线列阵声诱饵模拟尺度目标回波方位特性*

张 仪 李 华

（91388部队 湛江 524022）

1 引言

目标回波的特征提取及识别是现代鱼雷声自导关键技术之一，通常智能鱼雷在攻击和反水声对抗过程中使用目标回波特征进行真假目标识别。其中目标回波的空间特征是真实目标区别于干扰目标的主要特征［1］，尤其对于尺度目标的回波方位在一定舷角阵位上将呈现出延展特性（即方位“走向”），这为鱼雷区分点源干扰和真实目标提供了一个有效的识别方法，也是声诱饵模拟舰艇目标声反射特性的关键技术之一。相比点源式声诱饵，线列阵声诱饵采用多个声基元，通过多子阵之间诱骗信号的时延，可有效模拟尺度目标亮点和方位延展特征。对于传统的基于鱼雷距离和方位信息的诱骗信号时延模型［2～3］，由于鱼雷实际距离信息难于精确获取，采用估算的距离对模拟回波信号的准确度影响较大。另外，鱼雷在攻击过程中航速高、距离变化快，在对抗过程中无法持续准确估算鱼雷距离。

本文采用逆向思维方式，基于鱼雷识别目标特性的基本机理［4～6］，从目标回波的空间域特征出发，采用分裂波束双通道短时互谱方位提取方法，研究了线列阵声诱饵模拟尺度目标回波方位的延展特性和起伏特性，通过仿真验证了线列阵声诱饵可以有效模拟尺度目标的方位特征。

2 基于分裂波束双通道短时互谱算法的目标方位提取方法

互谱法在阵列信号处理中对提高方位估计的分辨力和估计精度均有重要意义，主要用于分裂波束系统的精确方位估计，尤其是主动声纳中的窄带信号处理［7～10］。

如图1所示，假设分裂阵中两子阵接收到的信号分别为e1(t)和e2(t)，且e2(t)=e1(t-τ)，其中，为两子阵相对时延。显而易见，目标方位信息θ存在于τ中，而τ的信息则存在于e1(t)和e2(t)的互功率谱中［6］。

图1 分裂阵示意图

如果e1(t)和e2(t)的功率谱分别为E1(f)和E2(f)，则：

则E1(f)和E2(f)的互谱Z(f)为：

则τ与互谱Z(f)的相角φ关系为

进一步可得方位θ的信息

在线列阵声诱饵中，目标信号输入为离散时间序列，采用FFT 算法计算两路信号的互功率谱，估计信号时延并求出目标方位［9］。将目标回波e1(t)和e2(t)采样后得到离散采样时间序列，将离散时间序列分为L段，每段数据长度为M，对每段进行FFT变换：

其互谱为

则第k条线谱对应的相角φk为

进一步可得其对应方位为

3 线列阵声诱饵模拟目标尺度回波方位特性分析

目标回波一般可看作若干个等效散射中心（亮点）反射的回波叠加而成，线列阵声诱饵通过多个水声换能器形成线列阵，采用对各阵元发射回波进行延迟叠加和时间延展从而模拟形成虚拟阵元位置，以增加声诱饵的虚拟长度［10～13］，其示意图如图2所示。对鱼雷接收到的多亮点应答叠加信号而言，在采用分裂波束双通道短时互谱方位提取得到的目标方位是一个合成的等效方位。

图2 线列阵声诱饵N亮点回波示意图

假设发射信号为CW 脉冲信号，其为s(t)，则可得到两个通道的回波信号e1(t)和e2(t)：

其中ai表示各反射点反射强度，τi表示各反射点延迟时间，φi表示两通道之间各反射点相位差。

根据文献［14～15］可知，当第k 个子回波开始对总回波贡献时，则等效二子阵鉴向下的等效视在相位Φk可由下式计算得出：

由矢量合成原理可知Φ1≤Φ2≤Φ3≤…≤ΦN，据此可得，当等效视在方位θk在0°～90°区间时，θ1≤θ2≤θ3≤…≤θN。

理论上，由于θ1和θN是线列阵声诱饵第1 个和第N个阵元发射的回波前后沿方位，因此理论上在一定阵位时，其值代表了线列阵声诱饵真实的空间方位角，而θk(1 ＜k＜N)的空间等效方位则与其真实方位存在偏差，但线列阵声诱饵尺度张角信息仍然存在，这是线列阵声诱饵模拟目标尺度的一个重要不变特征，是对抗具有尺度识别能力鱼雷的重要基础。

采用不同拟合方法计算的目标方位误差不完全系统同，其方位（相位）的误差：

Δθ=θk-θfit(k)

其中θk(1≤k≤N)为等效鉴向方位，θfit(k)为以θ1～θN进行拟合后，在与θk同时刻的拟合方位，Δθ为方位误差。

4 仿真分析

仿真时选取CW 信号，中心频率25kHz，脉冲宽度100ms；线列阵声诱饵几何长度60m，亮点数12 个；鱼雷分裂波束双通道接收系统和线列阵声诱饵声中心的距离为500m，分别对舷角0°、30°和60°进行仿真，其模拟尺度目标的方位走向和方位起伏结果见图3～5所示。

图3 舷角0°时方位走向与方位起伏

图5 舷角60°时方位走向图与方位起伏统计图

由仿真结果可知，当鱼雷位线列阵声诱饵一定舷角时，线列阵声诱饵可有效模拟出目标的尺度张角信息，具有方位延展特性和起伏特性，模拟的目标回波方位将呈现一定的方位走向，方位起伏分布较均匀且集中在大于1°范围内。当鱼雷处于线列阵声诱饵艏艉方向时，线列阵声诱饵相当于点源目标，不具有方位延展特性且方位起伏分布均在小于1°范围内，模拟的目标回波方位无方位走向。

5 结语

本文基于鱼雷常用的目标识别方法，分析了线列阵声诱饵模拟目标尺度回波方位特性中应具备的延展性和方位起伏性，通过仿真验证了线列阵声诱饵可以有效模拟尺度目标的方位特征，为对抗采用方位走向和方位起伏进行目标识别的鱼雷提供了一种有效的方法。