一種尺度目標模擬器的多普勒模擬效果分析

趙俊杰，陳建青

?

一種尺度目標模擬器的多普勒模擬效果分析

趙俊杰，陳建青

(昆明船舶設備研究試驗中心，云南昆明650051)

在水聲對抗中，尺度目標模擬器需要不斷提高對潛艇聲學特性的模擬逼真度，而多普勒頻移是潛艇聲學回波的主要參數之一，是魚雷識別真假目標的重要依據。從潛艇的多普勒頻移計算方法入手，通過仿真計算，分析了一種依靠自然航速形成多普勒效應的單收多發模擬器所產生信號與真實潛艇反射回波信號的多普勒頻移差異。結果表明，差異主要由單收多發模擬器接收位置與發射位置不能一一對應造成。模擬器產生信號的多普勒頻移較真實潛艇目標信號的多普勒頻移小，特別是在與潛艇長度相當的近距離多普勒頻移偏差顯著增大。在目標模擬器設計中減小所述差異，可以提高對潛艇多普勒聲學特性的模擬逼真度。

尺度目標模擬；多普勒頻移；潛艇；魚雷

0 引言

隨著魚雷自導技術的發展，現代魚雷已普遍具備對目標的尺度識別能力。在水聲對抗領域，魚雷對抗器材也從常用的噪聲或應答式點源模擬器發展到尺度式目標模擬器。

聲學尺度潛艇目標模擬器由若干個換能器按一定空間形狀組合在一起，通過接收并轉發魚雷自導信號，以實現對潛艇聲反射特性的模擬。因為模擬器與真實潛艇在物理本質上的不同，并受工程技術的限制，模擬器產生的回波與真實潛艇回波存在著一定差異。

多普勒效應是潛艇回波的一個重要特征，一直被魚雷用作目標識別的主要參數。相關研究表明，在較近距離下，潛艇可以看作由許多個單元反射體組成，潛艇回聲是這些單元反射體散射的合成。魚雷接收回波的多普勒效應與魚雷和潛艇的相對位置、速度相關，當魚雷近距離攻擊潛艇時，潛艇各部位回波的多普勒頻移是不同的[1]。

本文分別對潛艇和一種單收多發目標模擬器的多普勒效應進行了分析和仿真計算，以對比這種聲學目標模擬器所產生的回波在多普勒效應模擬方面與實艇的差異。

1 多普勒效應分析

潛艇目標具有復雜的外形和內部結構，它的反射回波是內外結構各個部位對入射聲波散射的總體貢獻，其中幾何鏡反射、棱角散射、多層結構散射構成了回波主要成分[2]。本文簡單地認為真實潛艇的聲波入射點與反射點在同一位置，即聲波入射角等于反射角。

1.1 入射多普勒效應

圖1 兩物體相對運動

式中，為水中聲速。

1.2 反射多普勒效應

聲波被運動的潛艇反射后由魚雷接收，再次產生多普勒效應。

整理后，得到

當魚雷與潛艇的距離足夠近時，潛艇不能被當作點目標，艇體不同反射位置與魚雷的夾角是不同的，魚雷收到的潛艇反射回波是多個亮點反射回波的疊加，其中各個反射點回波的多普勒效應都不同。

2 單收多發模擬器多普勒效應

2.1 單收多發尺度目標模擬器

基于電聲原理的聲學目標模擬器通過懸吊或拖曳方式，由多個收發換能器按一定尺度的線狀或面狀布放組成，換能器之間幾何間距相對固定，能較好地模擬潛艇的多亮點結構回波。本文所分析的單收多發模擬器如圖2所示，這是一種簡單有效的模擬器結構形式，在國內外有廣泛的應用。

圖2 單收多發模擬器結構

圖2中的模擬器由一個接收換能器、5個發射換能器組成。接收換能器用于接收魚雷的自導探測信號作為回波樣本數據，各個發射換能器將接收信號進行處理后發射，分別模擬潛艇的艇艏、艦橋、艇艉等部位。在工程實現中，為了保證模擬器的收發隔離度，接收換能器與發射換能器要保持一定的間距。

圖2所示的模擬器一般有兩種應用方式。一種是位置固定模擬器，模擬器是靜止不動的，它所要模擬的多普勒頻移需要由電子設備對接收信號進行處理后產生。另一種是自航式模擬器，它的多普勒效應模擬由模擬器的運動自然產生，電子設備不對接收信號進行處理。本文討論的是后一種情況。

2.2 多普勒效應

模擬器用接收換能器收到的信號作為5個發射換能器的回波樣本，經信號強度、時延等處理后，由發射換能器產生聲回波，我們稱它為亮點[3]。魚雷所收到各亮點的回波頻率為

對比潛艇回波多普勒計算公式(3)，可以看出單收多發模擬器與潛艇的回波多普勒差異主要是由于兩者的入射角度不同造成的。

3 仿真及分析

3.1 一定距離方位下多普勒仿真

從表1的單收多發模擬器與真實潛艇各亮點回波頻率差可看出，因為發射亮點5的位置與接收換能器位置最靠近，所以模擬的頻移偏差最小，即發射換能器位置與接收換能器相距越遠，導致的回波頻移偏差越大。

表1 各亮點回波頻率差

潛艇各部位的多普勒效應頻率差是真實目標回波的重要特征[4]，表2根據表1仿真結果計算了相鄰兩亮點之間的頻率差。表2中亮點1、2之間的頻率差最大，亮點4、5之間的頻率差最小，當魚雷以一定角度攻擊潛艇時，潛艇相對魚雷攻角越大的部位反射波的多普勒頻移越大。模擬器產生的各亮點之間多普勒頻移差關系和真實潛艇一致，但由于單收多發模擬器只有一個接收換能器，它所產生的各亮點之間多普勒頻移差比真實目標產生的要小。

表2 相鄰亮點間頻率差

從上述仿真結果，我們對單收多發模擬器的多普勒模擬有以下認識：

(1) 單收多發線列陣因接收位置與發射位置不是一一對應的，而多普勒效應的產生與聲波入射、反射角度均有關，所以各亮點回波的多普勒頻移與真實潛艇回波不同；

(2) 模擬器的發射換能器與接收換能器相距越遠，它所產生的多普勒頻移與真實情況偏差越大。如果模擬器的各個發射換能器回波樣本的頻率相同，那么其所產生的多普勒頻移會比潛艇真實回波偏小；

(3) 在足夠近的距離上，潛艇相對于魚雷是體目標，潛艇不同部位產生的回波多普勒頻移不同，單收多發模擬器所產生的回波多普勒頻移量值、各亮點間多普勒頻移差值均偏小，會與魚雷測出的潛艇速度、方位等數據不相對應，成為魚雷識別真假目標的依據。

3.2 同一方位不同距離多普勒差異規律

圖3 一定攻擊角時不同距離的多普勒頻移偏差

圖4 200~1 500 m局部放大圖

通過圖3、4，可以發現單收多發模擬器的多普勒模擬偏差隨距離變化的一些規律：

(1) 在800 m以外，模擬器的多普勒效應與真實目標相差很小，距離越遠，偏差越小；

(2) 200～800 m以內，模擬器多普勒效應按距離、角度的變化產生偏差；

3.3 一定距離不同方位多普勒差異規律

下面討論魚雷在一定距離、不同方位情況下，潛艇和單收多發模擬器各亮點回波的多普勒效應差異。通過上一節分析可知，當魚雷與潛艇的間距小于潛艇長度時，因為入射角度與反射角度相差很大，單收多發模擬器的多普勒頻移與真實潛艇回波相差很大；當兩者間距較遠時多普勒頻移相差不大，下面分別對500、100 m兩種情況進行仿真。

魚雷與艇艏亮點距離500 m，其它仿真條件與上節相同，其多普勒頻移偏差隨角度變化情況如圖5所示。當魚雷攻擊角接近90o時，模擬器的多普勒頻移偏差最大，魚雷攻擊角越接近0o及180o，模擬器的多普勒頻移偏差越小。而魚雷攻擊潛艇目標時一般采用正橫攻擊，即攻擊角接近90o，此時模擬器產生的多普勒頻移偏差是最明顯的。

圖5 距離為500 m時多普勒頻移偏差隨角度變化情況

魚雷與艇艏亮點距離100 m時，多普勒頻移偏差隨角度變化情況如圖6所示。與圖5相同，魚雷攻擊角越接近0o及180o，模擬器的多普勒頻移偏差越小，魚雷攻擊角越接近160o時多普勒模擬頻移偏差最大。與圖3仿真結果相同，魚雷距目標距離小于目標長度時，單收多發模擬器的多普勒模擬頻移與真實目標有上百Hz的差異。

圖6 距離為100 m時多普勒頻移偏差隨角度變化情況

4 結束語

在水聲對抗中，尺度目標模擬器需要不斷提高對潛艇聲學特性的模擬逼真度，而多普勒頻移是潛艇聲學回波的重要參數之一。本文從潛艇的多普勒頻移計算方法入手，分析了一種單收多發模擬器所產生的多普勒信號與真實潛艇的差異。通過仿真，認識到單收多發模擬器依靠自然航速所產生的多普勒效應模擬與真實潛艇的反射回波存在一定差異，這個差異主要是由于單收多發模擬器的接收位置與發射位置不是一一對應造成的。模擬器產生的多普勒頻移比真實目標的多普勒頻移小，特別是在與潛艇長度相當的近距離，多普勒頻移偏差更大，這些都會成為魚雷識別真假目標的依據。

在目標模擬器的設計中，可以采用多種方法彌補不足，如可以采用電路處理的方法，使回波頻率與魚雷攻擊方位相關，或者使接收、發射換能器足夠接近以提高回波的多普勒模擬逼真度。

[1] 復旦大學《物理學》編寫組. 物理學下冊[M]. 北京: 人民教育出版社, 1980.The writing group of Fudan University "physics". Physics [M]. Beijing: People's Education Press, 1980.

[2] 周明, 初磊, 朱慧, 等.一種反潛聲自導魚雷目標尺度識別方法研究[J]. 彈箭與制導學報, 2008, 28(5): 237-240.ZHOU Míng, CHU Lei, ZHU Hui, et al. Study on target dimension recognition of anti-submarine homing torpedoes[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2008, 28(5): 237- 240.

[3] 石敏, 陳立綱, 蔣興舟, 等. 具有亮點和方位延展特征的線列陣聲誘餌研究[J]. 海軍工程大學學報, 2005, 17(1): 58-62. SHI Min, CHEN Ligang, JIANG Xingzhou, et al. On linear array acoustic bait with light spot and azimuth-range extension feature [J]. Journal of Naval University of Engineering, 2005, 17(1): 58-62.

[4] 陳春玉. 尺度目標識別中的若干技術問題[J]. 魚雷技術, 2003, 11(3): 9-13. CHEN Chunyu. Some technical matters in size target discrimination[J]. Torpedo Technology, 2003, 11(3): 9-13.

Doppler simulation analysis of ascale target simulator

ZHAO Jun-jie, CHEN Jian-qing

(Kunming Shipborne Equipment Research & Test Center, Kunming 650051, Yunnan, China)

In underwater acoustic warfare, the scale target simulator need to be continuously improvedin the simulation fidelity of submarine acoustic characteristics. Doppler frequency shift is one of the main parameters of submarine echo, which is an important basis for torpedo to identify true and false targets. Starting from the calculation method of Doppler frequency shift, through simulation, the Doppler frequency shift difference between the signal generated by the single receiving--multiple transmitting simulator, where the Doppler effect is due to the simulator’s own speed, and the real submarine echo signal is analyzed. The results show that the differences are mainly caused by the fact that the receiving position of the single receiving--multiple transmitting simulator can not be one to one corresponding to the transmitting position. The Doppler frequency shift of the simulator is less than that of the real submarine; especially the deviation increases significantly for the Doppler frequency driftat the distance close to the length of the submarine. In the design of the scale target simulator, the simulation fidelity of the Doppler acoustic characteristic of submarine can be improved by reducing the difference.

scale target simulation; Doppler frequency shift; submarine; torpedo

TB565

A

1000-3630(2017)-02-0128-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.02.006

2016-05-23;

2016-07-25

趙俊杰(1981－), 男, 山西朔州人, 碩士, 工程師, 研究方向為水聲目標模擬信號處理技術。

趙俊杰, E-mail: helloswrd@126.com。