基于亮點模型的水下目標近程回波仿真研究＊

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2） 西安 710089）（海軍92840部隊3） 青島 266405）

1 引言

水下尺度目標回聲特性是水聲學中的一個重要研究方向，是目標探測、識別和定位的重要依據。對尺度目標回波信號進行仿真模擬，在一定程度上可以避免進行昂貴、復雜的實驗以取得實驗回波數據。對主動對抗器材來說，模擬出逼真的目標回波信號可以用來干擾自導系統對目標的跟蹤從而達到水聲對抗的目的。此外，對目標的回波信號進行仿真模擬還可用于分析目標的聲學特性。理論分析和實驗研究都證明，在高頻情況下，尺度目標回波可近似看成是目標亮點回波相干疊加的結果[1]。近年來，目標的亮點模型及其分布特征的提取受到了廣泛的關注[2～5]。本文首先介紹了目標回波的亮點結構和亮點模型，并給出了亮點參數的計算方法，針對兩種簡單形狀目標進行了亮點回波仿真同時對目標的回波亮點結構進行了分析。

2 尺度目標近場回波亮點結構

在高頻情況下，任何一個復雜目標都可以等效成若干個散射亮點的組合。每個散射亮點產生一個亮點回波，總的回波是這些亮點回波相干迭加的結果。亮點及其強度分布主要由目標外形和表面曲率決定。

根據形成機理可以把亮點分成幾何類亮點和彈性類亮點兩類[1]。幾何類亮點主要是由目標的幾何形狀和材料的聲學特性決定。最重要的是凸光滑表面上的鏡反射亮點。此外還有棱角或邊緣產生的反射亮點，主要是由表面法線方向不連續引起的。彈性類亮點主要是在特定條件下出現的表面繞行波或彈性散射波對應的亮點。

3 目標亮點模型及計算

在高頻情況下，任何一個復雜目標都可以等效成若干個散射亮點的組合。按照線性迭加原理，總的傳遞函數可以表示成[1]

其中N是子目標所劃分的網格數；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，可對上述積分做進一步的簡化。對于目標的亮點位置可通過計算子目標表面被照射區域的板塊的中心位置并結合板塊的反射系數進行求取：

若假設各亮點位置與聲納系統中心之間的距離為｛ri｝，以其中的最小值rmin為基準，則相對時延為：

4 數值計算與分析

4.1 圓柱體目標回波仿真

圖1 聲納系統與圓柱體目標之間的相對位置

以一段圓柱體目標為研究對象，圓柱體長度為60m，半徑為5m，建立如圖所示直角坐標系。計算中采用收發合置聲納系統，且目標表面為剛性邊界條件，將目標均分為3個子目標。發射信號為LFM信號，中心頻率為25kHz，帶寬1kHz，脈寬為5ms，聲納系統與目標之間的距離為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）為不添加噪聲時的仿真回波，從仿真圖中可明顯看出目標回波的3個亮點。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回波的兩個亮點結構，由于存在棱角因此亮點強度較強，另一個亮點回波由于強度較弱，被背景噪聲所湮沒。

圖2 圓柱體目標回波仿真

4.2 組合體目標回波仿真

圖3 聲納系統與潛艇目標之間的相對位置

以下選取一簡化的潛艇目標為研究對象，將潛艇目標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系。發射信號為LFM信號，中心頻率為20kHz，帶寬1kHz，脈寬為10ms，聲納系統與目標之間的距離為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°時仿真目標回波。從仿真結果可以看出在正橫情況下由于艦橋亮點與艇體亮點距聲納系統距離較為接近，亮點子回波幾乎同時到達，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，但亮點子回波分布較為明顯。

圖4 潛艇目標仿真回波

5 結語

本文研究了尺度目標近程回波的多亮點模型，采用板塊元算法計算亮點的目標強度，同時結合面元的反射強度值和照射區域計算亮點位置，最后以一段圓柱體目標和一個簡單形狀的組合體目標為研究對象，進行了回波仿真。仿真結果較好地體現了目標的回波結果。此外，要模擬更加精確的目標回波，還必須考慮反射體表面敷設吸聲材料、噪聲，混響等因素的影響，這些問題將在下一步的工作中進行研究。

[1]湯渭霖.聲納目標回波的亮點模型[J].聲學學報，1994，19（2）：92～100

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

[3]王明洲，黃曉文，郝重陽.基于聲學亮點特征的水下目標回波模型[J].系統仿真學報，2003，15（1）：21～25

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

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

[6]高天德，李志舜.水下目標亮點結構仿真技術[J].系統仿真學報，2000，12（2）：130～133

[7]王明洲，黃曉文，郝重陽.基于聲學亮點特征的水下目標回波模型[J].系統仿真學報，2003，15（1）：21～25

[8]范軍，湯渭霖.聲納目標強度計算的板塊元方法[J].聲學技術，1999（增刊）：31～32

[9]劉成元，張明敏，程廣利.一種改進的板塊元目標回聲計算方法[J].海軍工程大學學報，2008，20（1）：25～31

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