（上海船舶電子設(shè)備研究所 上海 201108）

1 引言

主動聲納是探潛反潛的主要裝備［1］，可以對安靜型潛艇進(jìn)行探測。目標(biāo)回波信號作為主動聲納信號處理的基礎(chǔ)，而根據(jù)試驗所得到的接收信號中含有混響和環(huán)境噪聲，目標(biāo)回波信噪比低，無法提取目標(biāo)回波信號。因此，在需要對主動聲納進(jìn)行技術(shù)論證或?qū)Ψ抡嫦到y(tǒng)進(jìn)行性能評估時，聲納接收信號仿真模型的構(gòu)建顯得更為重要。

主動聲納接收信號可看作海洋混響、海洋環(huán)境噪聲和目標(biāo)回波信號的疊加。通過分析海洋混響的統(tǒng)計模型、目標(biāo)回波模型、以及海洋環(huán)境噪聲的模擬，可以實(shí)現(xiàn)主動聲納接收信號的建模及仿真?，F(xiàn)有的主動聲納信號建模方法多數(shù)也是基于此實(shí)現(xiàn)的［2～4］。目標(biāo)回波模型的構(gòu)建是主動聲納接收信號建模的關(guān)鍵，本文在亮點(diǎn)回波模型及其相關(guān)理論的基礎(chǔ)上［5～6］，考慮亮點(diǎn)之間的幾何遮擋問題，提出一種更為細(xì)化的亮點(diǎn)遮擋面積計算方法，以精確模擬在不同態(tài)勢下亮點(diǎn)回波的時延變化和強(qiáng)度起伏為目標(biāo)，建立相應(yīng)的目標(biāo)亮點(diǎn)回波模型，并通過仿真分析進(jìn)行驗證。

2 主動聲納接收信號建模

2.1 海洋混響模擬

混響是主動聲納工作時特有的一種背景噪聲，它是主動聲納發(fā)射的脈沖信號在照射到海洋中隨機(jī)分布的散射體以及起伏的界面后產(chǎn)生的隨機(jī)信號?；祉懮闪鞒虉D如圖1所示。

圖1 混響生成流程圖

混響雖然也是一種非線性非平穩(wěn)的隨機(jī)信號，不過其性質(zhì)和海洋噪聲卻完全不同?；祉懽钅軈^(qū)別于噪聲海洋環(huán)境的特征就是混響與發(fā)射信號波形有一定的相關(guān)性，且混響強(qiáng)度和發(fā)射信號的能量呈正相關(guān)的關(guān)系。

遠(yuǎn)距離探測聲納一般發(fā)射長脈沖信號，在發(fā)射脈寬增大時，可以將發(fā)射信號的混響看作多個連續(xù)發(fā)射的短脈沖所產(chǎn)生的混響遷都的累加?；祉憦?qiáng)度可以表示為

其中R0是和t，τ無關(guān)的系數(shù)；β是指數(shù)衰減系數(shù)，一般是由于海水吸收和邊界損失有關(guān)。m的大小與混響的機(jī)理、傳播條件等因素有關(guān)［7］。

本文旨在建立能夠反映混響規(guī)律及特征的混響模型，根據(jù)混響的統(tǒng)計模型與混響強(qiáng)度公式可以得到模擬混響。假設(shè)發(fā)射信號是中心頻率為2000Hz，帶寬為30Hz的LFM信號，脈沖寬度為1s，仿真得到的混響波形圖及時頻分析如圖2和圖3

圖2 窄帶LFM混響波形

圖3 混響時間-頻率歷程圖

2.2 海洋環(huán)境噪聲

構(gòu)成海洋環(huán)境噪聲的主要噪聲源有潮汐、海底湍流、地震擾動、航船噪聲及風(fēng)成噪聲等，多種噪聲源合成的環(huán)境噪聲存在于海洋中的任意時刻和所有地點(diǎn)。實(shí)際的海洋噪聲具有時變性和無期望性，因而不可能用一個確定的數(shù)學(xué)模型來描述。在實(shí)際仿真中，根據(jù)海洋環(huán)境噪聲譜級與高斯白噪聲的頻域信息，即可模擬所需要的環(huán)境噪聲。海洋環(huán)境噪聲譜級參照淺海噪聲譜級經(jīng)驗公式進(jìn)行計算［8］。海洋環(huán)境噪聲的仿真結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 環(huán)境噪聲序列仿真結(jié)構(gòu)

仿真環(huán)境噪聲頻段設(shè)為0～30KHz，海況為三級，得到輸出的仿真噪聲序列如圖5所示。

圖5 海洋環(huán)境噪聲波形

2.3 水下目標(biāo)回波

亮點(diǎn)回波模型把水下目標(biāo)看作一個響應(yīng)系統(tǒng)，回波信號就是系統(tǒng)在照射信號激勵下的響應(yīng)。目標(biāo)等效為多個亮點(diǎn)，目標(biāo)回波則可看作多個亮點(diǎn)回波的總和。根據(jù)亮點(diǎn)模型理論，單個亮點(diǎn)傳輸函數(shù)是：

r是聲納到目標(biāo)的距離，θ、φ分別是信號的水平入射角和垂直俯仰角，本文中假設(shè)聲納與目標(biāo)同一深度，即取垂直俯仰角為0。Ai是亮點(diǎn)回波的幅度，w(v)是目標(biāo)運(yùn)動產(chǎn)生的多普勒頻移，τi是亮點(diǎn)間由聲程差引起的相對時延，φ則是回波信號的相位改變。因此對應(yīng)多個亮點(diǎn)，其傳輸函數(shù)為

根據(jù)亮點(diǎn)回波模型和理論，選取簡單潛艇模型作為目標(biāo)，將圖6所示水下目標(biāo)的艇首、前艇體、艦橋、后艇體和艇艉等效為在同一條軸心線上的5個剛性球體來模擬目標(biāo)亮點(diǎn)。

圖6 水下目標(biāo)的亮點(diǎn)模型

由于目標(biāo)不同位置處的目標(biāo)強(qiáng)度明顯不同，為更好地模擬目標(biāo)強(qiáng)度的差異性，可以將目標(biāo)亮點(diǎn)細(xì)化為不同半徑的剛性球體。根據(jù)文獻(xiàn)［10］中給出的球體目標(biāo)強(qiáng)度公式：

式中a為球體半徑。同時又因為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同亮點(diǎn)處的反射能力也不同，暫時不考慮聲波在水中傳播時的損失，定義反射系數(shù)ci為反射聲強(qiáng)比上入射聲強(qiáng)。以艦橋中心為參考點(diǎn)，參照文獻(xiàn)［6，9］中建立的亮點(diǎn)模型，設(shè)置各亮點(diǎn)的相對位置、球體半徑和反射系數(shù)如表1。

表1 各亮點(diǎn)參數(shù)

當(dāng)入射聲波以不同角度照射目標(biāo)時，得到的有效散射面積也不同，映射到已建立的亮點(diǎn)模型，可以通過不同入射角度下剛性球體之間被遮擋的投影面積的變化來近似模擬各個亮點(diǎn)目標(biāo)強(qiáng)度的改變。在仿真中，按照入射聲波到達(dá)的時間先后對所有亮點(diǎn)進(jìn)行排序，定義相應(yīng)的遮擋系數(shù)Hij(θ)來表征前一個目標(biāo)亮點(diǎn)剛性球體j對后一個目標(biāo)亮點(diǎn)i的遮擋效果。亮點(diǎn)球體的目標(biāo)強(qiáng)度與有效投影面積成正相關(guān)，遮擋系數(shù)的大小定義為剛性球體被遮擋的投影面積占該剛性球體全部投影面積的比值。

定義Sij為在入射方向上前一個亮點(diǎn)j在后一個亮點(diǎn)i上的投影面積，其具體計算表達(dá)式可歸納如下。

當(dāng)剛性球體i半徑大于剛性球體j時，遮擋面積Sij為

聲納與目標(biāo)之間的相對運(yùn)動將會產(chǎn)生多普勒頻移。假設(shè)聲納固定不動，考慮目標(biāo)在徑向運(yùn)動速度為v的情況下，其多普勒頻移為

θ是聲波入射角度，c為水下聲速。

綜合上述分析，得到目標(biāo)的時域表達(dá)式為

其中φi是各亮點(diǎn)發(fā)生反射時產(chǎn)生的隨機(jī)相位。τi是各亮點(diǎn)的傳播時延：

r是聲納與水下目標(biāo)之間的距離，Li是各亮點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的相對距離。

基于本文建立的回波亮點(diǎn)模型，以高頻信號對目標(biāo)模型的所有舷角進(jìn)行照射，并對接收到的回波信號進(jìn)行匹配相關(guān)處理，得到如圖7所示的目標(biāo)模型二維散射圖。從圖中可以看出目標(biāo)模型的二維散射圖有以下特點(diǎn)：

圖7 目標(biāo)模型二維散射函數(shù)圖

1）從艇艏和艇艉方向入射時，亮點(diǎn)之間彼此離散且跨越尺度大，亮點(diǎn)之間最大間隔與目標(biāo)尺度相當(dāng)；

2）入射方向趨向正橫方向時，亮點(diǎn)間隔逐漸減小，個數(shù)在正橫方向最少，且亮點(diǎn)背景弱；

3）不同的照射角度，各個亮點(diǎn)的顯示強(qiáng)度有明顯差異。

本文在對目標(biāo)回波信號建模時忽略了聲波在亮點(diǎn)之間的二次反射、繞射和再輻射等復(fù)雜過程，使仿真得到簡化。根據(jù)實(shí)際測量和理論上的潛艇模型的二維聲散射圖都是典型的蝴蝶圖［11～12］，其顯著特征是各亮點(diǎn)的顯示強(qiáng)度隨著方位變化而變化，亮點(diǎn)之間尺度間隔最大在艇艏和艇艉入射方向，最小在正橫方向。顯然，這些特性與本文建立的亮點(diǎn)模型保持一致，也說明該建模方法可以模擬隨水下目標(biāo)態(tài)勢變化的目標(biāo)回波的時延變化和強(qiáng)度起伏。

3 結(jié)語

本文在對主動聲納接收信號進(jìn)行建模的框架下，依次對海洋混響和環(huán)境噪聲進(jìn)行了建模仿真，并重點(diǎn)結(jié)合亮點(diǎn)模型理論，考慮亮點(diǎn)之間的幾何遮擋問題，通過細(xì)化計算遮擋面積來模擬水下目標(biāo)在不同態(tài)勢下亮點(diǎn)回波的時延變化和強(qiáng)度起伏，經(jīng)仿真驗證分析了該建模方法的有效性。