董仲臣, 李亞安, 金彥豐

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魚雷淺海海底混響建模與仿真

董仲臣1, 2, 李亞安1, 金彥豐2

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072; 2. 中國(guó)人民解放軍91388部隊(duì), 廣東 湛江, 524022)

為了實(shí)現(xiàn)魚雷淺海海底混響仿真, 并體現(xiàn)魚雷運(yùn)動(dòng)對(duì)混響信號(hào)的影響, 提出了一種直觀、易于實(shí)現(xiàn)的海底混響仿真方法。該方法把產(chǎn)生混響的海底劃分成若干散射單元, 并把散射單元等價(jià)為系統(tǒng), 采用連續(xù)波(CW)信號(hào)和線性調(diào)頻(LFM)信號(hào)作為魚雷的主動(dòng)聲信號(hào)。采用該方法進(jìn)行海底混響仿真, 可以根據(jù)需要把散射單元?jiǎng)澐值阶銐蛐? 因此魚雷相對(duì)每個(gè)散射單元的多普勒頻移相同, 從而比較準(zhǔn)確的體現(xiàn)了魚雷運(yùn)動(dòng)對(duì)混響信號(hào)的影響; 同時(shí), 把散射單元等價(jià)為系統(tǒng), 可以利用卷積進(jìn)行混響信號(hào)的計(jì)算。仿真結(jié)果表明, 該方法物理意義清晰, 仿真簡(jiǎn)單易行, 仿真混響信號(hào)的頻譜特性與混響的基本理論相符, 充分驗(yàn)證了該方法的有效性。

魚雷; 淺海海底混響; 散射單元; 多普勒頻移

0 引言

混響是一種特殊形式的干擾, 它伴隨著聲納發(fā)射信號(hào)而產(chǎn)生, 是由海洋中大量無規(guī)則散射體對(duì)入射聲信號(hào)產(chǎn)生的散射波在接收點(diǎn)疊加而形成的。根據(jù)散射特性的不同, 混響大體上可以分為海底混響、海面混響和體積混響。散射體存在于海水本身或體積中, 如海水中的流砂粒子、海洋生物、海洋本身的不均勻性、大的魚群等引起的混響稱為體積混響。海面的不平整性和波浪形成的氣泡層對(duì)聲波的散射所形成的混響稱為海面混響, 海底及其附近的散射體形成的混響稱為海底混響, 后2種統(tǒng)稱為界面混響[1-2]。

實(shí)測(cè)結(jié)果表明, 海底散射強(qiáng)度遠(yuǎn)大于體積散射強(qiáng)度, 也大于海面散射強(qiáng)度[2]。所以, 海底混響是主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷工作的主要背景干擾之一,海底混響的建模和仿真對(duì)研究魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)的抗干擾能力具有重要意義。

傳統(tǒng)的海洋混響仿真方法為點(diǎn)散射模型法和單元散射模型法[3-4]。點(diǎn)散射模型法把混響信號(hào)作為點(diǎn)散射體回波的疊加, 具有清晰的物理意義, 仿真計(jì)算比較準(zhǔn)確, 但當(dāng)散射體數(shù)量增多時(shí), 計(jì)算量非常大。單元散射模型方法則認(rèn)為混響信號(hào)由散射單元回波疊加而成, 散射單元內(nèi)包含的大量散射體, 使得散射單元回波信號(hào)滿足復(fù)高斯分布, 與點(diǎn)散射模型方法相比, 計(jì)算量大大減小, 因此, 該方法被廣泛采用[4]。

然而, 對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的魚雷來講, 魚雷發(fā)射信號(hào)遇到散射體后發(fā)生散射, 接收到的混響信號(hào)產(chǎn)生了多普勒頻移, 且各個(gè)散射點(diǎn)的多普勒頻移因與魚雷方位角的不同而發(fā)生變化, 所以, 傳統(tǒng)的單元散射模型不能對(duì)魚雷主動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的海底混響進(jìn)行精細(xì)仿真?；诖? 本文提出了一種能夠計(jì)算多普勒頻移的海底混響仿真方法, 該方法把產(chǎn)生混響的海底劃分成若干散射單元, 每個(gè)散射單元都能散射出具有一定譜分布的散射波, 如果把每個(gè)散射單元等價(jià)于一個(gè)系統(tǒng), 則混響信號(hào)等于發(fā)射信號(hào)通過各個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的響應(yīng)的總和。

1 魚雷海底混響模型的建立和分析

1.1 海底散射單元的劃分

混響的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的過程, 受到許多因素的影響, 對(duì)其進(jìn)行理論研究時(shí), 需要忽略某些次要因素, 以突出主要因素, 從而使問題簡(jiǎn)化又不失一般性。為此, 作如下假設(shè)[2]。

1) 聲波直線傳播, 除球面波衰減外, 其他衰減忽略不計(jì);

2) 任一時(shí)刻位于某一面積上的散射體分布是隨機(jī)均勻的, 且每個(gè)散射體都有相同的貢獻(xiàn);

3) 散射體的數(shù)量足夠多, 以至于在任一面元上都有大量的散射體;

4) 不考慮多次散射;

5) 脈沖時(shí)間足夠短, 故可忽略面元尺度范圍內(nèi)的傳播效應(yīng)。

以上假設(shè)忽略了一些次要因素, 但所得結(jié)果仍具有普遍性。根據(jù)假設(shè), 現(xiàn)建立混響仿真模型, 散射單元的劃分如圖1所示。

圖1 散射單元?jiǎng)澐质疽鈭D

散射單元的面積

1.2 仿真混響模型的建立

把每個(gè)單元均等價(jià)于一個(gè)系統(tǒng), 則建立混響的仿真模型如圖2所示。

圖2 海底混響仿真模型

圖2中第個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)為

對(duì)式(2)進(jìn)行整理得

1.3 仿真混響信號(hào)的生成

考慮魚雷運(yùn)動(dòng)帶來的多普勒頻移時(shí), 假定散射單元足夠小, 所以對(duì)于每個(gè)散射單元, 散射波的多普勒頻移相同, 則多普勒頻移

2 混響信號(hào)的仿真

2.1 仿真1

圖3和圖4表示的是CW信號(hào)(上圖)和LFM信號(hào)(下圖)的時(shí)域波形和頻譜。仿真產(chǎn)生的混響信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜如圖5和圖6所示, 混響信號(hào)瞬時(shí)值的概率分布見圖7, 混響信號(hào)包絡(luò)的概率分布見圖8, 混響信號(hào)的時(shí)間自相關(guān)見圖9。

圖3 發(fā)射信號(hào)

圖4 發(fā)射信號(hào)的頻譜

圖5 混響信號(hào)

圖6 混響信號(hào)的頻譜

圖7 混響信號(hào)瞬時(shí)值的概率分布

圖8 混響信號(hào)包絡(luò)的概率分布

圖9 混響信號(hào)的時(shí)間自相關(guān)

Fig 9 Time autocorrelation of reverberation signals

2.2 仿真2

為了研究魚雷速度對(duì)仿真混響信號(hào)的影響, 對(duì)速度為10 m/s, 20 m/s, 30 m/s的魚雷發(fā)出的CW信號(hào)和LMF信號(hào)產(chǎn)生的混響進(jìn)行仿真, 其他仿真條件與仿真1相同。

魚雷速度分為10 m/s(上圖), 20 m/s(中圖), 30m/s(下圖)時(shí), CW信號(hào)和LFM信號(hào)的時(shí)域波形如圖10和圖11所示, 其頻譜如圖12和圖13所示。

圖10 不同速度下連續(xù)波(CW)信號(hào)的混響

圖11 不同速度下線性調(diào)頻(LFM)信號(hào)的混響

圖12 不同速度下CW信號(hào)的混響頻譜

圖13 不同速度下的LFM信號(hào)的混響頻譜

3 仿真混響信號(hào)的特性檢驗(yàn)

由圖4和圖6可以看出, 仿真混響信號(hào)的頻譜與發(fā)射信號(hào)頻譜具有一致性[2,6-10], 且混響信號(hào)體現(xiàn)了魚雷運(yùn)動(dòng)帶來的多普勒頻移。

由圖7可以看出, 仿真混響信號(hào)瞬時(shí)值服從正態(tài)分布[2,6-10]。在圖8中, 仿真混響信號(hào)的包絡(luò)服從瑞利分布[2, 6-10]。

圖9說明了仿真混響信號(hào)的時(shí)間相關(guān)性, 其時(shí)間相關(guān)半徑與信號(hào)的帶寬成反比[6]。

由圖12中CW信號(hào)的混響頻譜可以清楚地看出, 魚雷運(yùn)動(dòng)引起了混響信號(hào)的頻譜展寬[2], 魚雷速度越高, 頻譜展寬越大。而圖13中的頻譜展寬不明顯, 這是由于LMF信號(hào)具有一定的帶寬, 魚雷運(yùn)動(dòng)引起的頻譜展寬相對(duì)信號(hào)帶寬來說很小, 所以在圖中不容易明顯地看出。

4 結(jié)束語

在本文提出的魚雷海底混響仿真方法中, 把產(chǎn)生混響的海底合理劃分成各個(gè)混響單元, 每個(gè)混響單元等價(jià)為一個(gè)系統(tǒng), 各個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)的累加即為混響信號(hào), 從而把魚雷運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移在混響信號(hào)中很好地體現(xiàn)出來。仿真結(jié)果表明, 仿真混響信號(hào)的頻譜特性、瞬時(shí)值和包絡(luò)的概率密度分布、時(shí)間相關(guān)、頻譜展寬均與混響基本理論保持一致, 充分驗(yàn)證了該混響仿真方法的可行性和有效性。

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Shallow Seafloor Reverberation Modeling and Simulation of Torpedo

DONG Zhong-chen1, 2, LI Ya-an1, JIN Yan-feng2

(1. College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China; 2. 91388thUnit, The People′s Liberation Army of China, Zhanjiang 524022, China)

To simulate the torpedo reverberation on shallow seafloor and reveal the effect of torpedo motion on the reverberation signal, a seafloor reverberation simulation method is presented. In this method, the seafloor generating reverberation is divided into several scattering units, and each scattering unit is equivalent to a system. Continuous wave(CW) signal and linear frequency modulation(LFM) signal are taken as torpedo active acoustic signal. In seafloor reverberation simulation, the scattering units can be small enough to keep the Doppler frequency shift produced by torpedo motion in each scattering unit is the same, thus the effect of torpedo motion on reverberation signal is revealed. Because each scattering unit is equivalent to a system, convolution can be used to compute reverberation signal. Simulation results show that the present method is of clear physical meaning and simple calculation. Moreover, the spectrum characteristic of the simulated reverberation signal is consistent with the basic theory of reverberation, verifying the validity of the method.

torpedo; shallow seafloor reverberation; scattering unit; Doppler frequency shift

TJ630.1

A

1673-1948(2013)02-0100-05

2012-07-18;

2012-08-21.

國(guó)家自然科學(xué)基金(51179157)；國(guó)家自然科學(xué)基金(51179158).

董仲臣(1979- ), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)樗曅盘?hào)處理和潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)效能分析.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)