一种尺度目标模拟器的多普勒模拟效果分析

赵俊杰，陈建青



一种尺度目标模拟器的多普勒模拟效果分析

赵俊杰，陈建青

(昆明船舶设备研究试验中心，云南昆明650051)

在水声对抗中，尺度目标模拟器需要不断提高对潜艇声学特性的模拟逼真度，而多普勒频移是潜艇声学回波的主要参数之一，是鱼雷识别真假目标的重要依据。从潜艇的多普勒频移计算方法入手，通过仿真计算，分析了一种依靠自然航速形成多普勒效应的单收多发模拟器所产生信号与真实潜艇反射回波信号的多普勒频移差异。结果表明，差异主要由单收多发模拟器接收位置与发射位置不能一一对应造成。模拟器产生信号的多普勒频移较真实潜艇目标信号的多普勒频移小，特别是在与潜艇长度相当的近距离多普勒频移偏差显著增大。在目标模拟器设计中减小所述差异，可以提高对潜艇多普勒声学特性的模拟逼真度。

尺度目标模拟；多普勒频移；潜艇；鱼雷

0 引言

随着鱼雷自导技术的发展，现代鱼雷已普遍具备对目标的尺度识别能力。在水声对抗领域，鱼雷对抗器材也从常用的噪声或应答式点源模拟器发展到尺度式目标模拟器。

声学尺度潜艇目标模拟器由若干个换能器按一定空间形状组合在一起，通过接收并转发鱼雷自导信号，以实现对潜艇声反射特性的模拟。因为模拟器与真实潜艇在物理本质上的不同，并受工程技术的限制，模拟器产生的回波与真实潜艇回波存在着一定差异。

多普勒效应是潜艇回波的一个重要特征，一直被鱼雷用作目标识别的主要参数。相关研究表明，在较近距离下，潜艇可以看作由许多个单元反射体组成，潜艇回声是这些单元反射体散射的合成。鱼雷接收回波的多普勒效应与鱼雷和潜艇的相对位置、速度相关，当鱼雷近距离攻击潜艇时，潜艇各部位回波的多普勒频移是不同的[1]。

本文分别对潜艇和一种单收多发目标模拟器的多普勒效应进行了分析和仿真计算，以对比这种声学目标模拟器所产生的回波在多普勒效应模拟方面与实艇的差异。

1 多普勒效应分析

潜艇目标具有复杂的外形和内部结构，它的反射回波是内外结构各个部位对入射声波散射的总体贡献，其中几何镜反射、棱角散射、多层结构散射构成了回波主要成分[2]。本文简单地认为真实潜艇的声波入射点与反射点在同一位置，即声波入射角等于反射角。

1.1 入射多普勒效应

图1 两物体相对运动

式中，为水中声速。

1.2 反射多普勒效应

声波被运动的潜艇反射后由鱼雷接收，再次产生多普勒效应。

整理后，得到

当鱼雷与潜艇的距离足够近时，潜艇不能被当作点目标，艇体不同反射位置与鱼雷的夹角是不同的，鱼雷收到的潜艇反射回波是多个亮点反射回波的叠加，其中各个反射点回波的多普勒效应都不同。

2 单收多发模拟器多普勒效应

2.1 单收多发尺度目标模拟器

基于电声原理的声学目标模拟器通过悬吊或拖曳方式，由多个收发换能器按一定尺度的线状或面状布放组成，换能器之间几何间距相对固定，能较好地模拟潜艇的多亮点结构回波。本文所分析的单收多发模拟器如图2所示，这是一种简单有效的模拟器结构形式，在国内外有广泛的应用。

图2 单收多发模拟器结构

图2中的模拟器由一个接收换能器、5个发射换能器组成。接收换能器用于接收鱼雷的自导探测信号作为回波样本数据，各个发射换能器将接收信号进行处理后发射，分别模拟潜艇的艇艏、舰桥、艇艉等部位。在工程实现中，为了保证模拟器的收发隔离度，接收换能器与发射换能器要保持一定的间距。

图2所示的模拟器一般有两种应用方式。一种是位置固定模拟器，模拟器是静止不动的，它所要模拟的多普勒频移需要由电子设备对接收信号进行处理后产生。另一种是自航式模拟器，它的多普勒效应模拟由模拟器的运动自然产生，电子设备不对接收信号进行处理。本文讨论的是后一种情况。

2.2 多普勒效应

模拟器用接收换能器收到的信号作为5个发射换能器的回波样本，经信号强度、时延等处理后，由发射换能器产生声回波，我们称它为亮点[3]。鱼雷所收到各亮点的回波频率为

对比潜艇回波多普勒计算公式(3)，可以看出单收多发模拟器与潜艇的回波多普勒差异主要是由于两者的入射角度不同造成的。

3 仿真及分析

3.1 一定距离方位下多普勒仿真

从表1的单收多发模拟器与真实潜艇各亮点回波频率差可看出，因为发射亮点5的位置与接收换能器位置最靠近，所以模拟的频移偏差最小，即发射换能器位置与接收换能器相距越远，导致的回波频移偏差越大。

表1 各亮点回波频率差

潜艇各部位的多普勒效应频率差是真实目标回波的重要特征[4]，表2根据表1仿真结果计算了相邻两亮点之间的频率差。表2中亮点1、2之间的频率差最大，亮点4、5之间的频率差最小，当鱼雷以一定角度攻击潜艇时，潜艇相对鱼雷攻角越大的部位反射波的多普勒频移越大。模拟器产生的各亮点之间多普勒频移差关系和真实潜艇一致，但由于单收多发模拟器只有一个接收换能器，它所产生的各亮点之间多普勒频移差比真实目标产生的要小。

表2 相邻亮点间频率差

从上述仿真结果，我们对单收多发模拟器的多普勒模拟有以下认识：

(1) 单收多发线列阵因接收位置与发射位置不是一一对应的，而多普勒效应的产生与声波入射、反射角度均有关，所以各亮点回波的多普勒频移与真实潜艇回波不同；

(2) 模拟器的发射换能器与接收换能器相距越远，它所产生的多普勒频移与真实情况偏差越大。如果模拟器的各个发射换能器回波样本的频率相同，那么其所产生的多普勒频移会比潜艇真实回波偏小；

(3) 在足够近的距离上，潜艇相对于鱼雷是体目标，潜艇不同部位产生的回波多普勒频移不同，单收多发模拟器所产生的回波多普勒频移量值、各亮点间多普勒频移差值均偏小，会与鱼雷测出的潜艇速度、方位等数据不相对应，成为鱼雷识别真假目标的依据。

3.2 同一方位不同距离多普勒差异规律

图3 一定攻击角时不同距离的多普勒频移偏差

图4 200~1 500 m局部放大图

通过图3、4，可以发现单收多发模拟器的多普勒模拟偏差随距离变化的一些规律：

(1) 在800 m以外，模拟器的多普勒效应与真实目标相差很小，距离越远，偏差越小；

(2) 200～800 m以内，模拟器多普勒效应按距离、角度的变化产生偏差；

3.3 一定距离不同方位多普勒差异规律

下面讨论鱼雷在一定距离、不同方位情况下，潜艇和单收多发模拟器各亮点回波的多普勒效应差异。通过上一节分析可知，当鱼雷与潜艇的间距小于潜艇长度时，因为入射角度与反射角度相差很大，单收多发模拟器的多普勒频移与真实潜艇回波相差很大；当两者间距较远时多普勒频移相差不大，下面分别对500、100 m两种情况进行仿真。

鱼雷与艇艏亮点距离500 m，其它仿真条件与上节相同，其多普勒频移偏差随角度变化情况如图5所示。当鱼雷攻击角接近90º时，模拟器的多普勒频移偏差最大，鱼雷攻击角越接近0º及180º，模拟器的多普勒频移偏差越小。而鱼雷攻击潜艇目标时一般采用正横攻击，即攻击角接近90º，此时模拟器产生的多普勒频移偏差是最明显的。

图5 距离为500 m时多普勒频移偏差随角度变化情况

鱼雷与艇艏亮点距离100 m时，多普勒频移偏差随角度变化情况如图6所示。与图5相同，鱼雷攻击角越接近0º及180º，模拟器的多普勒频移偏差越小，鱼雷攻击角越接近160º时多普勒模拟频移偏差最大。与图3仿真结果相同，鱼雷距目标距离小于目标长度时，单收多发模拟器的多普勒模拟频移与真实目标有上百Hz的差异。

图6 距离为100 m时多普勒频移偏差随角度变化情况

4 结束语

在水声对抗中，尺度目标模拟器需要不断提高对潜艇声学特性的模拟逼真度，而多普勒频移是潜艇声学回波的重要参数之一。本文从潜艇的多普勒频移计算方法入手，分析了一种单收多发模拟器所产生的多普勒信号与真实潜艇的差异。通过仿真，认识到单收多发模拟器依靠自然航速所产生的多普勒效应模拟与真实潜艇的反射回波存在一定差异，这个差异主要是由于单收多发模拟器的接收位置与发射位置不是一一对应造成的。模拟器产生的多普勒频移比真实目标的多普勒频移小，特别是在与潜艇长度相当的近距离，多普勒频移偏差更大，这些都会成为鱼雷识别真假目标的依据。

在目标模拟器的设计中，可以采用多种方法弥补不足，如可以采用电路处理的方法，使回波频率与鱼雷攻击方位相关，或者使接收、发射换能器足够接近以提高回波的多普勒模拟逼真度。

[1] 复旦大学《物理学》编写组. 物理学下册[M]. 北京: 人民教育出版社, 1980.The writing group of Fudan University "physics". Physics [M]. Beijing: People's Education Press, 1980.

[2] 周明, 初磊, 朱慧, 等.一种反潜声自导鱼雷目标尺度识别方法研究[J]. 弹箭与制导学报, 2008, 28(5): 237-240.ZHOU Míng, CHU Lei, ZHU Hui, et al. Study on target dimension recognition of anti-submarine homing torpedoes[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2008, 28(5): 237- 240.

[3] 石敏, 陈立纲, 蒋兴舟, 等. 具有亮点和方位延展特征的线列阵声诱饵研究[J]. 海军工程大学学报, 2005, 17(1): 58-62. SHI Min, CHEN Ligang, JIANG Xingzhou, et al. On linear array acoustic bait with light spot and azimuth-range extension feature [J]. Journal of Naval University of Engineering, 2005, 17(1): 58-62.

[4] 陈春玉. 尺度目标识别中的若干技术问题[J]. 鱼雷技术, 2003, 11(3): 9-13. CHEN Chunyu. Some technical matters in size target discrimination[J]. Torpedo Technology, 2003, 11(3): 9-13.

Doppler simulation analysis of ascale target simulator

ZHAO Jun-jie, CHEN Jian-qing

(Kunming Shipborne Equipment Research & Test Center, Kunming 650051, Yunnan, China)

In underwater acoustic warfare, the scale target simulator need to be continuously improvedin the simulation fidelity of submarine acoustic characteristics. Doppler frequency shift is one of the main parameters of submarine echo, which is an important basis for torpedo to identify true and false targets. Starting from the calculation method of Doppler frequency shift, through simulation, the Doppler frequency shift difference between the signal generated by the single receiving--multiple transmitting simulator, where the Doppler effect is due to the simulator’s own speed, and the real submarine echo signal is analyzed. The results show that the differences are mainly caused by the fact that the receiving position of the single receiving--multiple transmitting simulator can not be one to one corresponding to the transmitting position. The Doppler frequency shift of the simulator is less than that of the real submarine; especially the deviation increases significantly for the Doppler frequency driftat the distance close to the length of the submarine. In the design of the scale target simulator, the simulation fidelity of the Doppler acoustic characteristic of submarine can be improved by reducing the difference.

scale target simulation; Doppler frequency shift; submarine; torpedo

TB565

A

1000-3630(2017)-02-0128-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.02.006

2016-05-23;

2016-07-25

赵俊杰(1981－), 男, 山西朔州人, 硕士, 工程师, 研究方向为水声目标模拟信号处理技术。

赵俊杰, E-mail: helloswrd@126.com。