复杂水声环境下多目标回波合成技术

【装备理论与装备技术】

复杂水声环境下多目标回波合成技术

马军1，王鹏2，孙强2

(1. 92815部队,浙江 宁波315718； 2.海军工程大学 兵器工程系,武汉430033)

摘要：鱼雷制导系统仿真的核心之一是复杂水声环境下多目标回波合成技术的精细化建模，在介绍复杂水声环境概念和基本点目标回波模型基础上，对远场和近场、点目标与体目标不同组合条件下的多目标信号合成技术进行了深入研究，建立了相关的数学模型，给出了典型条件下的仿真计算结果，可供复杂水声环境下的鱼雷制导系统仿真参考。

关键词：鱼雷；水声环境；目标特性；仿真系统

收稿日期：2014-09-20

作者简介：马军(1970—)，男，高级工程师，主要从事鱼雷总体技术研究；王鹏(1978—)，男，讲师，主要从事鱼雷总体、作战使用研究；孙强(1982—)，男，讲师，主要从事武器系统与运用工程研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.02.003

中图分类号：TJ63

文章编号：1006-0707(2015)02-0007-05

本文引用格式：马军，王鹏，孙强.复杂水声环境下多目标回波合成技术[J].四川兵工学报，2015(2):7-11.

Citation format:MA Jun，WANG Peng，SUN Qiang.Research on Multi-Target Echo Synthesis Technology Under Complex Acoustic Environment[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(2):7-11.

Research on Multi-Target Echo Synthesis Technology

Under Complex Acoustic Environment

MA Jun1， WANG Peng2， SUN Qiang2

(1.The 92815thTroop of PLA, Ningbo 315718, China; 2.Department of Weapon Engineering,

Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Abstract:Modeling of multi-target echo synthesis technology under complex acoustic environment is one of the most important things for simulation of torpedo guidance system.Based on the brief introduction of complex underwater acoustic environment and the fundamental point target echo model,multi-target echo synthesis technology was studied under different combined conditions including far field,near field,point target and body target.Mathematical model was established, and simulation calculation results under typical conditions was presented.

Key words: torpedo; acoustic environment; target feature; simulation system

作为现代海战的主要武器之一，自导鱼雷以其独特的隐蔽性和强大的突防能力，正越来越受到各国海军的重视。随着科技的进步，现代鱼雷在动力、自导探测等性能及智能化水平上都有了质的突破。与此同时，鱼雷的研制、试验难度和周期都大幅增加，这就迫切需要一个能够模拟真实海洋环境、目标特性等的仿真环境，以便通过仿真试验弥补外场试验的不足。

由于海水介质的特殊性质，鱼雷等水下制导武器探测目标、导引攻击、水下通讯等目前都只能利用声信号。所以，开展海水介质中声传播特性、水下目标的声反射、噪声辐射特性、多目标信号合成等研究是研制高性能水下制导武器的基础，同时也是建设复杂水声环境下鱼雷仿真系统的核心技术。目前，国内不少研究机构开展了水声环境、目标特性等研究，也建立部分数学模型，但许多模型不能够反映真实海洋环境中水声信号传播特性和水下目标的水声反射和辐射特性。结合“十一五”预研项目研究成果，介绍复杂水声环境下多目标回波信号合成技术，建立相关的数学模型，给出仿真计算结果，可以为建设复杂水声环境下水声制导仿真系统提供参考。

1复杂水声环境概念

海洋环境的模拟主要包括海域环境、海水温度、温度梯度、盐度、海流、海浪、风速、风向以及海洋噪声、混响等。这些环境因素不是孤立存在的，而是相互制约、相互影响，成为一个有机的统一体，即形成一个复杂水声环境，这只有通过大量的海上水文测量，深入研究内在规律，建立相应的数学模型并加以验证和不断修正，才能使声学环境的建立更接近实际[1,2]。

根据我国周边海洋环境的特点及海军战略战术的要求，浅水域将是海军未来作战海域的重点海域之一。因此，战场水声环境主要具有声传播介质不均匀和以混响为主要干扰的特点。对于不均匀的声传播介质，可以利用声传播异常的方法，在绘制声线轨迹的基础上研究介质中的水声传播现象(如计算传播损失)[3,4]；对于混响，由于其产生过程是随时间、空间变化而变化的有色随机过程，所以可以采用混响复功率谱的方法进行研究[3]。而对于复杂水声环境下的水声对抗仿真，则需要建立目标的回波信号模型以及考虑多目标信号合成问题。

2点目标及体目标模型

在主动自导的检测和参数估计的讨论中通常应用慢起伏点目标的模型。所谓“点”目标，通常是指目标在远场，目标尺度可以忽略，视目标为一个几何点的情况[5]。简单点目标回波示意图如图1所示。

图1　简单点目标回波

其窄带回波信号为

(1)

式中：ωd称为多普勒频移因子；τ称为时间平移因子。若假设c为声速，v为目标径向速度，R0为初始距离，ωc为信号中心频率，则有

(2)

对鱼雷来说，当它追踪目标到距离目标较近时，鱼雷工作在目标的近场区，此时目标已不能看作是点目标，而必须当作尺度目标(体目标)来分析。目前，对体目标建模主要有板块元法、多亮点模型法和基于倒谱的目标建模法等几种，其主要思路是基于上面的点目标模型进行细分建模后合成得到。

3多目标信号合成方法

目前声纳和水声领域内有关多目标信号回波合成方法的研究成果主要是限于远场多个点目标的情况。

考虑多目标信号合成及复杂水声环境下多目标信号接收特性问题，由于目标所处的距离不同其回波特性不同，不能都视为点目标，应视目标与自导装置距离的远近，把目标分为点目标和体目标区别处理。其中点目标采用慢起伏点目标模型，体目标采用亮点体目标模型。这样由于有多种干扰和多种不同性质的目标同时存在，其信号的叠加方式必然不同，特别是距离不同，信号合成效果也不同[6]。远场的点目标由于相互之间距离不同、反射特性不同、速度不同，因此其相干性不强，所以多点目标回波信号的合成应采用线性叠加的方法。近场的多个体目标由于相互之间距离较近，因此其各自亮点的回波在时域上容易产生重叠，距离较近还会导致各自亮点的回波在频域上相互干涉，所以多个体目标回波信号的合成应采用相干叠加的方法。另外在具体建模时，还要考虑多目标相互遮掩问题。下面主要讨论远场和近场不同目标组合的回波信号合成问题，遮掩问题与多目标之间的几何位置关系有关，在此不做讨论。

3.1远场多点目标共存 [7]

假设鱼雷工作在主动自导的模式下，在其自导作用距离范围内，有3个点目标，如图2所示。

图2　点目标分布

(3)

同时，知道了各目标点相对于自导装置的距离和径向速度，就可以应用慢起伏点目标的模型建立回波信号模型如下：

设发射信号f(t)为矩形包络的单频脉冲CW信号(其他形式信号的处理方法相同)，中心频率为f0，带宽为BW，脉冲宽度为T，即

(4)

设信号的中心角频率(载频)为ω0=2πf0，则有各目标点的多普勒频移为

(5)

则有各目标点的窄带回波信号形式为

(6)

求得各目标点的回波信号si(t)后，再通过不同时间延迟的计算进行数据对齐得到叠加后的多目标回波信号

(7)

最后将回波信号与噪声信号和混响信号一起叠加，即可得到假设背景下远场多点目标的自导回波。

假设图2所示3个点目标的具体坐标如下：

A点：(R1，θ1)=(-30°，900 m)，v1=16 kn；

B点：(R2，θ2)=(20°，750 m)，v2=4 kn；

C点：(R3，θ3)=(30°，800 m)，v3=10 kn；

发射信号的频率为30 kHz，带宽为50 Hz，脉冲宽度为25 ms，其计算机仿真结果如图3所示。由于脉冲宽度选择较窄，而且目标之间距离相对较远，所以图3中可以明显地辨别出3个点目标的回波，可通过其各自的回波时延推算出各目标点到原点的距离与假设相吻合。

3.2近场多个体目标共存 [8]

仍假设鱼雷工作在主动自导的模式下，在其自导作用距离范围内有2个体目标，如图4所示。

图3　多点目标回波信号

图4　体目标分布

以目标自导装置的声学中心为原点，鱼雷的雷体中轴线为纵坐标，建立直角坐标系xoy。分别以各自体目标的中心为原点，建立如图所示的目标体子坐标系x′o′y′和x″o″y″，且子坐标系x′o′y′和x″o″y″相对坐标系xoy的转角分别为α1、α2。

(8)

(9)

根据坐标变换的原理求出体目标中各亮点在xoy坐标系下的坐标为

(10)

或者

(11)

因此各亮点相对xoy坐标系原点的距离为：

(12)

(13)

且各亮点相对xoy坐标系的速度为：

(14)

(15)

(16)

(17)

知道了各亮点相对于xoy坐标系原点的距离和径向速度，就可以根据相对位置关系，按式(4)～式(6)点目标模型建立回波信号模型了。各目标点的窄带回波信号形式为：

(18)

(19)

求得各目标点的回波信号后，再通过不同时间延迟的计算进行数据对齐得到叠加后的多目标回波信号

(20)

最后将回波信号与噪声信号和混响信号一起叠加，即可得到假设背景下近场多个体目标的自导回波信号。

假设体目标1的中心点o′：(R1，θ1)=(-30°，300m)，v1=16kn， ω1=0.5rad/s；体目标2的中心点o″：(R2，θ2)=(10°，350m)，v2=4kn，ω2=-0.2rad/s；发射信号的频率为30kHz，带宽为5kHz，脉冲宽度为25ms。则可求得各体目标中亮点在其各自子直角坐标系下的坐标分布如下：

体目标2中亮点坐标(x″i，y″i)：(-20，0)；(0，20)；(0，0)；(20，0)；(40，0)；

其回波信号计算机仿真结果如图5所示。从图5中可以明显看到有目标的回波，但是回波的包络已经不再是原来的矩形包络的CW信号，而是发生了一些变化。第一项变化是2个体目标的回波在时域上相互重叠，无法将2个体目标辨别出来。一是因为目标距离参数的选取使得2个体目标相距较近，二是因为信号脉冲宽度的选取使得体目标各个亮点的子回波相互干涉，各个亮点的子回波也不能被分辨出，使目标响应成为稳态响应，最终导致2个体目标的回波在时域上有重叠。另一项变化回波的幅度有所改变，既有增大又有减小。这是因为目标距离自导装置较近，各亮点的子回波相互干涉，导致回波幅度发生互有增减变化。

图5　多体目标回波信号

3.3点目标与体目标共存

在一定搜索范围内，可能存在点目标和体目标共存情况。假设鱼雷工作在主动自导的模式下，搜索区域中有4个目标，其中目标A、B处在远场属于点目标，目标D处在近场属于体目标，目标C为目标D释放的宽带噪声干扰器属于干扰目标。如图6所示。其中点目标应用慢起伏点目标的模型，体目标应用亮点体目标的模型，干扰目标应用噪声干扰器模型。

以目标自导装置的声学中心为原点，鱼雷的雷体中轴线为纵坐标，建立直角坐标系xoy。以体目标的中心为原点，建立目标体子坐标系x′o′y′。子坐标系x′o′y′相对坐标系xoy的转角为α。则按上述点目标与体目标回波信号模型，有目标A、B以及目标D中各亮点的窄带回波信号形式分别为：

(21)

(22)

(23)

求得目标D中各亮点的回波信号si(t)后，再通过不同时间延迟的计算进行数据对齐得到叠加后的目标D的回波信号

(24)

求得目标A、B、D的回波信号后，最后得到多目标回波信号

(25)

图6　多目标分布

最后将回波信号与噪声信号和混响信号，以及宽带噪声干扰器的干扰信号一起叠加，即可得到假设背景下的多目标自导回波信号。

假设各目标点的坐标以及相对于自导装置的线速度(方向如图6所示)如下：

A点：(ρA，θA)=(-30°，900 m)，vA=16 kn；B点：(ρB，θB)=(30°，800 m)，vB=4 kn；

图7　自导多目标回波仿真结果

图7(a)中可以明显地辨别出2个点目标和一个体目标的回波，而且体目标回波的幅度和宽度明显要高于远场的点目标，由于信号脉冲宽度的选取使得体目标各个亮点的子回波之间相互干涉，各个亮点的子回波也不能被分辨出，使目标响应成为稳态响应。通过对其中各目标回波时延的推算，可看出各目标到原点的距离与假设相吻合。图7(b)中由于宽带噪声的干扰把目标回波掩盖住，因此无法辨认出明显的目标回波。

4结束语

当目标与自导装置所处的距离不同时，目标的所属性质不同，来自多个目标的回波信号的合成方法也有所不同。目标在远场可看成点目标，多个点目标的回波信号可以进行线性叠加。在近场，目标应视为体目标，首先应将体目标中各亮点的回波信号进行相干叠加，然后将体目标、点目标、人工干扰目标、混响及背景噪声一起线性或者相干叠加，得到真实环境下的自导多目标回波。研究中所提出的多目标信号合成方法可供复杂水声环境下的鱼雷制导系统仿真参考。

参考文献：

[1]P.G.柏格曼.水声学物理基础[M].北京：科学出版社,1958：84-98,200-226.

[2]布列霍夫斯基赫.海洋声学[M].北京：科学出版社,1983：63-65,135-158.

[3]布列霍夫斯基赫.分层介质中的波[M].北京：科学出版社,1960：373-391.

[4]B.H.马特维柯,Ю.Ф.塔拉休克.水声设备作用距离[M].北京：国防工业出版社,1981：117-152.

[5]顾金海,叶学千.水声学基础[M].北京：国防工业出版社，1981：101-107.

[6]R.J.尤里克.水声原理 [M].3版.哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社,1992：17-224.

[7]李志舜.鱼雷自导信号与信息处理[M]． 西安：西北工业大学出版社，2004.

[8]周德善.鱼雷自导技术[M].北京：国防工业出版社，2009.

(责任编辑周江川)