信号强度小于各气层高度声速一致时在地面产生的声信号强度，

    （2）声速随高度增加而增大，声线折向地面，在地面产生的声信号强度比声速一致时在地面产生的声信号强度要大。在这种情况下，若较高气层声速曲线斜率更大，可能回出现声源信号经不同路径到达同一探测点，即出现多径效应。如图。

    （3）声速随高度增加先增大后减小，增大过程又分为两个部分，较高气层的声速增加更快，即斜率更大，在某段距离上出现多径效应，同时远距离信号减弱。

    (4)声速随高度增加先减小后增大，如图。声线在声速曲线负斜率的较低高度被折向上方，随后在正斜率段的较高又部分折向下方。这种情况造成的结果是距声源较近（图中箭头所指之处）出现声信号弱区，又称“声影”；但在略远处信号较强。

    由上述分析可以推测，气层声速的变化对声源定位的影响集中在2个方面：一是可探测距离受到影响，由于声线的上扬和折返，通常情况下能测到目标信号的位置无法测得目标信号；二是精度受到影响，由于在进行气象修正时，假设声信号沿直线传播，而当声速变化较大是路径差异较大，修正结果不够理想。

4 能听度

以上各种不同气层-声速情况引起的声传播差异可以用能听度来描述。能听度将探测点情况作为考核对象，是指传声器在某方向某距离上所能感受到声波能量与声源总能量相比的强弱程度。能听度愈强，传声器感受的声波能量愈大；反之能听度愈弱，传声器感受的声波能量愈小。能听度根据声速一气高度曲线判定，声速一气层高度曲线根据各气层虚温和风速、风向的分布绘制。常见气层-声速曲线如图6所示。

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图6中，曲线（a）逐渐下降，能听度不良；曲线（b）上升，能听度良好；曲线（c）水平延伸，为中等能听度；曲线（d）先下降后上升，在目标近处形成声影区，能听度不良，远方能听度良好；曲线（e）先上升后下降，近方能听度良好，远方能听度不良。综上所述，气象对声测侦察的影响，可通过气象参数值来作估计。总的来说，温度从地面到高空有递增现象，大气稳定，以及风速随高度增加的顺风等气象条件有利于声信号传播。

实际应用中，根据声速曲线的形状，配合定高板，可判定该方向上各距离的能听度情况。定高板由一组注明基线中点到声源坐标、探测点坐标或相对于声源的探测方向，各气层虚温、风速、风向。根据声速曲线的上升、下降与水平段的起始与结束高层，判断确定能听度的好、不好与中等区间。

5、应用举例

图7、图8为根据北方夏季某一天凌晨、上午气象参数绘制出的声速曲线，时间相隔近3h。

  由图7可知，当日凌晨能听度中等以上，气象条件对声测有利。由图8可知，当日上午，声速曲线向下弯曲，能听度差，对声测不利。在声源、传声器等其它条件不变的前题下，测得的2组声源位置数据如表1所示。声源定位结果凌晨为90-140m,上午为300-350m。可以看出，能听度不良，声源定位精度较低。

6、结束语

  能听度可以有效地描述高空气象条件对被动声源定位的影响情况，能听度的使用将为科学评价、预测被动声定位效果起到重要作用。但是，能听度只是提供了一种评估高空气象条件影响程度的依据，声信号在十几公里的传输过程中还要受到地表地物对声波的反射和吸收，以及空气密度等其它因素的影响，而且随声源频率组成的不同也有较大区别，因此实际应用中还应综合考虑各种因素。

安安天使

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