復雜水聲環境下多目標回波合成技術

【裝備理論與裝備技術】

復雜水聲環境下多目標回波合成技術

馬軍1，王鵬2，孫強2

(1. 92815部隊,浙江 寧波315718； 2.海軍工程大學 兵器工程系,武漢430033)

摘要：魚雷制導系統仿真的核心之一是復雜水聲環境下多目標回波合成技術的精細化建模，在介紹復雜水聲環境概念和基本點目標回波模型基礎上，對遠場和近場、點目標與體目標不同組合條件下的多目標信號合成技術進行了深入研究，建立了相關的數學模型，給出了典型條件下的仿真計算結果，可供復雜水聲環境下的魚雷制導系統仿真參考。

關鍵詞：魚雷；水聲環境；目標特性；仿真系統

收稿日期：2014-09-20

作者簡介：馬軍(1970—)，男，高級工程師，主要從事魚雷總體技術研究；王鵬(1978—)，男，講師，主要從事魚雷總體、作戰使用研究；孫強(1982—)，男，講師，主要從事武器系統與運用工程研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.02.003

中圖分類號：TJ63

文章編號：1006-0707(2015)02-0007-05

本文引用格式：馬軍，王鵬，孫強.復雜水聲環境下多目標回波合成技術[J].四川兵工學報，2015(2):7-11.

Citation format:MA Jun，WANG Peng，SUN Qiang.Research on Multi-Target Echo Synthesis Technology Under Complex Acoustic Environment[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(2):7-11.

Research on Multi-Target Echo Synthesis Technology

Under Complex Acoustic Environment

MA Jun1， WANG Peng2， SUN Qiang2

(1.The 92815thTroop of PLA, Ningbo 315718, China; 2.Department of Weapon Engineering,

Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Abstract:Modeling of multi-target echo synthesis technology under complex acoustic environment is one of the most important things for simulation of torpedo guidance system.Based on the brief introduction of complex underwater acoustic environment and the fundamental point target echo model,multi-target echo synthesis technology was studied under different combined conditions including far field,near field,point target and body target.Mathematical model was established, and simulation calculation results under typical conditions was presented.

Key words: torpedo; acoustic environment; target feature; simulation system

作為現代海戰的主要武器之一，自導魚雷以其獨特的隱蔽性和強大的突防能力，正越來越受到各國海軍的重視。隨著科技的進步，現代魚雷在動力、自導探測等性能及智能化水平上都有了質的突破。與此同時，魚雷的研制、試驗難度和周期都大幅增加，這就迫切需要一個能夠模擬真實海洋環境、目標特性等的仿真環境，以便通過仿真試驗彌補外場試驗的不足。

由于海水介質的特殊性質，魚雷等水下制導武器探測目標、導引攻擊、水下通訊等目前都只能利用聲信號。所以，開展海水介質中聲傳播特性、水下目標的聲反射、噪聲輻射特性、多目標信號合成等研究是研制高性能水下制導武器的基礎，同時也是建設復雜水聲環境下魚雷仿真系統的核心技術。目前，國內不少研究機構開展了水聲環境、目標特性等研究，也建立部分數學模型，但許多模型不能夠反映真實海洋環境中水聲信號傳播特性和水下目標的水聲反射和輻射特性。結合“十一五”預研項目研究成果，介紹復雜水聲環境下多目標回波信號合成技術，建立相關的數學模型，給出仿真計算結果，可以為建設復雜水聲環境下水聲制導仿真系統提供參考。

1復雜水聲環境概念

海洋環境的模擬主要包括海域環境、海水溫度、溫度梯度、鹽度、海流、海浪、風速、風向以及海洋噪聲、混響等。這些環境因素不是孤立存在的，而是相互制約、相互影響，成為一個有機的統一體，即形成一個復雜水聲環境，這只有通過大量的海上水文測量，深入研究內在規律，建立相應的數學模型并加以驗證和不斷修正，才能使聲學環境的建立更接近實際[1,2]。

根據我國周邊海洋環境的特點及海軍戰略戰術的要求，淺水域將是海軍未來作戰海域的重點海域之一。因此，戰場水聲環境主要具有聲傳播介質不均勻和以混響為主要干擾的特點。對于不均勻的聲傳播介質，可以利用聲傳播異常的方法，在繪制聲線軌跡的基礎上研究介質中的水聲傳播現象(如計算傳播損失)[3,4]；對于混響，由于其產生過程是隨時間、空間變化而變化的有色隨機過程，所以可以采用混響復功率譜的方法進行研究[3]。而對于復雜水聲環境下的水聲對抗仿真，則需要建立目標的回波信號模型以及考慮多目標信號合成問題。

2點目標及體目標模型

在主動自導的檢測和參數估計的討論中通常應用慢起伏點目標的模型。所謂“點”目標，通常是指目標在遠場，目標尺度可以忽略，視目標為一個幾何點的情況[5]。簡單點目標回波示意圖如圖1所示。

圖1　簡單點目標回波

其窄帶回波信號為

(1)

式中：ωd稱為多普勒頻移因子；τ稱為時間平移因子。若假設c為聲速，v為目標徑向速度，R0為初始距離，ωc為信號中心頻率，則有

(2)

對魚雷來說，當它追蹤目標到距離目標較近時，魚雷工作在目標的近場區，此時目標已不能看作是點目標，而必須當作尺度目標(體目標)來分析。目前，對體目標建模主要有板塊元法、多亮點模型法和基于倒譜的目標建模法等幾種，其主要思路是基于上面的點目標模型進行細分建模后合成得到。

3多目標信號合成方法

目前聲納和水聲領域內有關多目標信號回波合成方法的研究成果主要是限于遠場多個點目標的情況。

考慮多目標信號合成及復雜水聲環境下多目標信號接收特性問題，由于目標所處的距離不同其回波特性不同，不能都視為點目標，應視目標與自導裝置距離的遠近，把目標分為點目標和體目標區別處理。其中點目標采用慢起伏點目標模型，體目標采用亮點體目標模型。這樣由于有多種干擾和多種不同性質的目標同時存在，其信號的疊加方式必然不同，特別是距離不同，信號合成效果也不同[6]。遠場的點目標由于相互之間距離不同、反射特性不同、速度不同，因此其相干性不強，所以多點目標回波信號的合成應采用線性疊加的方法。近場的多個體目標由于相互之間距離較近，因此其各自亮點的回波在時域上容易產生重疊，距離較近還會導致各自亮點的回波在頻域上相互干涉，所以多個體目標回波信號的合成應采用相干疊加的方法。另外在具體建模時，還要考慮多目標相互遮掩問題。下面主要討論遠場和近場不同目標組合的回波信號合成問題，遮掩問題與多目標之間的幾何位置關系有關，在此不做討論。

3.1遠場多點目標共存 [7]

假設魚雷工作在主動自導的模式下，在其自導作用距離范圍內，有3個點目標，如圖2所示。

圖2　點目標分布

(3)

同時，知道了各目標點相對于自導裝置的距離和徑向速度，就可以應用慢起伏點目標的模型建立回波信號模型如下：

設發射信號f(t)為矩形包絡的單頻脈沖CW信號(其他形式信號的處理方法相同)，中心頻率為f0，帶寬為BW，脈沖寬度為T，即

(4)

設信號的中心角頻率(載頻)為ω0=2πf0，則有各目標點的多普勒頻移為

(5)

則有各目標點的窄帶回波信號形式為

(6)

求得各目標點的回波信號si(t)后，再通過不同時間延遲的計算進行數據對齊得到疊加后的多目標回波信號

(7)

最后將回波信號與噪聲信號和混響信號一起疊加，即可得到假設背景下遠場多點目標的自導回波。

假設圖2所示3個點目標的具體坐標如下：

A點：(R1，θ1)=(-30°，900 m)，v1=16 kn；

B點：(R2，θ2)=(20°，750 m)，v2=4 kn；

C點：(R3，θ3)=(30°，800 m)，v3=10 kn；

發射信號的頻率為30 kHz，帶寬為50 Hz，脈沖寬度為25 ms，其計算機仿真結果如圖3所示。由于脈沖寬度選擇較窄，而且目標之間距離相對較遠，所以圖3中可以明顯地辨別出3個點目標的回波，可通過其各自的回波時延推算出各目標點到原點的距離與假設相吻合。

3.2近場多個體目標共存 [8]

仍假設魚雷工作在主動自導的模式下，在其自導作用距離范圍內有2個體目標，如圖4所示。

圖3　多點目標回波信號

圖4　體目標分布

以目標自導裝置的聲學中心為原點，魚雷的雷體中軸線為縱坐標，建立直角坐標系xoy。分別以各自體目標的中心為原點，建立如圖所示的目標體子坐標系x′o′y′和x″o″y″，且子坐標系x′o′y′和x″o″y″相對坐標系xoy的轉角分別為α1、α2。

(8)

(9)

根據坐標變換的原理求出體目標中各亮點在xoy坐標系下的坐標為

(10)

或者

(11)

因此各亮點相對xoy坐標系原點的距離為：

(12)

(13)

且各亮點相對xoy坐標系的速度為：

(14)

(15)

(16)

(17)

知道了各亮點相對于xoy坐標系原點的距離和徑向速度，就可以根據相對位置關系，按式(4)～式(6)點目標模型建立回波信號模型了。各目標點的窄帶回波信號形式為：

(18)

(19)

求得各目標點的回波信號后，再通過不同時間延遲的計算進行數據對齊得到疊加后的多目標回波信號

(20)

最后將回波信號與噪聲信號和混響信號一起疊加，即可得到假設背景下近場多個體目標的自導回波信號。

假設體目標1的中心點o′：(R1，θ1)=(-30°，300m)，v1=16kn， ω1=0.5rad/s；體目標2的中心點o″：(R2，θ2)=(10°，350m)，v2=4kn，ω2=-0.2rad/s；發射信號的頻率為30kHz，帶寬為5kHz，脈沖寬度為25ms。則可求得各體目標中亮點在其各自子直角坐標系下的坐標分布如下：

體目標2中亮點坐標(x″i，y″i)：(-20，0)；(0，20)；(0，0)；(20，0)；(40，0)；

其回波信號計算機仿真結果如圖5所示。從圖5中可以明顯看到有目標的回波，但是回波的包絡已經不再是原來的矩形包絡的CW信號，而是發生了一些變化。第一項變化是2個體目標的回波在時域上相互重疊，無法將2個體目標辨別出來。一是因為目標距離參數的選取使得2個體目標相距較近，二是因為信號脈沖寬度的選取使得體目標各個亮點的子回波相互干涉，各個亮點的子回波也不能被分辨出，使目標響應成為穩態響應，最終導致2個體目標的回波在時域上有重疊。另一項變化回波的幅度有所改變，既有增大又有減小。這是因為目標距離自導裝置較近，各亮點的子回波相互干涉，導致回波幅度發生互有增減變化。

圖5　多體目標回波信號

3.3點目標與體目標共存

在一定搜索范圍內，可能存在點目標和體目標共存情況。假設魚雷工作在主動自導的模式下，搜索區域中有4個目標，其中目標A、B處在遠場屬于點目標，目標D處在近場屬于體目標，目標C為目標D釋放的寬帶噪聲干擾器屬于干擾目標。如圖6所示。其中點目標應用慢起伏點目標的模型，體目標應用亮點體目標的模型，干擾目標應用噪聲干擾器模型。

以目標自導裝置的聲學中心為原點，魚雷的雷體中軸線為縱坐標，建立直角坐標系xoy。以體目標的中心為原點，建立目標體子坐標系x′o′y′。子坐標系x′o′y′相對坐標系xoy的轉角為α。則按上述點目標與體目標回波信號模型，有目標A、B以及目標D中各亮點的窄帶回波信號形式分別為：

(21)

(22)

(23)

求得目標D中各亮點的回波信號si(t)后，再通過不同時間延遲的計算進行數據對齊得到疊加后的目標D的回波信號

(24)

求得目標A、B、D的回波信號后，最后得到多目標回波信號

(25)

圖6　多目標分布

最后將回波信號與噪聲信號和混響信號，以及寬帶噪聲干擾器的干擾信號一起疊加，即可得到假設背景下的多目標自導回波信號。

假設各目標點的坐標以及相對于自導裝置的線速度(方向如圖6所示)如下：

A點：(ρA，θA)=(-30°，900 m)，vA=16 kn；B點：(ρB，θB)=(30°，800 m)，vB=4 kn；

圖7　自導多目標回波仿真結果

圖7(a)中可以明顯地辨別出2個點目標和一個體目標的回波，而且體目標回波的幅度和寬度明顯要高于遠場的點目標，由于信號脈沖寬度的選取使得體目標各個亮點的子回波之間相互干涉，各個亮點的子回波也不能被分辨出，使目標響應成為穩態響應。通過對其中各目標回波時延的推算，可看出各目標到原點的距離與假設相吻合。圖7(b)中由于寬帶噪聲的干擾把目標回波掩蓋住，因此無法辨認出明顯的目標回波。

4結束語

當目標與自導裝置所處的距離不同時，目標的所屬性質不同，來自多個目標的回波信號的合成方法也有所不同。目標在遠場可看成點目標，多個點目標的回波信號可以進行線性疊加。在近場，目標應視為體目標，首先應將體目標中各亮點的回波信號進行相干疊加，然后將體目標、點目標、人工干擾目標、混響及背景噪聲一起線性或者相干疊加，得到真實環境下的自導多目標回波。研究中所提出的多目標信號合成方法可供復雜水聲環境下的魚雷制導系統仿真參考。

參考文獻：

[1]P.G.柏格曼.水聲學物理基礎[M].北京：科學出版社,1958：84-98,200-226.

[2]布列霍夫斯基赫.海洋聲學[M].北京：科學出版社,1983：63-65,135-158.

[3]布列霍夫斯基赫.分層介質中的波[M].北京：科學出版社,1960：373-391.

[4]B.H.馬特維柯,Ю.Ф.塔拉休克.水聲設備作用距離[M].北京：國防工業出版社,1981：117-152.

[5]顧金海,葉學千.水聲學基礎[M].北京：國防工業出版社，1981：101-107.

[6]R.J.尤里克.水聲原理 [M].3版.哈爾濱：哈爾濱船舶工程學院出版社,1992：17-224.

[7]李志舜.魚雷自導信號與信息處理[M]． 西安：西北工業大學出版社，2004.

[8]周德善.魚雷自導技術[M].北京：國防工業出版社，2009.

(責任編輯周江川)