淺海單模入射聲場目標回波特性研究

王升，馬力，郭圣明

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淺海單模入射聲場目標回波特性研究

王升1，馬力2，郭圣明2

(1. 91388部隊95分隊，廣東湛江 524022；2. 中國科學院水聲環境特性重點實驗室，北京 100190)

淺海環境中，目標回波受到入射和散射雙向過程的信道多途影響，具有復雜的多途結構。基于相控垂直陣的單模發射技術能激發出指定的單個簡正波聲場，可以降低海底混響干擾，簡化目標回波多途結構，為主動探測提供了一種有效手段。在信道中點聲源目標回波模型基礎上，采用簡正波本征函數加權研究了單模聲場入射下球形目標散射問題，建立了淺海單模入射聲場目標回波預報模型，并利用模型對剛性球回波進行了數值計算。結果表明：總聲源級相同條件下，單模發射聲場與傳統的點聲源發射聲場相比具有一定的陣發射增益，目標回波具有較高的聲壓級；單模入射能夠消除單程多途的影響，回波結構相對簡單，有利于目標的探測和識別。

目標回波；單模；簡正波；散射函數

0 引言

由于水下目標特征控制技術的進步，被動探測越來越困難，主動探測技術重又得到重視。在淺海環境中，目標回波經歷入射和散射雙向傳播過程，其波形呈現出復雜的多途結構，影響目標探測和識別。對目標回波特性的建模與分析，有助于提高傳統的主動聲吶探測性能、建立基于模型的新型主動探測技術。信道中目標回波特性建模與無限大自由場問題顯著不同。早在1987年，Ingenito[1]利用簡正波平面波分解方法，研究了水平分層介質波導中點聲源聲場的剛性球散射問題，將目標平面波散射函數嵌入到聲場簡正波表示中來計算目標散射場，之后，T. C. Yang[2,3]將Ingenito的研究推廣到非均勻水層情形，并進行了相關的目標主動定位技術研究。R. H. Hackman[4,5]用T矩陣法建立了入射場和散射場之間的關系。Li-gang Chen[6]在Ingenito方法的基礎上給出了淺海波導中目標回波波形的具體算法。

單模發射技術利用相控垂直陣，僅激發出指定的單個簡正波聲場，充分了利用海洋波導效應，具有較高的能量利用率和較低的傳播損失。近十幾年來，單模發射技術及其在目標探測中的應用得到了較為深入的研究。Donald F. Gingras[7]介紹了單模的激發原理，詳細研究了模式衰減、海底反向散射隨頻率變化的規律，以及如何選擇單模發射頻帶的問題。單模激發有開環控制和閉環控制兩種方式，開環控制方式需要環境參數的先驗知識，最近俄羅斯學者Golubeva[8,9]在開環控制方面進行了深入的研究。閉環控制算法最早由John R.Buck[10]提出，無需海洋環境的先驗知識，具有良好的自適應性，彭大勇[11]等提出了一種淺海單模聲場閉環發射的最佳估算方法，能夠在較短時間內得到發射陣加權系數。

本文在Ingenito和T. C. Yang等人研究工作基礎上，采用簡正波本征函數加權單模聲場激發技術，結合信道中點聲源目標回波模型建立了淺海單模入射聲場目標回波波形預報模型，并分析了相應的目標回波特征。

1 單模發射技術

在水平分層的淺海環境中，單頻點聲源產生的聲場可以用簡正波表示為

對于滿陣(陣長接近全海深，陣元數足夠多)發射情形，利用簡正波本征函數的正交特性：

(3)

或(4)

取(5)

系數為

(7)

2 單模入射目標散射聲場

對于水下聲信道中的目標散射問題，一種簡便的處理方法就是采用基于平面波分解的散射函數法，即將入射簡正波和散射簡正波分解成準平面波形式，與平面波照射下的目標散射函數聯系起來，得到目標散射場，如圖1所示。

對于海洋波導中單個點源發射時的目標散射聲場，可以寫成[1,3]：

其中：

(10)

(12)

這里利用了簡正波的平面波分解，目標深度的本征函數可表示為，上行波和下行波分別為[6]：

(14)

從式(9)可以知道：某號簡正波入射到目標體，會激發出多號散射簡正波，各號散射簡正波的幅度與目標散射函數有關，由入射和散射的掠射角、方位角確定，對所有入射簡正波激發的散射簡正波進行求和，即得到點源發射時的目標散射聲場。對于垂直陣列發射的情況，每個陣元發射的聲波都激發出相應的目標散射聲場。因此，垂直發射陣列的目標散射聲場可認為是所有陣元引起的散射聲場的疊加，考慮圖2所示的垂直發射陣、目標和接收位置分布，設垂直陣發射第號簡正波，根據式(9)，可得單模發射時的目標散射聲場：

(16)

3 單模入射目標回波波形

在式(16)基礎上，利用傅氏變換進一步得到目標回波波形：

(18)

4 數值計算分析

給定發射信號和海洋環境相關參數，根據上面建立的模型，可以得到單模入射聲場目標回波仿真信號。海洋環境參數如圖3所示，采用等間隔32元垂直陣進行單模發射，陣元間隔3 m，第一個陣元距離海面3 m；接收水聽器深度為50 m；點源發射目標回波仿真時，聲源深度為50 m；目標為剛性球，半徑10 m，深度50 m；發射聲源級為200 dB；回波信號采樣率，時間窗長度1 s。

4.1 不同發射模式目標回波強度比較

為了分析單模發射相對于點源發射的目標回波增益，將“目標回波強度”定義為發射信號經水下目標散射后，水聽器接收到的有效回波信號平均能量。設有效回波信號長度為，則目標回波強度可表示為[12]

圖4(a)和4(b)分別為目標位于50 m和20 m深度時，LFM信號的目標回波強度隨距離的變化曲線。圖5為相應聲場的前5階模式的本征函數，可以看出：

(a) 目標深度50 m

(b) 目標深度20 m

圖4 不同入射模式下的目標回波級(LFM信號，中心頻率200 Hz，帶寬40 Hz，脈寬3 s)

Fig.4 Rigid sphere echo intensity curves ensonified by different modes. (LFM signal, central frequency: 200 Hz, bandwidth: 40 Hz, pulse length: 3 s)

(1) 目標回波強度與發射模式和目標深度有關，當目標深度位于發射模式的波腹位置時，目標處的入射聲能量較強，回波能量也相應較強。

(2) 在合理的發射模式下，單模發射回波強度明顯高于相同源級的點源回波，隨著目標距離聲源越遠，單模發射的增益越大。

單模發射能夠控制能量的深度分布，有較高的能量利用率。因此，利用單模聲場探測目標時，應根據目標深度調整發射陣元加權，使聲能量集中到目標深度。

4.2 單模入射目標回波結構分析

淺海波導中，多途導致回波信號畸變，是目標遠場定位與識別的主要干擾。將單模發射技術應用于目標探測，可減小邊界散射和傳播衰減對目標回波的影響，為回波信號檢測和目標識別提供便利。

點源聲場與單模聲場入射下的剛性球回波比較如圖6所示。由前面理論分析可知，由于目標的存在，簡正波在目標處發生耦合，任意號簡正波入射都會激發出多號簡正波。淺海波導中，低號簡正波傳播速度快，高號簡正波傳播速度慢，傳播后各號簡正波延時疊加使得接收信號結構比發射信號復雜。單模聲場發射時，只有某一號簡正波照射到目標，色散現象只出現在聲波從目標返回接收點的單程，與單向聲傳播類似，而點源發射聲場照射目標時，雙向過程都有色散現象。因此，單模發射比點源發射產生的目標回波結構相對簡單，見圖6，單模發射聲場產生的目標回波中各號簡正波更易區分。

(a) 點源發射時剛性球回波

(b) 發射1階模式時剛性球回波

5 結論

本文在信道中點聲源目標回波模型基礎上，結合效率較高的單模發射技術，首次建立了淺海單模入射聲場目標回波模型，并對簡單環境下的剛性球目標回波進行了數值計算，通過分析點源發射聲場及單模發射聲場照射下的目標回波強度、回波結構，表明單模發射相對于點源發射有較大優勢，具體總結如下：

(1) 發射模式可控，能量利用率高，單模發射回波強度高于相同源級的點源回波強度。

(2) 單模入射目標回波強度與發射模式和目標深度有關，當目標深度位于發射模式的波腹位置時，目標處的入射聲能量較強，回波能量也相應較強。

(3) 單模發射時目標回波結構相對簡單，通過分離回波中各號簡正波，可以獲取目標散射矩陣，散射矩陣含有豐富的目標物理特征，對于目標識別有重要意義，而點源聲場目標散射回波無法直接分離散射矩陣。

眾所周知，簡正波方法適合于計算水平分層淺海環境中的聲場，高頻時效率較低，所以本文提供的方法適用于與距離無關的海洋信道中遠程目標低頻回波計算；當目標太靠近海底和海面邊界時，多次反射不能忽略，模型誤差較大；由于需要預先掌握目標在自由空間中的散射函數，所以對于沒有解析表達式的復雜目標，需要通過實驗測量獲得其散射函數。該模型為進一步研究淺海環境中的目標探測和主動匹配場處理提供了技術基礎。

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Research on target echo characteristics ensonified by a single mode in shallow water

WANG Sheng1, MA Li2, GUO Sheng-ming2

(1. Unit 91388, PLA, Zhanjiang 524022, Guangdong, China; 2. Key Laboratory of Underwater Acoustic Environment, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

In shallow water, target echo has complex structure as a result of multipath propagation on incidence and scattering journey. Based on vertical phased linear array, single mode excitation technique can produce desired field composed of a single mode, suppress reverberation, simplify echo structure and provide an effective way of active detection. In this paper, based on target echo model ensonified by a point source, the array weighting method according to normal-mode eigenfunctions is applied to studying target scattering problem. Target echo prediction model ensonified by a single mode in shallow water has been built to analyze target echo characteristics. The results of using the model to calculate a certain sphere object’s echo numerically show that the target echo ensonified by a single mode has greater intensity comparing with the situation that target is ensonified by a point source; the single mode excitation technique can eliminate multipath interference on incidence journey, so target echo structure is straightforward relatively and favorable for target detection and identification.

target echo; single mode; normal-mode wave; scattering function

TB566

A

1000-3630(2015)-01-0018-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.01.004

2013-07-16;

2013-10-15

王升(1978－), 男, 山東安丘人, 工程師, 研究方向為水下目標回波特性。

王升, E-mail: comwsh@sina.com