淺海水平線陣接收海底混響序列仿真

王升，陳長安，高守勇

淺海水平線陣接收海底混響序列仿真

王升，陳長安，高守勇

(中國人民解放軍91388部隊，廣東湛江 524022)

混響序列仿真作為海上實驗的替代手段，可為聲吶設計及抗混響技術研究提供數據支撐。借助簡正波理論研究海底散射聲場，將海底散射場視為海洋傳輸網絡形成的傳遞函數，在此基礎上將海底散射微元按方位角均勻劃分，依據陣元間的相位關系給出了水平線陣接收海底混響序列的仿真方法。以負梯度淺海環境為例進行了混響仿真，并對仿真序列的頻譜特征、統計特征、空間相關特征進行了驗證，結果表明該方法獲得的混響序列特性與理論預測相符，可以為抗混響技術研究提供參考。

混響；散射；水平線陣；簡正波；相關性

0 引言

淺海環境中，海底混響作為主動聲吶的背景干擾，一直是聲吶設計和信號處理的難點。混響信號獲取是研究混響抑制方法的基礎，海上實驗可以獲取到真實的混響信號，然而存在代價高、風險大的問題。作為替代手段，信號仿真可以在實驗室環境下進行，既解決了海上實驗受到的制約，又方便研究多種環境條件下的混響特征。

近年來，海洋混響仿真研究已經取得了很大進展。依據混響產生機理通常將混響分為雙向傳播過程和散射過程，一般情況下，海底混響在淺海混響中起支配作用，散射過程大多采用單元散射模型或點散射模型來描述，傳播過程可以借助現有的聲傳播模型進行研究。對于淺海遠程混響采用簡正波理論研究比較適合[1-2]，既考慮了傳播中的多途效應，又方便與界面散射特性結合起來，物理概念比較清晰。姚萬軍等[3]、郭熙業等[4]將簡正波理論應用到混響序列的仿真建模之中，解決了海底散射信號傳播損失的計算問題，由于忽略了聲場的色散效應，適合于窄帶低頻條件下淺海混響序列的仿真。

為了抑制背景干擾和獲得更多的信道特征，水聲工程中經常采用陣列接收和波束形成技術，然而，目前的混響仿真模型大多基于單水聽器或垂直線陣，或者側重于研究混響的垂直相關特征，對于水平線陣混響序列的仿真方法描述甚少。當前，水平線陣已在主動拖曳聲吶上逐漸得到應用，為了研究混響的水平空間特性和抑制方法，本文借助簡正波理論，通過分析海底散射信號到水平線陣各陣元的時延，給出水平陣列混響序列的仿真方法，最后進行實例計算和驗證。

1 海底混響仿真理論基礎

單頻點源條件下的海底穩態散射場是混響序列仿真的基礎。依據“射線-簡正波”類比理論[5]，簡正波在海底附近可以分解為準平面波形式，結合海底散射特性得到簡正波耦合矩陣，進而獲得海底微元的散射聲場。海底混響場計算的簡正波方法示意圖如圖1所示。

本文采用單元散射模型來描述海底散射特性，認為海底由許多均勻分布的海底微元組成，海底微元的穩態散射場可以表示為[1,3-4]

式(1)～(4)表明：簡正波在海底微元處產生耦合效應，假設在某環境條件下有號離散簡正波，那么任意一號入射簡正波都會產生號散射簡正波。混響序列由不同簡正波組合(,)(第號簡正波入射，第號簡正波散射)疊加而成。

式中：是散射微元的編號，表示對時間窗口內混響序列有貢獻的散射微元總數。

2 水平陣列接收海底混響序列仿真

3 仿真算例及特征分析

3.1 混響序列仿真

式(9)中，海底散射系數滿足，為隨機相位，在區間均勻分布。

下面以典型負梯度淺海環境為例進行仿真，參數設置如圖3所示，水平分層海洋環境，海底為沙石底質，粗糙度均勻且各向同性。聲源為200 dB全向點源，深度50 m，發射線性調頻(Linear Frequency Modulated, LFM)脈沖信號，中心頻率為300 Hz，帶寬為50 Hz，脈寬為0.5 s；均勻線陣為保證良好指向性，線陣陣元間距常取半波長，本文采用33元水平均勻線陣接收，陣元間隔為2.5 m，線陣中心與聲源處于相同位置；考慮到計算效率，海底微元尺度設為5 m，對海底按2°進行劃分，即=180，相應計算出每個扇形海底包含的海底微元數量=39 057；信號采樣頻率為2 400 Hz，仿真時間窗口為10 s。圖4為仿真獲得的水平線陣第9、17、25號陣元的混響序列。

(a) 第9號陣元

(b) 第17號陣元

(c) 第25號陣元 圖4 水平陣列部分陣元接收的LFM混響序列 Fig.4 Reverberation sequence of LFM signal received by horizontal array

3.2 仿真序列統計特征

文獻[6]闡述了混響信號的頻譜、統計特征、自相關特征應滿足以下規律：

(1) 不考慮聲吶和散射體之間的相對運動時，混響信號應與源信號頻譜相一致；

(2) 混響信號的瞬時幅值服從高斯分布，而包絡幅值服從瑞利分布；

(3) 混響信號的時間相關半徑與帶寬成反比。

圖5為3.1節中第17號陣元的混響序列與發射信號的頻譜比較；圖6、7分別為仿真序列的瞬時概率密度和包絡概率密度，由于混響是非平穩隨機過程，統計分析前要先做平穩化處理；圖8為不同帶寬的混響序列的自相關函數。可看出：仿真序列的相關半徑與帶寬呈反比，其自相關特征、頻譜特征和統計特征都符合理論預測。

(a) 發射信號頻譜

(b) 仿真序列頻譜 圖5 發射信號與仿真混響序列頻譜比較 Fig.5 Spectrum comparison between transmitted signal and simulated reverberation sequence 圖6 仿真混響序列的瞬時概率密度(均值μ=0，標準差σ=0.22) Fig.6 Instantaneous probability density of simulatedreverber- ation sequence (mean μ=0, standard deviation σ=0.22) 3.3 仿真序列的水平相關性 混響的空間相關性是衡量陣列增益的重要指標，對于抗混響設計有重要意義。文獻[7]給出了海底混響的水平相關系數的計算公式： 我省應加強飼料的技術研發，開發利用當地的農副產品，加強技術推廣，優化飼料配方，既有利于循環經濟，又降低了飼料成本。我省有豐富的農業資源，如果積極挖掘平原地區的小麥、蔬菜等農產品和壩上地區的燕麥、土豆等飼草、飼料資源，就會彌補我省飼草總量的不足，降低飼草、飼料受國家政策、進出口貿易等因素的影響。同時，應建立與生豬、奶牛、肉牛和肉羊養殖規模相適應的飼料加工企業，滿足本地飼料市場需求，降低飼料購買流通成本，提高養殖效益。 (10) 式中：l為水平線陣上兩個水聽器間距，λ為波長，為水聽器的水平指向性開角，本文仿真中采用全向水聽器，。 圖7 仿真混響序列的包絡概率密度(標準差σ=0.18) Fig.7 Envelope probability density of simulatedreverberation sequence (standard deviation σ=0.18) (a) 20 Hz帶寬 (b) 50 Hz帶寬 圖8 仿真混響序列的自相關函數 Fig.8 Temporal auto-correlative coefficient of simulated reverberation sequence 對混響仿真序列的空間相關性進行驗證，環境參數同3.1節，發射兩個頻率的LFM信號，中心頻率分別為200 Hz和300 Hz，帶寬為50 Hz；采用水平均勻線陣接收，陣元間距為半波長，中心頻率為200 Hz時的陣元數為23，中心頻率為300 Hz時的陣元數為33。圖9為線陣中心陣元與其它陣元的水平相關系數。從圖9中可以看出：仿真結果與理論預測基本一致，相關系數隨兩個水聽器的水平距離增大而迅速減小，呈現或正或負的震蕩現象。 本次研究的傳統村落名錄及相關資料主要來源于我國公布的四批國家級傳統村落名錄和廣東省公布的五批“廣東省古村落”名錄，部分市級傳統村落通過實地走訪和電話訪談文物局等相關部門，并結合百度數據甄別獲取。各市GDP數據來源于中國統計信息網(http：//www.tjcn.org/)，各市市域面積源自廣東地名網(http：//www.xzqh.org.cn/)，地理坐標借助百度地圖進行標定，利用ArcGIS對研究區地圖進行矢量，通過數據表鏈接得到西江流域廣東段傳統村落類型、等級、密度、冷熱點等圖表，構建“西江流域廣東段傳統村落數據庫”。 (a) LFM信號(中心頻率200 Hz，帶寬50 Hz) (b) LFM信號(中心頻率300 Hz，帶寬50 Hz) 圖9 仿真和理論預測的線陣中心陣元與其它陣元的水平相關系數 Fig.9 The simulated and theoretically predicted horizontal correlation coefficients between central array element and other array elements: (a) the central frequency of LMF signal is 200 Hz, (b) the central frequency of LMF signal is 300 Hz, and the band-width is all 50 Hz 4 結束語 本文借助射線簡正波類比方法，對收發合置方式水平陣列接收混響序列的仿真方法進行了探討。文中對負梯度聲速條件下的混響序列進行了仿真及特征分析，結果表明，該仿真方法是合理的。通過分析海底混響的水平相關性，認為淺海混響的水平相關性隨水聽器間的水平距離增大而迅速減小。值得指出的是，本文仿真是對實際工程應用情況的簡化，沒有考慮拖曳線陣姿態變化和平臺運動的影響，仿真方法是以簡正波理論為基礎，適用于淺海遠程低頻混響序列的計算，可以為遠程海底混響的空間特征分析及抑制方法研究提供參考。 參考文獻 [1] ELLIS D D. A shallow-water normal-mode reverberation model[J]. J. Acoust. Soc. Am., 1995, 97(2): 2804-2814. [2] ZHOU J X, ZHANG X Z, ROGERS P H. Reverberation vertical coherence and sea-bottom geoacoustic inversion in shallow water [J]. IEEE J Oceanic Eng, 2004, 29(4): 988-999. [3] 姚萬軍, 蔡志明. 基于簡正波的淺海混響序列仿真[J]. 聲學技術, 2009, 28(1): 25-28. YAO Wanjun, CAI Zhiming. Simulation of reverberation sequence in shallow-water based on normal-mode theory[J]. Technical Acoustics, 2009, 28(1): 25-28. [4] 郭熙業, 蘇紹璟, 王躍科. 海底混響統計建模與仿真方法研究[J]. 兵工學報, 2009, 30(7): 940-944. GUO Xiye, SU Shaojing, WANG Yueke. Research on the statistical modeling and simulation method for seafloor reverberation[J]. Acta Armamentarii, 2009, 30(7): 940-944. [5] 汪德昭, 尚爾昌. 水聲學[M]. 北京: 科學出版社, 1981: 105-111. WANG Dezhao, SHANG Erchang. Underwater acoustics[M]. Beijing: Science Press, 1981: 105-111. [6] 奧里雪夫斯基B B. 海洋混響的統計特性[M]. 羅耀杰等譯. 北京: 科學出版社, 1977: 67-163. OLSHEVSKII B B. Statistical characters of the ocean reverberation[M]. LUO Yaojie, translate. Beijing: Science Press, 1977: 67-163. [7] 朱艷, 陳剛, 魯辛凱. 水平分置海底混響信號的空間相關特性研究[J]. 艦船科學技術, 2009, 31(5): 56-59. ZHU Yan, CHEN Gang, LU Xinkai. Research on space correlation characteristic of horizontal bistatic seafloor reverberation signals[J]. Ship Science and Technology, 2009, 31(5): 56-59. received by horizontal array in shallow water WANG Sheng, CHEN Chang-an, GAO Shou-yong (No.91388 Unit of PLA, Zhanjiang 524022, Guangdong, China) Abstract:As an alternative means of experiments at sea, reverberation signal simulation supports the studies on sonar design and anti-reverberation techniques. In this paper, scattering acoustic field of seabed in shallow water is studied by means of normal-mode method, which is treated as a transfer function formed by ocean transmission network. On this basis, scattering region is divided into many cells according to azimuth angles, and the phase differences between seabed cells are taken into account. Then, a simulation method of reverberation sequence receivedby horizontal array is put forward. Finally, the method is illustrated in the case of shallow water with negative gradient and the results show that the spectrum characteristics, statistical characteristics and spatial correlation characteristics of simulation signals are in accordance with theoretical predictions, which are useful for the research on anti-reverberation techniques. Key words: reverberation; scattering; horizontal array; normal-mode; relevant characteristics 中圖分類號：TB56 文獻標識碼：A 文章編號：1000-3630(2019)-04-0382-05 DOI編碼：10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.04.004 收稿日期: 2018-08-03; 修回日期: 2018-09-18 作者簡介: 王升(1978－), 男, 山東安丘人, 碩士, 工程師, 研究方向為水下目標特性測量。 通訊作者: 王升, E-mail: comwsh@sina.com