鄧新文, 葉浩亮

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UUV聲納淺海聲信道頻率特性分析

鄧新文, 葉浩亮

(中國人民解放軍91388部隊, 廣東湛江, 524022)

多途效應和混響是淺海聲信道最為突出的2個特點, 它們會造成水下聲信號傳播畸變, 嚴重影響信號分析和檢測?；诖? 利用非消聲水池試驗展現(xiàn)了水下信道多途效應會造成信號頻譜展寬, 引起水下聲納信號檢測性能下降的特點, 通過理論分析并依據湖海試數(shù)據表明, 運動聲納的近場混響具有強非平穩(wěn)性, 點譜展寬會更加明顯, 但隨著時間推移, 混響的多普勒展寬將會變小, 所以不能利用基于平穩(wěn)性假設的混響模型算法來抑制混響。本文的研究可為聲納抗多途、抗混響以及聲納在水下航行器上的應用提供參考。

水下航行器; 水聲信道; 多途; 混響; 多普勒展寬

0 引言

對水下環(huán)境的研究, 在水下資源探測、漁業(yè)、海洋環(huán)境檢測、軍事對抗及無人水下航行器(unmanned underwater vehicle, UUV)使用環(huán)境等方面都有極為重要的意義和應用價值。由于海洋特殊的自然環(huán)境條件, 水聲信道具有極為復雜的時-空-頻變、強多途、強噪聲、強混響等特性, 淺海尤其如此。我國淺海遼闊, 資源豐富而有著極其重要的國防和經濟意義, 淺海水聲信道一直是水聲研究的重點, 其中多途效應和混響干擾是淺海聲信道最為突出的2個特點。

由于海底和海面的粗糙性, 使得發(fā)射聲信號經過海底海面多次反射后經過多種路徑匯聚于接收點, 這種現(xiàn)象稱為聲信道的多途效應。信道的多途效應必然引起信號的多徑衰落, 文獻[1]分別用射線理論和簡正波理論分析了淺海中的多途效應。

混響是存在于海洋中的大量無規(guī)則散射體, 對入射聲信號產生的散射波信號在接收點疊加而形成的?；祉懓雌鋪碓纯梢詣澐譃轶w積混響、海底混響和海面混響3類, 其中海面混響和海底混響統(tǒng)稱為界面混響, 是淺?；祉懙闹饕煞帧；祉懯撬潞叫衅髦鲃犹綔y設備的主要干擾之一, 嚴重限制了聲納的作用距離和參數(shù)估計性能。為了提高信號處理增益, 提高主動探測設備的性能, 對水下航行器環(huán)境下聲納工作時產生的混響進行定性和定量評估是一件十分必要的工作。一直以來, 混響特性和抗混響技術等方面都是水聲信號處理的重點, 國內外許多學者對此進行了大量研究。Urick詳細論述了海洋混響的基本理論以及海底、海面和體積散射特性。奧里雪夫斯基從概率分布、自相關函數(shù)和時空相關函數(shù)等統(tǒng)計特性對混響進行了分析和研究。中科院聲學所提出了能較好地解釋及預報混響強度隨時間振蕩現(xiàn)象的射線簡正波相干混響理論。哈爾濱工程大學和715所在混響模型仿真和抗混響技術等方面也做了大量研究工作。

本文從多途效應和混響干擾2個方面分析了淺海聲信道的頻率特性, 指出了多途效應會造成信號頻譜展寬, 引起水下聲納信號檢測性能下降, 同時分析說明了運動平臺混響頻譜隨著時間逐漸變窄的現(xiàn)象, 為聲納抗多途、抗混響和數(shù)據處理技術的研究以及聲納在水下航行器上的應用提供了重要參考。

1 多途頻域展寬

1.1 水池試驗

為了研究水下多途的頻率特性, 在1個水溫恒定的非消聲水池中模擬簡單雙基地聲納收發(fā)系統(tǒng)。

假設水下航行器攜帶了主動發(fā)射換能器, 與接收換能器分別在水池兩端, 均位于水深3 m處, 聲線軌跡見圖1。以某一個發(fā)射角度為例, 信號從發(fā)射換能器發(fā)出后, 經過直接路徑、發(fā)射換能器→水面→接收換能器、發(fā)射換能器→水底→接收換能器、發(fā)射換能器→水面→水底→接收換能器、發(fā)射換能器→水底→水面→接收換能器等路徑, 多徑效應非常明顯。圖1中右邊框上圓圈范圍內的聲線為本系統(tǒng)主要接收到的多途數(shù)據。

試驗中, 發(fā)射換能器發(fā)射25kHz的連續(xù)波(continue wave, CW)信號, 接收換能器接收一段數(shù)據并截取其中任意3個路徑的接收數(shù)據。

1.2 水池試驗結果及分析

將各段數(shù)據作FFT觀察其頻譜特性如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)接收數(shù)據的不同段對應頻率不同, 即使是直達波數(shù)據片段1同樣有了頻移。這是由于發(fā)生前向散射的不同介質有著不同的頻移, 而且各個路徑的相移不同, 最終導致水聲信道的頻率擴展。

2 混響頻域展寬

從上節(jié)中對水池數(shù)據的分析可以知道, 由于池底、池壁及水面是粗糙的, 接觸面的垂直移動對入射波的振幅進行了調制, 并將自己的譜作為上邊帶和下邊帶疊加到入射聲波的頻譜上, 從而導致混響出現(xiàn)頻域展寬。而如果聲源是運動的, 則由于多普勒現(xiàn)象導致的頻域展寬將更加明顯, 說明水下航行器在淺海環(huán)境航行過程中, 其聲納發(fā)射的聲波頻域將被展寬, 對接收信號檢測帶來不利影響。

2.1 靜止聲納混響

要促進贛南客家燈彩文化的發(fā)展，首先要具有完善的管理部門，并且對市場進行正確分析，使燈彩文化既保留傳統(tǒng)的文化氣息，又與現(xiàn)代文化相結合。

圖3為某次湖上試驗中靜止聲納的時頻譜(前7個窗混響很強, 為了更好地觀察混響頻譜展寬的變化, 將這部分的幅度縮小5倍)。

2.2 水下航行器航行過程中聲納混響

考慮如圖4的一般情況, 聲納基陣是1個平面陣, 其軸向與基陣運動方向夾角為。

圖4 散射元與聲納坐標軸

假設距離基陣為處的散射元為, 與基陣的垂直距離為, 方位角為, 俯仰角為, 波束指向錐角為, 且。和足夠大, 可以忽略基陣尺寸。是基陣運動方向與散射元之間的夾角, 決定了該散射元的頻移大小。

由圖中幾何關系可得

(2)

所以式(1)等效于

某一時間點的混響是該時刻返回基陣的所有散射單元散射成分的疊加,取值在0~之間, 而應為基陣到海底深度和到海面深度的最大值。當, 即正側面陣的時候, 混響譜頻移為, 擴展寬度為0, 其他情況必然都存在擴展寬度。

2.3 仿真結果及分析

假設海底均勻平坦, 等聲速剖面, 水下航行器聲納位于水下40 m處, 海深100 m, 發(fā)射信號頻率25 kHz, 運動速度為20 m/s,, 考察不同錐角下隨著距離變化多普勒頻移發(fā)生的變化, 如圖5和圖6所示。其中, 圖5中3條曲線的前端無值是因為尚未有聲線碰到海底。

由于界面混響是淺海混響的主要成分, 對于海面和海底混響, 時間越大,越大,越大, 則展寬越小。所以隨著時間推移, 單基地聲納接收到的混響成分來自于距聲納距離更遠處, 主要成分——界面混響的最小頻移散射單元變小,增大, 最小頻移隨之增大, 多普勒頻移展寬變窄。并且由圖5和圖6的曲線可知, 近距離處的混響頻率變化很快, 非平穩(wěn)性很強。

2.4 湖海試結果及分析

圖7和圖8分別是湖海試數(shù)據2段脈沖, 水下航行器聲納是一個收發(fā)合一的聲納, 聲納在發(fā)射一段脈沖之后接收數(shù)據。

可以發(fā)現(xiàn)在聲納工作頻帶內, 沒有收到混響頻帶以外的具有明顯頻率-時間特征的環(huán)境噪聲, 并且混響譜的寬度隨著時間推移而變窄, 符合前文的分析。這是水下航行器航行過程中聲納固有的現(xiàn)象, 該現(xiàn)象對空時處理的性能影響很大。事實上, 大多數(shù)利用混響模型抑制混響的算法都是基于平穩(wěn)性假設, 而對于水下航行器運動載荷聲納的混響則不滿足該假設。因此, 所有利用前段混響數(shù)據訓練建模對后段數(shù)據仿真的算法都將失效。比如基于徑向基函數(shù)神經網絡的前后向預測模型, 以及分段AR預白化模型等。

3 結束語

多途效應和混響干擾是淺海聲信道的2個重要特性。本文通過水池試驗研究了水聲信道多途頻率展寬的特點, 通過湖海試數(shù)據處理結果, 得出運動聲納的近場混響具有強非平穩(wěn)性, 隨著時間推移, 混響的多普勒展寬變小, 并對此做了較深入的理論分析和解釋。研究表明, 水下航行器運動載荷聲納的混響不滿足平穩(wěn)性假設, 所以不能利用基于平穩(wěn)性假設的混響模型算法來抑制混響。

本研究對于水下航行器聲納的探測功能具有重要意義, 為聲納抗多途、抗混響技術研究和聲納在水下航行器上的應用和數(shù)據處理技術提供了重要參考。

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Jiang Ke-yu, Cai Zhi-ming, Lu Zhen-bo. Forward and Backward Prediction Model Based Signal Detection in Sea Bottom Reverberation[J]. Acta Electronica Sinica, 2007, 35(9): 1766-1769.

(責任編輯: 楊力軍)

Frequency Characteristics Analysis of Shallow Water Acoustic Channel for UUV Sonar

DENG Xin-wen, YE Hao-liang

(91388Unit, The People′s Liberation Army of China, Zhanjiang 524022, China)

To improve the detection performance of underwater unmanned vehicle (UUV) sonar, the frequency characteristics of shallow water acoustic channel is analyzed. Shallow water acoustic channel is more complex than blue water acoustic channel. Due to multipath effect and reverberation, the propagation of acoustic wave is often deformed, resulting in degradation in signal detection performance of sonar. The frequency characteristics of underwater acoustic channel are analyzed with the data from tank experiment, lake and sea trials. Tank experiment shows the spread of signal frequency spectrum due to multipath effect. The data from lake and sea trials show that for the high-speed active sonar, the short-range reverberation is highly non-stationary, and the spread of point spectrum becomes more obvious. But the Doppler spread decreases with time. Therefore, the reverberation model algorithm based on stationarity assumption cannot be used to suppress the underwater vehicle sonar reverberation.

underwater unmanned vehicle(UUV); acoustic channel; multipath; reverberation; Doppler spread

TJ630.34; TN911.7

A

1673-1948(2013)03-0184-05

2012-11-2;

2012-12-17.

鄧新文(1969- ), 男, 高級工程師, 研究方向為水聲測試技術.