朱利超 魏鵬舉 高 杰 唐雙喜 劉國平

（海軍裝備采購中心1） 北京 100085）（68341部隊(duì)2） 西安 710089）（海軍92840部隊(duì)3） 青島 266405）

1 引言

水下尺度目標(biāo)回聲特性是水聲學(xué)中的一個(gè)重要研究方向，是目標(biāo)探測、識別和定位的重要依據(jù)。對尺度目標(biāo)回波信號進(jìn)行仿真模擬，在一定程度上可以避免進(jìn)行昂貴、復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)以取得實(shí)驗(yàn)回波數(shù)據(jù)。對主動(dòng)對抗器材來說，模擬出逼真的目標(biāo)回波信號可以用來干擾自導(dǎo)系統(tǒng)對目標(biāo)的跟蹤從而達(dá)到水聲對抗的目的。此外，對目標(biāo)的回波信號進(jìn)行仿真模擬還可用于分析目標(biāo)的聲學(xué)特性。理論分析和實(shí)驗(yàn)研究都證明，在高頻情況下，尺度目標(biāo)回波可近似看成是目標(biāo)亮點(diǎn)回波相干疊加的結(jié)果[1]。近年來，目標(biāo)的亮點(diǎn)模型及其分布特征的提取受到了廣泛的關(guān)注[2～5]。本文首先介紹了目標(biāo)回波的亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)和亮點(diǎn)模型，并給出了亮點(diǎn)參數(shù)的計(jì)算方法，針對兩種簡單形狀目標(biāo)進(jìn)行了亮點(diǎn)回波仿真同時(shí)對目標(biāo)的回波亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。

2 尺度目標(biāo)近場回波亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)

在高頻情況下，任何一個(gè)復(fù)雜目標(biāo)都可以等效成若干個(gè)散射亮點(diǎn)的組合。每個(gè)散射亮點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)亮點(diǎn)回波，總的回波是這些亮點(diǎn)回波相干迭加的結(jié)果。亮點(diǎn)及其強(qiáng)度分布主要由目標(biāo)外形和表面曲率決定。

根據(jù)形成機(jī)理可以把亮點(diǎn)分成幾何類亮點(diǎn)和彈性類亮點(diǎn)兩類[1]。幾何類亮點(diǎn)主要是由目標(biāo)的幾何形狀和材料的聲學(xué)特性決定。最重要的是凸光滑表面上的鏡反射亮點(diǎn)。此外還有棱角或邊緣產(chǎn)生的反射亮點(diǎn)，主要是由表面法線方向不連續(xù)引起的。彈性類亮點(diǎn)主要是在特定條件下出現(xiàn)的表面繞行波或彈性散射波對應(yīng)的亮點(diǎn)。

3 目標(biāo)亮點(diǎn)模型及計(jì)算

在高頻情況下，任何一個(gè)復(fù)雜目標(biāo)都可以等效成若干個(gè)散射亮點(diǎn)的組合。按照線性迭加原理，總的傳遞函數(shù)可以表示成[1]

其中N是子目標(biāo)所劃分的網(wǎng)格數(shù)；cos（R，n）是入射聲線與板塊法線夾角的余弦值。將Gordon積分算法引入到板塊元方法中，可對上述積分做進(jìn)一步的簡化。對于目標(biāo)的亮點(diǎn)位置可通過計(jì)算子目標(biāo)表面被照射區(qū)域的板塊的中心位置并結(jié)合板塊的反射系數(shù)進(jìn)行求?。?/p>

若假設(shè)各亮點(diǎn)位置與聲納系統(tǒng)中心之間的距離為｛ri｝，以其中的最小值rmin為基準(zhǔn)，則相對時(shí)延為：

4 數(shù)值計(jì)算與分析

4.1 圓柱體目標(biāo)回波仿真

圖1 聲納系統(tǒng)與圓柱體目標(biāo)之間的相對位置

以一段圓柱體目標(biāo)為研究對象，圓柱體長度為60m，半徑為5m，建立如圖所示直角坐標(biāo)系。計(jì)算中采用收發(fā)合置聲納系統(tǒng)，且目標(biāo)表面為剛性邊界條件，將目標(biāo)均分為3個(gè)子目標(biāo)。發(fā)射信號為LFM信號，中心頻率為25kHz，帶寬1kHz，脈寬為5ms，聲納系統(tǒng)與目標(biāo)之間的距離為100m，照射角為30°，采用高斯白噪聲模擬背景噪聲，信噪比SNR＝5dB。圖2（a）為不添加噪聲時(shí)的仿真回波，從仿真圖中可明顯看出目標(biāo)回波的3個(gè)亮點(diǎn)。圖2（b）為添加噪聲之后的仿真回波，從圖中仍可明顯看出目標(biāo)回波的兩個(gè)亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)，由于存在棱角因此亮點(diǎn)強(qiáng)度較強(qiáng)，另一個(gè)亮點(diǎn)回波由于強(qiáng)度較弱，被背景噪聲所湮沒。

圖2 圓柱體目標(biāo)回波仿真

4.2 組合體目標(biāo)回波仿真

圖3 聲納系統(tǒng)與潛艇目標(biāo)之間的相對位置

以下選取一簡化的潛艇目標(biāo)為研究對象，將潛艇目標(biāo)模擬化為一橢圓柱體和一橢球體的組合。橢圓柱體的長半軸為40m，短半軸為5m，艦橋中心距艇艏30m處，長半軸為5m，短半軸為3m，建立如圖所示直角坐標(biāo)系。發(fā)射信號為LFM信號，中心頻率為20kHz，帶寬1kHz，脈寬為10ms，聲納系統(tǒng)與目標(biāo)之間的距離為200m，采用高斯白噪聲模擬背景噪聲，信噪比SNR＝10dB。圖4（a）和圖4（b）分別為照射角為90°和180°時(shí)仿真目標(biāo)回波。從仿真結(jié)果可以看出在正橫情況下由于艦橋亮點(diǎn)與艇體亮點(diǎn)距聲納系統(tǒng)距離較為接近，亮點(diǎn)子回波幾乎同時(shí)到達(dá)，但回波幅度大于其它照射角的情況；在艇艏艉情況下，情形正好相反，但亮點(diǎn)子回波分布較為明顯。

圖4 潛艇目標(biāo)仿真回波

5 結(jié)語

本文研究了尺度目標(biāo)近程回波的多亮點(diǎn)模型，采用板塊元算法計(jì)算亮點(diǎn)的目標(biāo)強(qiáng)度，同時(shí)結(jié)合面元的反射強(qiáng)度值和照射區(qū)域計(jì)算亮點(diǎn)位置，最后以一段圓柱體目標(biāo)和一個(gè)簡單形狀的組合體目標(biāo)為研究對象，進(jìn)行了回波仿真。仿真結(jié)果較好地體現(xiàn)了目標(biāo)的回波結(jié)果。此外，要模擬更加精確的目標(biāo)回波，還必須考慮反射體表面敷設(shè)吸聲材料、噪聲，混響等因素的影響，這些問題將在下一步的工作中進(jìn)行研究。

[1]湯渭霖.聲納目標(biāo)回波的亮點(diǎn)模型[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)，1994，19（2）：92～100

[2]劉文遠(yuǎn)，張景元，呂陽，等.基于進(jìn)亮點(diǎn)模型的尺度目標(biāo)建模技術(shù)[J].魚雷技術(shù)，2008，19（2）：20～24

[3]王明洲，黃曉文，郝重陽.基于聲學(xué)亮點(diǎn)特征的水下目標(biāo)回波模型[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2003，15（1）：21～25

[4]何心怡，蔣興舟，林建域.基于亮點(diǎn)模型的潛艇回波仿真[J].魚雷技術(shù)，2001，9（3）：15～18

[5]徐小虎，陳航，陳忠強(qiáng).潛艇回波亮點(diǎn)模型的數(shù)字仿真[J].微處理機(jī)，2007（1）：72～74

[6]高天德，李志舜.水下目標(biāo)亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2000，12（2）：130～133

[7]王明洲，黃曉文，郝重陽.基于聲學(xué)亮點(diǎn)特征的水下目標(biāo)回波模型[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2003，15（1）：21～25

[8]范軍，湯渭霖.聲納目標(biāo)強(qiáng)度計(jì)算的板塊元方法[J].聲學(xué)技術(shù)，1999（增刊）：31～32

[9]劉成元，張明敏，程廣利.一種改進(jìn)的板塊元目標(biāo)回聲計(jì)算方法[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，20（1）：25～31

[10]劉伯勝，雷家煜.水聲學(xué)原理[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2002