線列陣聲誘餌模擬尺度目標回波方位特性*

張 儀 李 華

（91388部隊 湛江 524022）

1 引言

目標回波的特征提取及識別是現(xiàn)代魚雷聲自導關鍵技術之一，通常智能魚雷在攻擊和反水聲對抗過程中使用目標回波特征進行真假目標識別。其中目標回波的空間特征是真實目標區(qū)別于干擾目標的主要特征［1］，尤其對于尺度目標的回波方位在一定舷角陣位上將呈現(xiàn)出延展特性（即方位“走向”），這為魚雷區(qū)分點源干擾和真實目標提供了一個有效的識別方法，也是聲誘餌模擬艦艇目標聲反射特性的關鍵技術之一。相比點源式聲誘餌，線列陣聲誘餌采用多個聲基元，通過多子陣之間誘騙信號的時延，可有效模擬尺度目標亮點和方位延展特征。對于傳統(tǒng)的基于魚雷距離和方位信息的誘騙信號時延模型［2～3］，由于魚雷實際距離信息難于精確獲取，采用估算的距離對模擬回波信號的準確度影響較大。另外，魚雷在攻擊過程中航速高、距離變化快，在對抗過程中無法持續(xù)準確估算魚雷距離。

本文采用逆向思維方式，基于魚雷識別目標特性的基本機理［4～6］，從目標回波的空間域特征出發(fā)，采用分裂波束雙通道短時互譜方位提取方法，研究了線列陣聲誘餌模擬尺度目標回波方位的延展特性和起伏特性，通過仿真驗證了線列陣聲誘餌可以有效模擬尺度目標的方位特征。

2 基于分裂波束雙通道短時互譜算法的目標方位提取方法

互譜法在陣列信號處理中對提高方位估計的分辨力和估計精度均有重要意義，主要用于分裂波束系統(tǒng)的精確方位估計，尤其是主動聲納中的窄帶信號處理［7～10］。

如圖1所示，假設分裂陣中兩子陣接收到的信號分別為e1(t)和e2(t)，且e2(t)=e1(t-τ)，其中，為兩子陣相對時延。顯而易見，目標方位信息θ存在于τ中，而τ的信息則存在于e1(t)和e2(t)的互功率譜中［6］。

圖1 分裂陣示意圖

如果e1(t)和e2(t)的功率譜分別為E1(f)和E2(f)，則：

則E1(f)和E2(f)的互譜Z(f)為：

則τ與互譜Z(f)的相角φ關系為

進一步可得方位θ的信息

在線列陣聲誘餌中，目標信號輸入為離散時間序列，采用FFT 算法計算兩路信號的互功率譜，估計信號時延并求出目標方位［9］。將目標回波e1(t)和e2(t)采樣后得到離散采樣時間序列，將離散時間序列分為L段，每段數(shù)據(jù)長度為M，對每段進行FFT變換：

其互譜為

則第k條線譜對應的相角φk為

進一步可得其對應方位為

3 線列陣聲誘餌模擬目標尺度回波方位特性分析

目標回波一般可看作若干個等效散射中心（亮點）反射的回波疊加而成，線列陣聲誘餌通過多個水聲換能器形成線列陣，采用對各陣元發(fā)射回波進行延遲疊加和時間延展從而模擬形成虛擬陣元位置，以增加聲誘餌的虛擬長度［10～13］，其示意圖如圖2所示。對魚雷接收到的多亮點應答疊加信號而言，在采用分裂波束雙通道短時互譜方位提取得到的目標方位是一個合成的等效方位。

圖2 線列陣聲誘餌N亮點回波示意圖

假設發(fā)射信號為CW 脈沖信號，其為s(t)，則可得到兩個通道的回波信號e1(t)和e2(t)：

其中ai表示各反射點反射強度，τi表示各反射點延遲時間，φi表示兩通道之間各反射點相位差。

根據(jù)文獻［14～15］可知，當?shù)趉 個子回波開始對總回波貢獻時，則等效二子陣鑒向下的等效視在相位Φk可由下式計算得出：

由矢量合成原理可知Φ1≤Φ2≤Φ3≤…≤ΦN，據(jù)此可得，當?shù)刃б曉诜轿沪萲在0°～90°區(qū)間時，θ1≤θ2≤θ3≤…≤θN。

理論上，由于θ1和θN是線列陣聲誘餌第1 個和第N個陣元發(fā)射的回波前后沿方位，因此理論上在一定陣位時，其值代表了線列陣聲誘餌真實的空間方位角，而θk(1 ＜k＜N)的空間等效方位則與其真實方位存在偏差，但線列陣聲誘餌尺度張角信息仍然存在，這是線列陣聲誘餌模擬目標尺度的一個重要不變特征，是對抗具有尺度識別能力魚雷的重要基礎。

采用不同擬合方法計算的目標方位誤差不完全系統(tǒng)同，其方位（相位）的誤差：

Δθ=θk-θfit(k)

其中θk(1≤k≤N)為等效鑒向方位，θfit(k)為以θ1～θN進行擬合后，在與θk同時刻的擬合方位，Δθ為方位誤差。

4 仿真分析

仿真時選取CW 信號，中心頻率25kHz，脈沖寬度100ms；線列陣聲誘餌幾何長度60m，亮點數(shù)12 個；魚雷分裂波束雙通道接收系統(tǒng)和線列陣聲誘餌聲中心的距離為500m，分別對舷角0°、30°和60°進行仿真，其模擬尺度目標的方位走向和方位起伏結(jié)果見圖3～5所示。

圖3 舷角0°時方位走向與方位起伏

圖5 舷角60°時方位走向圖與方位起伏統(tǒng)計圖

由仿真結(jié)果可知，當魚雷位線列陣聲誘餌一定舷角時，線列陣聲誘餌可有效模擬出目標的尺度張角信息，具有方位延展特性和起伏特性，模擬的目標回波方位將呈現(xiàn)一定的方位走向，方位起伏分布較均勻且集中在大于1°范圍內(nèi)。當魚雷處于線列陣聲誘餌艏艉方向時，線列陣聲誘餌相當于點源目標，不具有方位延展特性且方位起伏分布均在小于1°范圍內(nèi)，模擬的目標回波方位無方位走向。

5 結(jié)語

本文基于魚雷常用的目標識別方法，分析了線列陣聲誘餌模擬目標尺度回波方位特性中應具備的延展性和方位起伏性，通過仿真驗證了線列陣聲誘餌可以有效模擬尺度目標的方位特征，為對抗采用方位走向和方位起伏進行目標識別的魚雷提供了一種有效的方法。