浅海水平线阵接收海底混响序列仿真

王升，陈长安，高守勇

浅海水平线阵接收海底混响序列仿真

王升，陈长安，高守勇

(中国人民解放军91388部队，广东湛江 524022)

混响序列仿真作为海上实验的替代手段，可为声呐设计及抗混响技术研究提供数据支撑。借助简正波理论研究海底散射声场，将海底散射场视为海洋传输网络形成的传递函数，在此基础上将海底散射微元按方位角均匀划分，依据阵元间的相位关系给出了水平线阵接收海底混响序列的仿真方法。以负梯度浅海环境为例进行了混响仿真，并对仿真序列的频谱特征、统计特征、空间相关特征进行了验证，结果表明该方法获得的混响序列特性与理论预测相符，可以为抗混响技术研究提供参考。

混响；散射；水平线阵；简正波；相关性

0 引言

浅海环境中，海底混响作为主动声呐的背景干扰，一直是声呐设计和信号处理的难点。混响信号获取是研究混响抑制方法的基础，海上实验可以获取到真实的混响信号，然而存在代价高、风险大的问题。作为替代手段，信号仿真可以在实验室环境下进行，既解决了海上实验受到的制约，又方便研究多种环境条件下的混响特征。

近年来，海洋混响仿真研究已经取得了很大进展。依据混响产生机理通常将混响分为双向传播过程和散射过程，一般情况下，海底混响在浅海混响中起支配作用，散射过程大多采用单元散射模型或点散射模型来描述，传播过程可以借助现有的声传播模型进行研究。对于浅海远程混响采用简正波理论研究比较适合[1-2]，既考虑了传播中的多途效应，又方便与界面散射特性结合起来，物理概念比较清晰。姚万军等[3]、郭熙业等[4]将简正波理论应用到混响序列的仿真建模之中，解决了海底散射信号传播损失的计算问题，由于忽略了声场的色散效应，适合于窄带低频条件下浅海混响序列的仿真。

为了抑制背景干扰和获得更多的信道特征，水声工程中经常采用阵列接收和波束形成技术，然而，目前的混响仿真模型大多基于单水听器或垂直线阵，或者侧重于研究混响的垂直相关特征，对于水平线阵混响序列的仿真方法描述甚少。当前，水平线阵已在主动拖曳声呐上逐渐得到应用，为了研究混响的水平空间特性和抑制方法，本文借助简正波理论，通过分析海底散射信号到水平线阵各阵元的时延，给出水平阵列混响序列的仿真方法，最后进行实例计算和验证。

1 海底混响仿真理论基础

单频点源条件下的海底稳态散射场是混响序列仿真的基础。依据“射线-简正波”类比理论[5]，简正波在海底附近可以分解为准平面波形式，结合海底散射特性得到简正波耦合矩阵，进而获得海底微元的散射声场。海底混响场计算的简正波方法示意图如图1所示。

本文采用单元散射模型来描述海底散射特性，认为海底由许多均匀分布的海底微元组成，海底微元的稳态散射场可以表示为[1,3-4]

式(1)～(4)表明：简正波在海底微元处产生耦合效应，假设在某环境条件下有号离散简正波，那么任意一号入射简正波都会产生号散射简正波。混响序列由不同简正波组合(,)(第号简正波入射，第号简正波散射)叠加而成。

式中：是散射微元的编号，表示对时间窗口内混响序列有贡献的散射微元总数。

2 水平阵列接收海底混响序列仿真

3 仿真算例及特征分析

3.1 混响序列仿真

式(9)中，海底散射系数满足，为随机相位，在区间均匀分布。

下面以典型负梯度浅海环境为例进行仿真，参数设置如图3所示，水平分层海洋环境，海底为沙石底质，粗糙度均匀且各向同性。声源为200 dB全向点源，深度50 m，发射线性调频(Linear Frequency Modulated, LFM)脉冲信号，中心频率为300 Hz，带宽为50 Hz，脉宽为0.5 s；均匀线阵为保证良好指向性，线阵阵元间距常取半波长，本文采用33元水平均匀线阵接收，阵元间隔为2.5 m，线阵中心与声源处于相同位置；考虑到计算效率，海底微元尺度设为5 m，对海底按2°进行划分，即=180，相应计算出每个扇形海底包含的海底微元数量=39 057；信号采样频率为2 400 Hz，仿真时间窗口为10 s。图4为仿真获得的水平线阵第9、17、25号阵元的混响序列。

(a) 第9号阵元

(b) 第17号阵元

(c) 第25号阵元 图4 水平阵列部分阵元接收的LFM混响序列 Fig.4 Reverberation sequence of LFM signal received by horizontal array

3.2 仿真序列统计特征

文献[6]阐述了混响信号的频谱、统计特征、自相关特征应满足以下规律：

(1) 不考虑声呐和散射体之间的相对运动时，混响信号应与源信号频谱相一致；

(2) 混响信号的瞬时幅值服从高斯分布，而包络幅值服从瑞利分布；

(3) 混响信号的时间相关半径与带宽成反比。

图5为3.1节中第17号阵元的混响序列与发射信号的频谱比较；图6、7分别为仿真序列的瞬时概率密度和包络概率密度，由于混响是非平稳随机过程，统计分析前要先做平稳化处理；图8为不同带宽的混响序列的自相关函数。可看出：仿真序列的相关半径与带宽呈反比，其自相关特征、频谱特征和统计特征都符合理论预测。

(a) 发射信号频谱

(b) 仿真序列频谱 图5 发射信号与仿真混响序列频谱比较 Fig.5 Spectrum comparison between transmitted signal and simulated reverberation sequence 图6 仿真混响序列的瞬时概率密度(均值μ=0，标准差σ=0.22) Fig.6 Instantaneous probability density of simulatedreverber- ation sequence (mean μ=0, standard deviation σ=0.22) 3.3 仿真序列的水平相关性 混响的空间相关性是衡量阵列增益的重要指标，对于抗混响设计有重要意义。文献[7]给出了海底混响的水平相关系数的计算公式： 我省应加强饲料的技术研发，开发利用当地的农副产品，加强技术推广，优化饲料配方，既有利于循环经济，又降低了饲料成本。我省有丰富的农业资源，如果积极挖掘平原地区的小麦、蔬菜等农产品和坝上地区的燕麦、土豆等饲草、饲料资源，就会弥补我省饲草总量的不足，降低饲草、饲料受国家政策、进出口贸易等因素的影响。同时，应建立与生猪、奶牛、肉牛和肉羊养殖规模相适应的饲料加工企业，满足本地饲料市场需求，降低饲料购买流通成本，提高养殖效益。 (10) 式中：l为水平线阵上两个水听器间距，λ为波长，为水听器的水平指向性开角，本文仿真中采用全向水听器，。 图7 仿真混响序列的包络概率密度(标准差σ=0.18) Fig.7 Envelope probability density of simulatedreverberation sequence (standard deviation σ=0.18) (a) 20 Hz带宽 (b) 50 Hz带宽 图8 仿真混响序列的自相关函数 Fig.8 Temporal auto-correlative coefficient of simulated reverberation sequence 对混响仿真序列的空间相关性进行验证，环境参数同3.1节，发射两个频率的LFM信号，中心频率分别为200 Hz和300 Hz，带宽为50 Hz；采用水平均匀线阵接收，阵元间距为半波长，中心频率为200 Hz时的阵元数为23，中心频率为300 Hz时的阵元数为33。图9为线阵中心阵元与其它阵元的水平相关系数。从图9中可以看出：仿真结果与理论预测基本一致，相关系数随两个水听器的水平距离增大而迅速减小，呈现或正或负的震荡现象。 本次研究的传统村落名录及相关资料主要来源于我国公布的四批国家级传统村落名录和广东省公布的五批“广东省古村落”名录，部分市级传统村落通过实地走访和电话访谈文物局等相关部门，并结合百度数据甄别获取。各市GDP数据来源于中国统计信息网(http：//www.tjcn.org/)，各市市域面积源自广东地名网(http：//www.xzqh.org.cn/)，地理坐标借助百度地图进行标定，利用ArcGIS对研究区地图进行矢量，通过数据表链接得到西江流域广东段传统村落类型、等级、密度、冷热点等图表，构建“西江流域广东段传统村落数据库”。 (a) LFM信号(中心频率200 Hz，带宽50 Hz) (b) LFM信号(中心频率300 Hz，带宽50 Hz) 图9 仿真和理论预测的线阵中心阵元与其它阵元的水平相关系数 Fig.9 The simulated and theoretically predicted horizontal correlation coefficients between central array element and other array elements: (a) the central frequency of LMF signal is 200 Hz, (b) the central frequency of LMF signal is 300 Hz, and the band-width is all 50 Hz 4 结束语 本文借助射线简正波类比方法，对收发合置方式水平阵列接收混响序列的仿真方法进行了探讨。文中对负梯度声速条件下的混响序列进行了仿真及特征分析，结果表明，该仿真方法是合理的。通过分析海底混响的水平相关性，认为浅海混响的水平相关性随水听器间的水平距离增大而迅速减小。值得指出的是，本文仿真是对实际工程应用情况的简化，没有考虑拖曳线阵姿态变化和平台运动的影响，仿真方法是以简正波理论为基础，适用于浅海远程低频混响序列的计算，可以为远程海底混响的空间特征分析及抑制方法研究提供参考。 参考文献 [1] ELLIS D D. A shallow-water normal-mode reverberation model[J]. J. Acoust. Soc. Am., 1995, 97(2): 2804-2814. [2] ZHOU J X, ZHANG X Z, ROGERS P H. Reverberation vertical coherence and sea-bottom geoacoustic inversion in shallow water [J]. IEEE J Oceanic Eng, 2004, 29(4): 988-999. [3] 姚万军, 蔡志明. 基于简正波的浅海混响序列仿真[J]. 声学技术, 2009, 28(1): 25-28. YAO Wanjun, CAI Zhiming. Simulation of reverberation sequence in shallow-water based on normal-mode theory[J]. Technical Acoustics, 2009, 28(1): 25-28. [4] 郭熙业, 苏绍璟, 王跃科. 海底混响统计建模与仿真方法研究[J]. 兵工学报, 2009, 30(7): 940-944. GUO Xiye, SU Shaojing, WANG Yueke. Research on the statistical modeling and simulation method for seafloor reverberation[J]. Acta Armamentarii, 2009, 30(7): 940-944. [5] 汪德昭, 尚尔昌. 水声学[M]. 北京: 科学出版社, 1981: 105-111. WANG Dezhao, SHANG Erchang. Underwater acoustics[M]. Beijing: Science Press, 1981: 105-111. [6] 奥里雪夫斯基B B. 海洋混响的统计特性[M]. 罗耀杰等译. 北京: 科学出版社, 1977: 67-163. OLSHEVSKII B B. Statistical characters of the ocean reverberation[M]. LUO Yaojie, translate. Beijing: Science Press, 1977: 67-163. [7] 朱艳, 陈刚, 鲁辛凯. 水平分置海底混响信号的空间相关特性研究[J]. 舰船科学技术, 2009, 31(5): 56-59. ZHU Yan, CHEN Gang, LU Xinkai. Research on space correlation characteristic of horizontal bistatic seafloor reverberation signals[J]. Ship Science and Technology, 2009, 31(5): 56-59. received by horizontal array in shallow water WANG Sheng, CHEN Chang-an, GAO Shou-yong (No.91388 Unit of PLA, Zhanjiang 524022, Guangdong, China) Abstract:As an alternative means of experiments at sea, reverberation signal simulation supports the studies on sonar design and anti-reverberation techniques. In this paper, scattering acoustic field of seabed in shallow water is studied by means of normal-mode method, which is treated as a transfer function formed by ocean transmission network. On this basis, scattering region is divided into many cells according to azimuth angles, and the phase differences between seabed cells are taken into account. Then, a simulation method of reverberation sequence receivedby horizontal array is put forward. Finally, the method is illustrated in the case of shallow water with negative gradient and the results show that the spectrum characteristics, statistical characteristics and spatial correlation characteristics of simulation signals are in accordance with theoretical predictions, which are useful for the research on anti-reverberation techniques. Key words: reverberation; scattering; horizontal array; normal-mode; relevant characteristics 中图分类号：TB56 文献标识码：A 文章编号：1000-3630(2019)-04-0382-05 DOI编码：10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.04.004 收稿日期: 2018-08-03; 修回日期: 2018-09-18 作者简介: 王升(1978－), 男, 山东安丘人, 硕士, 工程师, 研究方向为水下目标特性测量。 通讯作者: 王升, E-mail: comwsh@sina.com