基于聲場模型的獵雷聲吶探測成像仿真方法

蔣文聰，張宏欣

（中國人民解放軍91439部隊 43分隊，遼寧 大連 116041）

0 引言

隨著水雷引信智能化水平的不斷提高，通過模擬目標物理場觸發水雷引信的傳統非接觸掃雷方式已經難以勝任當前及未來面臨的反水雷任務挑戰[1-2]。以直接探測定位和滅除水雷的獵雷方式已經成為反水雷訓練與作戰的常態樣式。可以預見，未來將有更多新的獵雷型反水雷裝備出現。而這些反水雷裝備的作戰試驗考核，尤其是探滅雷效能等核心能力指標的考核通常需要大量兵力和裝備來配合保障，且需要多次試驗以形成統計結論，其實施難度較大，成本較高。基于反水雷裝備仿真系統試驗可作為實航試驗的有效補充，對于作戰試驗階段評估反水雷裝備效能具有重要意義。

獵雷聲吶探測成像仿真是構建反水雷裝備仿真系統的核心與難點所在。從信號生成到接收處理過程來看，獵雷聲吶探測成像仿真需要依此考慮探測波形、聲源空間指向性、水下聲信號傳播信道、海底底質與混響、目標表面散射、信號檢測與處理以及成像處理，仿真過程需要大量建模與計算[3]。此外，由于高頻成像聲吶系統通常需要進行聚焦波束形成，其信號處理過程也較為復雜。因此，目前的聲吶探測和成像仿真方法[4-6]多采用直接目標亮點仿真的方法進行，即忽略掉聲吶成像前的所有物理和信號處理過程，在恒定聲速條件下直接仿真目標亮點來得到圖像，這種方式雖然能夠極大簡化處理過程，但不能反映水文、底質等條件對于探測識別結果的影響，因此不利于構建反水雷裝備仿真系統。

本文基于水下聲學中廣泛采用的Bellhop3D三維聲場分析程序[7-8]進行計算，結合簡化聲散射模型與信號復分析方法，以耦合方式定量考慮了聲吶搭載平臺與目標相對位置、姿態對于一定開角下的探測范圍影響及速度對于信號的多普勒效應，較為完整地模擬出目標回波信號，并根據聲吶探測成像原理進行等效信號處理實現了成像仿真。由于Bellhop3D能夠在任意三維底質和任意空間聲速梯度條件下進行聲場分析計算，因此基于其構建的信道沖擊響應能夠更好的反映實際中的水下聲傳播環境。此外，采用簡化聲散射模型和等效信號處理提高了計算效率，從而使整個過程的仿真計算可以在較短時間內完成。以某型反水雷裝備前視聲吶為例，對聲吶探測沉底水雷目標情況進行了仿真。結果表明，本文方法能夠得到高頻聲吶對沉底水雷目標的探測圖像，與實際情況具有一致性，可應用于反水雷裝備模擬仿真系統中的聲吶探測成像仿真。

1 前視聲吶與運動學耦合聲信號模型

1.1 前視聲吶、波動方程與聲信號

前視聲吶位于搭載平臺的艏部，是用于獵雷探測的主要裝備。其換能器一般包括1個弧形發射聲源和1個半圓型或直線型接收陣列，聚焦波束成形在接收時由接收陣列完成。圖1中給出了本文中使用的前視聲吶發射聲源和接收波束的幾何描述。其中：θS=90°，為發射源水平開角；?S=45°，為垂直開角；θB=0.468°，為接收成形波束水平開角；?B=θs，為接收波束垂直開角范圍；Rmax= 1 50m ，為前視聲吶最大探測距離。

圖1 發射聲源和接收波束的幾何描述Fig.1 Geometric description of transmitting acoustic source and receiving beam

式（1）可以利用 Bellhop3D聲場分析程序求解三維傳播空間內的程函方程進行計算，從而得到從聲源級處到某一散射點的單程傳播信道參數，即反映傳播時延的函數γ(x)，復包絡A( x)和相變φ( x )。對于前視聲吶，可以將其視作收發合置的，因此利用單程傳播參數可以容易地計算得到散射點在前視聲吶接收處產生的回波，即根據式（2）可得到前視聲吶接收聲壓場信號為

1.2 運動學耦合分析

探測平臺運動學信息與聲發射與接收信號之間的耦合主要包括：①探測平臺姿態對于發射聲源和接收波束與海底地形（目標）之間的姿態的影響；②運動導致相對于位置的變化；③平臺運動產生的多普勒頻移。下面分別對上述耦合因素進行定量分析。

1）相對姿態與相對位置的坐標轉換。

設海底（或目標）地形坐標點為xT=(xT, yT,zT)，前視聲吶聲源坐標為 xs=(xs, ys, zs)，搭載平臺姿態角為 ψ = ( ψ ,θ,?)。以聲源坐標為原點，則海底（或目標）地形相對于前視聲吶坐標系的位置為

式中：R(ψ, θ, )?為搭載平臺相對于地形參考系的姿態矩陣。完成上述轉換后即可利用xT′作為海底（或目標）地形坐標點，導入Bellhop3D聲場分析程序進行信道計算。

2）多普勒頻移。

如圖2中給出的一般態勢所示，發射/接收信號的多普勒頻移主要是由于探測平臺與探測目標之間的相對運動引起的。圖2中：u0為發射聲源指向某運動目標的單位矢量； vrsource，vrobs分別為聲源和觀測點沿著相對方位的徑向速度幅值；vsource，vobs為發射聲源和觀測點的運動速度； θsource，θobs分別為徑向矢量與源運動速度和觀測點運動速度之間的夾角；vrtarget，vtarget分別為目標的徑向速度幅值和運動速度。

圖2 發射聲源與觀測點/目標的相對態勢Fig.2 Relative situation between acoustic source and target

根據圖中給出的關系，結合多普勒頻移原理，注意到聲速相對于聲源運動是無關的，可以容易地得到如下關系：

顯然可見，上式的頻移本質上相當于在時域對信號進行壓縮操作。因此，本文在實際處理中，對于時域信號的頻移依此通過 Chirp-Z變換、逆Fourier變換和 Hilbert變換完成，其中Chirp-Z變換和逆 Fourier變換用于頻移后的離散時域信號，Hilbert變換用于求取解析信號，以便于和Bellhop3D的衰減計算結果相匹配。

2 目標散射場的簡化模型

探測聲波入射目標時會發生散射，散射聲場一般可采用Kirchhoff模型來表示，即

式中：A和dA分別表示目標表面與微分面元；R( x)為接收點處目標面元的反射系數；n(x)接收點處目標面元的法向矢量。

對于收發合置聲吶聲源和接收陣可設為同一位置，以前視聲吶聲源所處位置點為原點。將目標表面剖分成面元，上述積分可以表示為如下的求和：

文獻[6]中已表明，基于面元積分近似的散射場 Kirchhoff模型可以得到與實際符合較好的近似結果，但對于高頻聲吶而言這通常需要大量的面元，對于本文的研究對象是難以適用的。假設目標表面相對于波束寬度是粗糙的，那么式（5）中的指數項可以忽略，面元剖分面積可以增大，因此散射強度場可以用簡單的亮點模型進行非相干近似，即

式中：K( r)為歸一化和單位轉換量；χk( r)為第k個亮點面積塊的特征函數，即當球殼|r|與該面積相交時為1，否則為0。式（6）的簡化處理意為在距離一定條件下，接收亮度取決于入射波束與入射面積塊的相對方向，與觀測方向無關。

3 探測成像的等效處理

對于探測成像過程中的聚焦波束成形特性，本文利用 Bellhop3D三維聲場分析程序中的 N×2D子程序，根據水平開角波束寬度，跟蹤每個方位角采樣面內的所有單程聲線信道傳播參數，即傳播時延函數 γi( x)，復包絡 Ai( x)和相變 φi(x )，則根據式（3）可以得到第i個方位角采樣面內的接收回波信號為

顯然，由于聲壓 pi( x, t)僅在第i個方位角采樣面內存在，因此這個聲壓強度即可以等效為聚焦波束成形后的結果。因此 pi( x, t)包含了由(x, t)確定的距離、第i個采樣方位以及在該方位和距離上的強度，可以容易地給出在一定探測方位和距離上的回波強度，從而得到探測目標成像結果。

4 仿真算例

如圖3中所示，本節采用美國馬薩諸塞州海灣流域的 Weymouth海灣的真實海底地型和底質特性數據，結合在該海域實測的聲速剖面數據共同構成探測成像仿真所在的水下環境，導入Bellhop3D聲場分析程序進行三維聲線信道響應參數的計算。仿真中取搭載于水下潛航器的前視聲吶所在位置作為Bellhop3D聲場分析程序中聲線跟蹤計算的參考系原點。

圖4給出了在圖3給出環境條件數據下，采用Bellhop3D聲場分析程序高斯聲束方法計算得到的發射陣聲線軌跡；圖5給出了聲源處在[0，0，8] m時，10 m深度平面內的接收傳播衰減（TL）。從圖4-5中可見，該水域的高頻聲場傳播具有顯著的復雜性，這是由于淺（窄）水域尺度和復雜起伏的地形環境共同導致的。

圖3 Weymouth海灣海底特性數據Fig.3 Seabed characteristic data of Weymouth Bay

圖4 前視聲吶發射跟蹤聲線Fig.4 Forward-looking sonar emits tracking sound ray

圖5 前視聲吶發射波在10 m深度面內的傳播衰減Fig.5 Propagation attenuation of FLS waves in a 10 m depth plane

為了通過式（11）來仿真被探測目標的散射聲場強度，采用有限元軟件對一個模擬沉底水雷目標進行幾何建模。圖6給出了該模擬目標表面的三角形任意剖分網格情況以及每個剖分面上的法向矢量。式（11）中的反射系數取水雷殼體材料的聲反射系數。此外，為了模擬真實沉底水雷狀態，在仿真處理時沉底水雷的下半部分沒入海底地形障礙之中。

圖6 模擬目標水雷及其法向矢量Fig.6 Simulated target mine and its normal vector

圖7-8分別給出了在無目標條件下和目標位于前視聲吶正衡25 m處條件下，采用本文方法得到的前視聲吶探測圖像，其中根據某型前視聲吶的波束成形特性設置了正橫方向附近正負15°的接收增益，此外為了便于觀察目標情況和減小計算量，只取了圖 3（b）中的一部分地形數據。從圖中可見，本文方法能夠較好的仿真出前視聲吶對海底和目標的探測成像結果，驗證了本文方法在直觀上的正確性和有效性。

圖7 無目標條件下前視聲吶仿真探測成像結果Fig.7 Imaging results of FLS simulation under no-target condition

圖8 目標位前視聲吶正衡25 m處的仿真探測成像結果Fig.8 Imaging results of simulated detection at 25 m from the FLS abeam of the target

5 結束語

本文針對獵雷聲吶對水雷目標探測仿真問題，提出一種基于運動學信息與水下聲場傳播耦合分析的探測成像仿真方法。利用 Bellhop3D聲場分析程序計算水下聲信道信號沖擊響應，結合簡化聲散射模型與信號復分析方法，以耦合方式定量考慮聲吶平臺運動學因素的影響，模擬目標回波信號，并根據聲吶探測成像原理進行了等效的聚焦波束形成處理。以高頻前視聲吶為例，對聲吶探測沉底水雷目標情況進行了仿真，給出了高頻聲吶對沉底水雷目標的探測圖像，與實際聲吶探測情況具有一致性。為反水雷作戰試驗仿真系統與部隊反水雷訓練系統中的聲吶探測成像仿真提供了方法依據。下一步主要工作是進一步提高成像計算效率，結合平臺運動實現動態實時成像，建立搭載平臺操控和探測成像一體化獵雷聲吶探測仿真系統。