復(fù)雜海洋環(huán)境下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波信號建模及仿真*

趙顯文，陳洲，王正偉，劉志剛，胡鵬鵬，王夢馨

（四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 621000）

0 引言

當(dāng)今，無人水下航行器（UUV,Unmanned Underwater Vehicle）已成為世界各國海軍爭相研制的“熱點(diǎn)”裝備，廣泛地應(yīng)用于水下戰(zhàn)場偵察/監(jiān)視、情報(bào)收集、預(yù)警探測、通信中繼、環(huán)境調(diào)查、有效載荷預(yù)置、水聲對抗、目標(biāo)感知與識別、獵雷、布雷、跟蹤等領(lǐng)域[1]。

由于輻射特征較弱，傳統(tǒng)的被動(dòng)聲納很難奏效，必須依靠主動(dòng)聲納發(fā)射大功率聲波照射目標(biāo)進(jìn)行探測[2]，因此主動(dòng)探測仿真中目標(biāo)回波信號的構(gòu)建十分重要，是后續(xù)信號處理的基礎(chǔ)[3-5]。文獻(xiàn)[6-7]針對主動(dòng)聲納接收信號的建模開展研究，依次對海洋混響、海洋環(huán)境噪聲、目標(biāo)亮點(diǎn)進(jìn)行了建模，但并未考慮信道多途的影響。文獻(xiàn)[8]考慮了多途信道的影響，但在目標(biāo)亮點(diǎn)模型建模中考慮的因素較簡單，忽略了散射亮點(diǎn)帶來的幅度變化，且各段仿真信號參數(shù)分置。

1 復(fù)雜海洋環(huán)境下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波模型構(gòu)建

在對主動(dòng)聲納系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)論證或者對實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)進(jìn)行評估時(shí)，目標(biāo)回波信號是主動(dòng)探測信號處理的基礎(chǔ)，因此接收端目標(biāo)回波信號的構(gòu)建具備重要意義[9]。傳統(tǒng)的目標(biāo)回波建模考慮條件較為簡單，大多基于自由場條件假設(shè)，其建模方法如圖1所示：

圖1 自由場建模示意圖

由于UUV的廣泛應(yīng)用和其執(zhí)行的特殊任務(wù)，其工作環(huán)境通常較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的自由場假設(shè)不再適用，建模時(shí)必須考慮其工作條件。UUV通常工作于淺海條件，除目標(biāo)散射以及環(huán)境噪聲的影響外，必須考慮界面與水中散射體帶來的混響干擾，以及界面帶來的多徑影響，此外高速運(yùn)動(dòng)還會(huì)帶來多普勒影響，必須對目標(biāo)回波進(jìn)行精細(xì)化建模，這對于后續(xù)目標(biāo)的檢測、定位、分類、跟蹤、識別和參數(shù)估計(jì)具有重要意義。本文根據(jù)UUV工作環(huán)境特點(diǎn)，分析復(fù)雜海洋環(huán)境下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波信號構(gòu)建方法，并進(jìn)行信號級仿真，建模思路如圖2所示：

圖2 復(fù)雜海洋環(huán)境建模示意圖

1.1 傳輸信道模擬

在傳播過程中，海洋就是聲信道，理想的信道能無畸變地傳遞信息，海洋不是理想的信道，而是復(fù)雜多變的，它相當(dāng)于一個(gè)隨機(jī)的時(shí)變、空變?yōu)V波器，對聲源發(fā)出的信號進(jìn)行變換[10]。在實(shí)際海洋環(huán)境下，接收到的目標(biāo)回波因水聲信道的復(fù)雜性而常常與發(fā)射信號有較大的差別，使得信號產(chǎn)生畸變的因素有很多，主要是海面海底的反射、水介質(zhì)的隨機(jī)擾動(dòng)、介質(zhì)不均勻以及界面隨機(jī)起伏等。在工程上，聲信道可以看作緩慢時(shí)變的相干多途信道[11]。聲信號從聲源發(fā)出，沿第i條途徑到達(dá)的信號幅度記為Ai，沿第i條途徑到達(dá)的信號時(shí)延記為τ0i，相干多途信道的系統(tǒng)函數(shù)為：

根據(jù)聲速分布和海面海底特性計(jì)算得到該信道特性下的本征聲線，從而確定信道沖激響應(yīng)。本文為簡化計(jì)算，假設(shè)去程信道與回程信道相同。令水深200 m，聲源位于水下10 m，接收點(diǎn)也位于水下100 m，聲源與接收點(diǎn)距離4 km，頻率為10 kHz，聲速剖面選取Munk模型，波束開角為±14°，則仿真結(jié)果如圖3、圖4所示：

圖3 海洋信道傳播損失

圖4 海洋信道沖激響應(yīng)

圖3采用射線理論給出了聲傳播過程中傳播損失分布，從圖示可明顯看出聲傳播過程中存在明顯多徑現(xiàn)象，而且影區(qū)較為明顯，傳播損失在空間上分布并不均勻。圖4則計(jì)算了信道本征聲線歸一化幅度，該信道下聲線傳輸具備明顯時(shí)延，接收點(diǎn)處幅度也存在明顯差別，這也反映了復(fù)雜海洋環(huán)境下信道特性對聲傳播具備顯著影響。

1.2 環(huán)境噪聲模擬

海洋環(huán)境空間物理特性復(fù)雜，特別是淺海環(huán)境噪聲具有噪聲源復(fù)雜、統(tǒng)計(jì)分布多樣、聲源多變的特性，在特定的時(shí)間和地點(diǎn)，噪聲級取決于多個(gè)噪聲源的混合[12]。由于環(huán)境噪聲這種時(shí)空變化性，很難用一個(gè)“全能”的數(shù)學(xué)模型精確描述，很多情況下根據(jù)實(shí)測環(huán)境噪聲，歸納總結(jié)經(jīng)驗(yàn)公式來進(jìn)行近似的描述[13]。海洋環(huán)境噪聲在一定范圍內(nèi)可以看作是一個(gè)隨時(shí)間變化的服從正態(tài)分布的隨機(jī)信號，由于環(huán)境中的噪聲源通常是不相關(guān)的，因此總噪聲的振幅被認(rèn)為是正態(tài)分布的。假設(shè)聲納搭載于UUV等平臺，UUV輻射噪聲相比大型艦艇較小，因此無需考慮自噪聲影響，海洋環(huán)境噪聲模擬流程如圖5所示：

圖5 環(huán)境噪聲模擬流程

根據(jù)以海況表示的淺海噪聲譜級經(jīng)驗(yàn)公式[14]，其形式為：

式中NL表示噪聲譜級，f表示頻率，S表示海況等級。

海洋環(huán)境噪聲模擬如圖6所示：

圖6 海洋環(huán)境噪聲模擬

1.3 海洋混響模擬

海洋混響指聲波傳播過程中由起伏海面、不平整海底及海水介質(zhì)內(nèi)部大量隨機(jī)不均勻體上的散射在接收點(diǎn)產(chǎn)生的聲信號[15]。對于淺海主動(dòng)聲納，混響是干擾其性能的主要因素[16]。由于發(fā)射信號本身的特性和海中散射體分布等，混響不同于普通的環(huán)境噪聲，在頻域上覆蓋的區(qū)域與發(fā)射信號基本重合，時(shí)域上與發(fā)射信號以及目標(biāo)回波強(qiáng)相關(guān)，它是一種特殊形式的干擾[17]。

作為大量散射波疊加總和的混響，是一個(gè)隨機(jī)過程，且具備一定的統(tǒng)計(jì)特性。混響過程較復(fù)雜，受到多種因素的影響，必須對其進(jìn)行簡化，即忽略面元或體元尺度范圍內(nèi)的傳播效應(yīng)；聲線不發(fā)生彎曲；不考慮散射體的多次反射；散射體數(shù)量極多，在任一體元或面元內(nèi)都有大量散射體；每一散射體都對混響有相同的貢獻(xiàn)。令v(t)為發(fā)射信號波形，ti和ai表示第i個(gè)散射體產(chǎn)生散射聲的時(shí)刻和散射聲的振幅，則t時(shí)刻的混響信號表示為：

若散射聲波形和入射聲信號保持一致，其信號的瞬時(shí)值滿足正態(tài)分布規(guī)律，概率密度函數(shù)為：

混響信號的振幅服從瑞利分布，其概率密度函數(shù)具有以下形式：

將發(fā)射信號的混響看作多個(gè)端脈沖產(chǎn)生的混響的累加，混響強(qiáng)度可以表示為：

式中R0為系數(shù)；β是指數(shù)衰減系數(shù)，與海水吸收和邊界損失有關(guān)；m與傳播條件有關(guān)。根據(jù)混響的統(tǒng)計(jì)模型與混響強(qiáng)度可得到模擬混響。混響信號的仿真流程如圖7所示：

圖7 混響模擬流程

假設(shè)發(fā)射信號為LFM信號，脈沖寬度為0.04 s，中心頻率為10 kHz，帶寬800 Hz，仿真得到的混響信號如圖8所示。由于混響信號并不是平穩(wěn)隨機(jī)過程，在分析統(tǒng)計(jì)特性前需進(jìn)行平穩(wěn)化處理，混響信號平穩(wěn)化處理后統(tǒng)計(jì)特性與瑞利分布理論值對比如圖9所示。

圖8 混響信號模擬

圖9 混響平穩(wěn)化統(tǒng)計(jì)特性

圖8根據(jù)分析得到的混響特性進(jìn)行混響信號的模擬，給出了時(shí)域波形，由于混響信號與發(fā)射信號存在密切關(guān)系，因此在圖9中對其分布特性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，仿真結(jié)果與理論值復(fù)合較好。

1.4 目標(biāo)亮點(diǎn)模型

目標(biāo)回波是目標(biāo)在入射聲波激勵(lì)下產(chǎn)生的一種物理過程，回波中攜帶有目標(biāo)的信息，這些信息是主動(dòng)聲納實(shí)現(xiàn)探測與識別的基礎(chǔ)。大部分情況下，作為激勵(lì)源的入射聲波是小振幅波，回波的形成服從線性聲學(xué)規(guī)律，與初始時(shí)間無關(guān)。從工程應(yīng)用的角度，可將目標(biāo)看成一個(gè)線性時(shí)不變系統(tǒng)，回波就是目標(biāo)對入射聲波的響應(yīng)，而信道的作用主要體現(xiàn)在傳遞函數(shù)上。

亮點(diǎn)模型[18]是在入射聲為高頻、限帶信號條件下，總結(jié)理論和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果得出的，在工程上具備一定的應(yīng)用價(jià)值，主要用來估計(jì)復(fù)雜幾何形狀目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度和理論上模擬目標(biāo)回聲信號。根據(jù)回聲產(chǎn)生機(jī)理，亮點(diǎn)分為“幾何亮點(diǎn)”和“彈性亮點(diǎn)”。每個(gè)亮點(diǎn)回波信號都可以看作是對入射信號的時(shí)延拷貝，目標(biāo)的單亮點(diǎn)傳遞函數(shù)可寫成：

式中A(r,ω)表示幅頻響應(yīng)，隨入射信號頻率變化；r為聲波入射方向矢量；τ為目標(biāo)亮點(diǎn)與接收點(diǎn)間的時(shí)延；φ表示相位因子。

多個(gè)亮點(diǎn)疊加的復(fù)雜目標(biāo)的回波傳遞函數(shù)可表示為：

在工程上獲得的回波信號，在信號特性上可表示為隨不同入射角度變化的參數(shù)組合[19]，即Am(r,ω)、τm、φm。

對于幅度散射因子，因?yàn)榄h(huán)境和目標(biāo)物的差異導(dǎo)致很難給出確定的表達(dá)形式，其可近似為：

式中Ts,i為單個(gè)亮點(diǎn)的目標(biāo)強(qiáng)度，因此，根據(jù)亮點(diǎn)數(shù)量，可分別求出單個(gè)亮點(diǎn)目標(biāo)強(qiáng)度，然后計(jì)算得到幅度反射系數(shù)。

球冠與有限長圓柱殼體的結(jié)構(gòu)是水下典型結(jié)構(gòu)，其模型如圖10所示：

圖10 聲波入射示意圖

幾何類回波包括鏡反射波和棱角波，可通過物理聲學(xué)的方法預(yù)測，聲波傾斜入射時(shí)，半球/圓柱鏡反射回波及棱角反射回波目標(biāo)方位角及相對目標(biāo)旋轉(zhuǎn)中心時(shí)延分別如表1、表2所示：

表1 斜入射時(shí)鏡面反射回波方位角和時(shí)延

表2 斜入射時(shí)棱角反射回波方位角和時(shí)延

其中A表示模型柱半高，B表示模型半徑，c0表示水中聲速，θ0=arctan(B/A)，θ表示目標(biāo)方位角，α=arccos(cos(φ)cos(θ))，φ表示換能器傾斜角。其中：。

假設(shè)模型柱長度為30 m，柱直徑為5 m，入射角度為45°，信號為10 kHz的LFM信號，脈寬為0.04 s，圖11中3條紅色虛線分別代表亮點(diǎn)1、2、3出現(xiàn)時(shí)刻：

圖11 亮點(diǎn)回波信號

圖11為根據(jù)目標(biāo)亮點(diǎn)模型分析得到的發(fā)射信號經(jīng)過目標(biāo)調(diào)制后得到的回波時(shí)域波形，可看出發(fā)射信號經(jīng)目標(biāo)調(diào)制后，波形上與原始發(fā)射信號具備明顯差別，主要表現(xiàn)為時(shí)域上信號的延長以及波形幅度的變化。

1.5 多普勒補(bǔ)償

聲納與目標(biāo)間的相對運(yùn)動(dòng)會(huì)使接收信號的波形發(fā)生改變，變?yōu)樾盘柕念l移，稱之為多普勒頻移現(xiàn)象[20-21]。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多普勒效應(yīng)是一種常見物理現(xiàn)象，目標(biāo)與聲納之間的相對運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致信號復(fù)包絡(luò)的時(shí)間比例發(fā)生變化和載頻移動(dòng)。

對于窄帶信號，信號復(fù)包絡(luò)變化影響可忽略不計(jì)，多普勒效應(yīng)可視為簡單的載頻偏移，多普勒頻移fε可表示為：

若發(fā)射信號為s(t)，目標(biāo)反向運(yùn)動(dòng)，則接收信號為：

2 回波信號模擬

根據(jù)UUV工作條件，本文分析了復(fù)雜海洋環(huán)境下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波信號建模方法，綜合考慮了信道多徑、混響干擾、環(huán)境噪聲、亮點(diǎn)模型、多普勒補(bǔ)償?shù)纫幌盗幸蛩兀瑢γ坎糠诌M(jìn)行仿真模擬，并將各因素疊加，得到目標(biāo)回波信號如圖12所示：

圖12 多基地聲納模擬信號

3 結(jié)束語

本文針對復(fù)雜海洋環(huán)境運(yùn)動(dòng)目標(biāo)主動(dòng)探測回波信號模擬的需求，分析了復(fù)雜海洋環(huán)境下搭載平臺為UUV的回波建模方法，綜合考慮了海洋環(huán)境噪聲、淺海混響干擾、信道多途傳播、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)多普勒效應(yīng)等因素，結(jié)合目標(biāo)聲散射理論和亮點(diǎn)模型，構(gòu)建了要素齊全、高效可靠的回波信號仿真模型。仿真結(jié)果表明：該模型可用于復(fù)雜海洋環(huán)境下的目標(biāo)回波信號精細(xì)化建模，為主動(dòng)探測回波信號處理奠定重要基礎(chǔ)，有效避免了常規(guī)自由場假設(shè)條件過于簡化而無法刻畫復(fù)雜海洋環(huán)境特征的問題，也避免了數(shù)值積分需要大量運(yùn)算從而無法進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真的問題。