基于爆炸声源的远程水下目标定位方法-黄聪
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爆炸声源[1] 是通过爆炸产生急速膨胀的气体 气泡，将化学能转化为声能，从而产生高强度的 低频信号。在作战时可以利用主炮、火箭助飞、 反潜机投放等方式实现爆炸声源的远距离布置， 与舰载声呐的接收端组成收发分置的双基地声 呐，从而实现对潜艇的远程预警。闫晟等[2] 分析 了水下爆炸声源的目标散射混响模型，提出了在 爆炸声混响背景下远距离水下目标定位方法， 并 进 行 了 湖 上 试 验 验 证 。 刘 琳 等 [3] 和 王 国 刚 等 [4] 提出了基于爆炸声源的水下目标远程跟踪方法， 通过间隔使用多枚爆炸声源，实现了潜艇目标的 多点定位建航。上述研究成果验证了基于爆炸声 源远距离水下目标定位的可行性，但并未对爆炸 声源投放位置、声呐作用距离、目标定位误差等 探测性能因素进行仿真分析，缺少作战应用研究。
朱伟锋，男，1977 年生，硕士，高级工程师。研究方向：舰载武器系统集成 李迪，女，1991 年生，硕士，工程师。研究方向：水声电子技术。 *通信作者: 黄聪
第6期
黄聪等：基于爆炸声源的远程水下目标定位方法
177
远程搜潜或应召反潜的协同作战任务。但受到平 台航程、搜索面积、气象条件等因素的限制，航空 反潜通常在已初步获取潜艇目标信息的前提下才 能发挥最大效能。因此如何提高对潜艇的前期远 程预警能力，为航空应召反潜以及反潜武器系统 提供有效目标信息，是海军亟待解决的技术问题。
2 探测范围分析
2.1 作用距离
声呐方程主要体现的是水下声信号的能量传 播过程，综合考虑水声现象、效应以及目标的声 学特性对声呐系统的影响，从而得到介质、目标 和设备综合作用的关系式 。 [8] 主动声呐具有双程 声传播，其传播的能量形式可大致分为发射声源 级 SL、 发 射 波 传 播 损 失 TL1、 目 标 反 射 强 度 TS、 回 波 传 播 损 失 TL2、 接 收 能 量 检 测 等 5 部 分 。 按 照发射平台和接收平台的位置是否相同，主动声 呐又可以分为收发合置的单基地声呐（例如舰载 声呐主动探测）和收发分置的双基地声呐（例如 基于爆炸声源的主动探测）。
0 引 言
随着安静型潜艇和敷瓦潜艇的不断发展，水
面舰船仅通过舰载声呐难以发现远距离潜艇目 标。为进一步增大反潜的防御纵深，编队主要依 靠固定翼反潜机和反潜直升机等航空兵力，执行
收稿日期: 2019–07–03 修回日期: 2019–10–26 网络首发时间: 2020–11–04 08:58 作者简介: 黄聪，男，1988 年生，博士，工程师。研究方向：水声信号处理。E-mail
SL − TL1 − TL2+TS − NL + DI > DT
(4)
式 中 ： TL1 为 爆 炸 声 信 号 由 声 源 传 播 至 目 标 的 传 播 损 失 ； TL2 为 爆 炸 声 信 号 经 目 标 反 射 传 播 至 接 收端的传播损失。
假设舰载主动声呐对水下目标的最大探测距 离 L=40 km，与基于爆炸声源的水下目标探测进 行对比。为简化分析模型，忽略 2 类声源信号（声 呐主动探测信号和爆炸声信号）的传播损失、阵 列处理增益、目标强度等因素的差异，在系统条 件一致的情况下，根据能量关系，两者的传播损 失应满足式（5）：
基于爆炸声源的远程水下目标 定位方法
黄聪 ，*1 朱伟锋1，李迪2
1 中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064 2 武昌船舶重工集团有限公司，湖北 武汉 430064
摘 要:［目的］随着潜艇隐蔽性和作战能力的不断提高，水面舰艇面临的水下挑战日益严峻。为加强对潜
艇的全面感知和持久监视预警能力，对利用水下爆炸声作为发射声源的远程目标探测方法进行系统研究。
可增大对潜艇的警戒纵深。［结论］可为航空应召反潜提供有效目标信息。
关键词：反潜作战；爆炸声源；水下目标定位；双基地声呐
中图分类号: U666.7
文献标志码: A
DOI：10.19693/j.issn.1673-3185.01667
Remote localization method for underwater target based on explosive sound sources
［方法］基于双基地声呐定位原理，给出水下目标的解算方法；根据声呐方程给出的能量关系，推导系统最
大探测范围的数学模型，利用数值仿真分析目标定位误差的空间分布，以及爆炸声源不同投放距离的目标探
测范围及其定位精度。［结果］结果表明，基于爆炸声源的水下目标探测不能在全平面上扩大探测区域，但
在基线延长线附近的一定开角范围内，可获得较大的探测优势。在此基础上，通过合理配置多枚爆炸声源，
基于舰载声呐的水下目标探测为收发合置的 主动探测，其声呐方程为
178
中国舰船研究
第 15 卷
SL − 2TL+TS − NL + DI > DT
(3)
式中：TL 为单程传播损失；NL 为海洋环境噪声级 或 等 效 混 响 级 ； DI 为 接 收 指 向 性 指 数 ； DT 为 检 测阈。
基于爆炸声源的水下目标探测为收发分置的 主动声呐，其声呐方程为
原点，建立直角坐标系，爆炸声源的投放位置为
A（x1，y1），水下目标的位置为 B（x，y），OA 连线也
称为基线。舰载声呐通过接收爆炸声源的直达
波和目标回波进行方位和时延估计，原理示意图
如图 1 所示，其中 θ1 为爆炸声信号直达波的方位 角，θR 为目标回波的方位角。
若爆炸声源的投放距离已知，爆炸声信号到
达声呐的传播距离为 R1，爆炸声信号经过目标反
射后到达声呐的传播距离为 RΣ，声呐经测量可获
取的主要信息有：爆炸声信号直达波的方位角 θ1， 目标回波的方位角 θR，直达波和目标回波的时延 差 τ。采用射线声学传播模型，忽略声线弯曲和
三者之间的深度影响，则目标定位方程如下：
yRyRx11ΣΣ=====xRRR·√11t1a··(+nscxioθ1cnRs−·θθτ1x1 )2
第 15 卷 第 6 期 2020 年 12 月
中国舰船研究 Chinese Journal of Ship Research
Vol. 15 No. 6 Dec. 2020
引用格式：黄聪, 朱伟锋, 李迪. 基于爆炸声源的远程水下目标定位方法 [J]. 中国舰船研究, 2020, 15(6): 176–181. HUANG C, ZHU W F, LI D. Remote localization method for underwater target based on explosive sound sources[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 15(6): 176–181.
Abstract: ［Objectives］With the continuous improvement of submarines' stealth property and combat capabilities, the underwater challenges faced by surface ships are increasingly becoming serious. To enhance the capabilities of overall scenario awareness, sustained surveillance and early warning of submarines, this paper systematically studies the long-range target detection method using underwater explosive sound sources as the emission source.［Methods］Based on the principle of bistatic sonar localization, the solution equation of underwater targets is given. According to the energy relationship, the mathematical model of the maximum detectable range of the system is deduced. The spatial distribution of the target localization error is analyzed by numerical simulation, the target detection range and localization accuracy of explosive sound sources with different deploying distances are examined.［Results］The results show that the detection of underwater target based on explosive sound sources cannot expand the detection range in the whole plane, but it can obtain greater detection advantages in a certain angle range near the baseline extension line. On this basis, by reasonably allocating multiple explosive sound sources, the warning distance of the submarine can be increased. ［Conclusions］ Effective target information can be provided for aircraft-based on-called antisubmarine operation. Key words: antisubmarine operation；explosive sound source；underwater target localization；bistatic sonar
式中，c 为水下声速。经解算，得到水下目标的横 坐标为
x
=
2(x1
R21 − R2Σ + tan θR · y1 − RΣ/cos θR)
(2)
基于爆炸声源的水下目标定位原理与收发分 置 双 基 地 声 呐 相 似 ， 但 存 在 以 下 不 同 ： 1） 常 规 双 基地声呐一般发射单频或调频信号等确知形式信 号，而爆炸声信号则为低频宽带随机噪声信号；2）常 规双基地声呐的发射平台已知，声源位置误差较 小，而远距离投放爆炸声源时，爆炸声源的位置 误 差 较 大 ； 3） 常 规 双 基 地 声 呐 的 收 发 平 台 一 般 可 以时间同步，而利用爆炸声源作为发射声源时， 发射和接收平台在时间上无法同步，只能测量目 标反射信号与直达信号的到达时延。
+
(y1
−
y)2
+
√ x2
+
y2
(1)
B (x, y)
A (x1, y1)
目标回波
爆炸声源 直达波
θR
y
声呐
θ1
x
O (0, 0)
源自文库
图 1 爆炸声源水下探测原理图 Fig. 1 Schematic diagram of underwater detection of explosive
sound source
本文将详细分析推导基于爆炸声源的水下目 标定位原理，并与双基地声呐的目标探测[5-7] 进行 对比，分析爆炸声源在不同投放位置的探测范围 和定位误差分布，并提出多枚爆炸声源的投放策 略，从而实现远程警戒区域的覆盖，为航空反潜 提供初始的搜索区域。
1 目标定位原理
假设以舰载声呐接收端的等效声中心 O 为
HUANG Cong*1, ZHU Weifeng1, LI Di2
1 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China
2 Wuchang Shipbuilding Industry Group Co. Ltd., Wuhan 430064, China
朱伟锋，男，1977 年生，硕士，高级工程师。研究方向：舰载武器系统集成 李迪，女，1991 年生，硕士，工程师。研究方向：水声电子技术。 *通信作者: 黄聪
第6期
黄聪等：基于爆炸声源的远程水下目标定位方法
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远程搜潜或应召反潜的协同作战任务。但受到平 台航程、搜索面积、气象条件等因素的限制，航空 反潜通常在已初步获取潜艇目标信息的前提下才 能发挥最大效能。因此如何提高对潜艇的前期远 程预警能力，为航空应召反潜以及反潜武器系统 提供有效目标信息，是海军亟待解决的技术问题。
2 探测范围分析
2.1 作用距离
声呐方程主要体现的是水下声信号的能量传 播过程，综合考虑水声现象、效应以及目标的声 学特性对声呐系统的影响，从而得到介质、目标 和设备综合作用的关系式 。 [8] 主动声呐具有双程 声传播，其传播的能量形式可大致分为发射声源 级 SL、 发 射 波 传 播 损 失 TL1、 目 标 反 射 强 度 TS、 回 波 传 播 损 失 TL2、 接 收 能 量 检 测 等 5 部 分 。 按 照发射平台和接收平台的位置是否相同，主动声 呐又可以分为收发合置的单基地声呐（例如舰载 声呐主动探测）和收发分置的双基地声呐（例如 基于爆炸声源的主动探测）。
0 引 言
随着安静型潜艇和敷瓦潜艇的不断发展，水
面舰船仅通过舰载声呐难以发现远距离潜艇目 标。为进一步增大反潜的防御纵深，编队主要依 靠固定翼反潜机和反潜直升机等航空兵力，执行
收稿日期: 2019–07–03 修回日期: 2019–10–26 网络首发时间: 2020–11–04 08:58 作者简介: 黄聪，男，1988 年生，博士，工程师。研究方向：水声信号处理。E-mail
SL − TL1 − TL2+TS − NL + DI > DT
(4)
式 中 ： TL1 为 爆 炸 声 信 号 由 声 源 传 播 至 目 标 的 传 播 损 失 ； TL2 为 爆 炸 声 信 号 经 目 标 反 射 传 播 至 接 收端的传播损失。
假设舰载主动声呐对水下目标的最大探测距 离 L=40 km，与基于爆炸声源的水下目标探测进 行对比。为简化分析模型，忽略 2 类声源信号（声 呐主动探测信号和爆炸声信号）的传播损失、阵 列处理增益、目标强度等因素的差异，在系统条 件一致的情况下，根据能量关系，两者的传播损 失应满足式（5）：
基于爆炸声源的远程水下目标 定位方法
黄聪 ，*1 朱伟锋1，李迪2
1 中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064 2 武昌船舶重工集团有限公司，湖北 武汉 430064
摘 要:［目的］随着潜艇隐蔽性和作战能力的不断提高，水面舰艇面临的水下挑战日益严峻。为加强对潜
艇的全面感知和持久监视预警能力，对利用水下爆炸声作为发射声源的远程目标探测方法进行系统研究。
可增大对潜艇的警戒纵深。［结论］可为航空应召反潜提供有效目标信息。
关键词：反潜作战；爆炸声源；水下目标定位；双基地声呐
中图分类号: U666.7
文献标志码: A
DOI：10.19693/j.issn.1673-3185.01667
Remote localization method for underwater target based on explosive sound sources
［方法］基于双基地声呐定位原理，给出水下目标的解算方法；根据声呐方程给出的能量关系，推导系统最
大探测范围的数学模型，利用数值仿真分析目标定位误差的空间分布，以及爆炸声源不同投放距离的目标探
测范围及其定位精度。［结果］结果表明，基于爆炸声源的水下目标探测不能在全平面上扩大探测区域，但
在基线延长线附近的一定开角范围内，可获得较大的探测优势。在此基础上，通过合理配置多枚爆炸声源，
基于舰载声呐的水下目标探测为收发合置的 主动探测，其声呐方程为
178
中国舰船研究
第 15 卷
SL − 2TL+TS − NL + DI > DT
(3)
式中：TL 为单程传播损失；NL 为海洋环境噪声级 或 等 效 混 响 级 ； DI 为 接 收 指 向 性 指 数 ； DT 为 检 测阈。
基于爆炸声源的水下目标探测为收发分置的 主动声呐，其声呐方程为
原点，建立直角坐标系，爆炸声源的投放位置为
A（x1，y1），水下目标的位置为 B（x，y），OA 连线也
称为基线。舰载声呐通过接收爆炸声源的直达
波和目标回波进行方位和时延估计，原理示意图
如图 1 所示，其中 θ1 为爆炸声信号直达波的方位 角，θR 为目标回波的方位角。
若爆炸声源的投放距离已知，爆炸声信号到
达声呐的传播距离为 R1，爆炸声信号经过目标反
射后到达声呐的传播距离为 RΣ，声呐经测量可获
取的主要信息有：爆炸声信号直达波的方位角 θ1， 目标回波的方位角 θR，直达波和目标回波的时延 差 τ。采用射线声学传播模型，忽略声线弯曲和
三者之间的深度影响，则目标定位方程如下：
yRyRx11ΣΣ=====xRRR·√11t1a··(+nscxioθ1cnRs−·θθτ1x1 )2
第 15 卷 第 6 期 2020 年 12 月
中国舰船研究 Chinese Journal of Ship Research
Vol. 15 No. 6 Dec. 2020
引用格式：黄聪, 朱伟锋, 李迪. 基于爆炸声源的远程水下目标定位方法 [J]. 中国舰船研究, 2020, 15(6): 176–181. HUANG C, ZHU W F, LI D. Remote localization method for underwater target based on explosive sound sources[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 15(6): 176–181.
Abstract: ［Objectives］With the continuous improvement of submarines' stealth property and combat capabilities, the underwater challenges faced by surface ships are increasingly becoming serious. To enhance the capabilities of overall scenario awareness, sustained surveillance and early warning of submarines, this paper systematically studies the long-range target detection method using underwater explosive sound sources as the emission source.［Methods］Based on the principle of bistatic sonar localization, the solution equation of underwater targets is given. According to the energy relationship, the mathematical model of the maximum detectable range of the system is deduced. The spatial distribution of the target localization error is analyzed by numerical simulation, the target detection range and localization accuracy of explosive sound sources with different deploying distances are examined.［Results］The results show that the detection of underwater target based on explosive sound sources cannot expand the detection range in the whole plane, but it can obtain greater detection advantages in a certain angle range near the baseline extension line. On this basis, by reasonably allocating multiple explosive sound sources, the warning distance of the submarine can be increased. ［Conclusions］ Effective target information can be provided for aircraft-based on-called antisubmarine operation. Key words: antisubmarine operation；explosive sound source；underwater target localization；bistatic sonar
式中，c 为水下声速。经解算，得到水下目标的横 坐标为
x
=
2(x1
R21 − R2Σ + tan θR · y1 − RΣ/cos θR)
(2)
基于爆炸声源的水下目标定位原理与收发分 置 双 基 地 声 呐 相 似 ， 但 存 在 以 下 不 同 ： 1） 常 规 双 基地声呐一般发射单频或调频信号等确知形式信 号，而爆炸声信号则为低频宽带随机噪声信号；2）常 规双基地声呐的发射平台已知，声源位置误差较 小，而远距离投放爆炸声源时，爆炸声源的位置 误 差 较 大 ； 3） 常 规 双 基 地 声 呐 的 收 发 平 台 一 般 可 以时间同步，而利用爆炸声源作为发射声源时， 发射和接收平台在时间上无法同步，只能测量目 标反射信号与直达信号的到达时延。
+
(y1
−
y)2
+
√ x2
+
y2
(1)
B (x, y)
A (x1, y1)
目标回波
爆炸声源 直达波
θR
y
声呐
θ1
x
O (0, 0)
源自文库
图 1 爆炸声源水下探测原理图 Fig. 1 Schematic diagram of underwater detection of explosive
sound source
本文将详细分析推导基于爆炸声源的水下目 标定位原理，并与双基地声呐的目标探测[5-7] 进行 对比，分析爆炸声源在不同投放位置的探测范围 和定位误差分布，并提出多枚爆炸声源的投放策 略，从而实现远程警戒区域的覆盖，为航空反潜 提供初始的搜索区域。
1 目标定位原理
假设以舰载声呐接收端的等效声中心 O 为
HUANG Cong*1, ZHU Weifeng1, LI Di2
1 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China
2 Wuchang Shipbuilding Industry Group Co. Ltd., Wuhan 430064, China