聲誘餌對尺度目標的回波模擬方法

孟荻，袁延藝，劉平香

聲誘餌對尺度目標的回波模擬方法

孟荻1，袁延藝1，劉平香2

(1. 海軍裝備研究院，北京100161；2. 上海船舶電子設備研究所，上海 201108)

潛艇回波可以等效成若干個散射亮點回波相干迭加的結果，現代聲自導魚雷基于這一物理事實，通過辨識目標尺度來識別真假目標。提出使用具備數據通信能力的多個點源聲誘餌，通過信息交互實現各聲誘餌回波發(fā)射延時的有序控制，實現對尺度目標的多亮點回波模擬。具體仿真算例表明，該方法對利用方位走向特征和聲成像進行目標尺度識別的魚雷具有對抗效果。

聲誘餌；時延；尺度亮點

0 引言

潛艇的回波是由艇體和艇外裝置對外部聲信號的反射而形成的。由于潛艇外形和結構的復雜性以及制造材料的差異，潛艇對不同方位聲信號的反射表現出復雜的聲散射特性。聲反射回波包括多種成分, 如鏡反射波、棱角波及彈性散射波等。這些回波實際上是由艇體外形結構形成的隨機散射體和少數幾個強鏡向反射體形成的復合反射波，均可等效成某些散射中心即亮點的回波，實際潛艇可以等效成若干個散射亮點的組合，總的回波是這些亮點回波相干迭加的結果[1]。

基于這一物理事實，現代聲自導魚雷大都具備目標尺度識別能力，可以用來識別真假目標，對抗一般的點源聲誘餌。

聲自導魚雷識別能力的提高對水聲對抗器材提出了新的要求，人們提出了從不同空間方位的點源延時重發(fā)魚雷尋的脈沖的方式進行尺度目標亮點模擬的方法[2,3]。文獻[2]中，采用中性浮力纜繩將幾個無指向性、靈敏度可調的基元構成的線列陣懸浮在一定水深之中，依靠各個基元檢測魚雷發(fā)射聲脈沖，提取出聲脈沖的包絡寬度和載頻頻率，經多普勒設置后延時發(fā)射，達到模擬潛艇多亮點回波的目的。

本文提出通過對傳統(tǒng)點源聲誘餌增加數據通信的功能，用多個具備通信能力的聲誘餌構成一個離散隨機陣，進行尺度目標多亮點回波模擬的構想。由于多個誘餌的散布特性，模擬的尺度目標在水平空間各個方向都有一定尺度，可以通過延時控制模擬的尺度大小和方位走向。

1 尺度目標多亮點回波模型

理論分析和實驗研究都證明，在高頻時，復雜目標的回波都是由多個子回波迭加而成的，每個子回波可以看作是從某個散射點發(fā)出的波。任何一個復雜目標都可以等效成若干個散射亮點的組合，每個散射亮點產生一個亮點回波，總的回波是這些亮點回波相干迭加的結果，可以表示為[4]

按照上述尺度目標多亮點回波模型公式，假設在自導接收陣前方500 m處有一尺度目標，該目標物理尺度長為200 m，按照等間隔產生10個亮點，用來仿真該目標對入射聲波的回波，如圖1左所示。

對目標產生的回波進行聲成像處理，可以得到如圖1右所示的目標圖像，從圖1中可以估算出目標的長度約是200 m，且目標走向與仿真設置態(tài)勢基本一致。該仿真結果表明采用多亮點回波模擬是可以滿足應用要求的。

2 聲誘餌實現尺度目標回波模擬

2.1 基本方法

圖2為聲誘餌實現尺度目標多亮點回波示意圖，利用空間位置隨機分布、具有通信能力的多個聲誘餌，通過各誘餌間的通信和對發(fā)射回波時序的精確控制實現尺度目標多亮點回波模擬。為了達到精確延時的要求，需要對隨機分布的聲誘餌位置和來襲魚雷位置及航向進行精確測量。

在獲取了誘餌和魚雷位置、航向等信息后，通過適當延時可以在魚雷航向垂直方向形成一個具有一定方位走向的虛擬尺度目標(圖2虛線所示)。該虛擬尺度目標的最大長度由聲誘餌位置坐標在魚雷航向垂線上的投影距離相差最大的器材(圖2中的1＃和6＃誘餌)控制，虛擬的尺度目標亮點分布在這兩個誘餌(圖2中的1＃和6＃誘餌)的連線上。為了模擬虛擬亮點的發(fā)射時序，圖2中各誘餌需要進行相應的延時后再發(fā)射回波，延時的大小由各誘餌到對應虛擬亮點的距離決定。

圖3是20個聲誘餌隨機分布的態(tài)勢，假設這些聲誘餌具備邊收邊發(fā)能力，收到魚雷自導信號后立即轉發(fā)，對產生的回波信號進行聲成像處理，結果如圖4所示，可看到符合圖3態(tài)勢的散亂回波亮點，這樣的回波無法誘騙具有尺度識別能力的魚雷。

若對每個誘餌轉發(fā)自導信號的時間進行相應的延時，則回波信號處理結果如圖5所示，從圖5中可以看到魚雷前方曾一字型分布的若干亮點，有明顯的尺度目標特征。

圖4、5對比表明，利用離散分布的多個聲誘餌通過信息交互進行有序控制發(fā)射回波延時實現尺度目標多亮點回波模擬是可行的，可以形成具有明顯方位走向特征的虛擬尺度目標，可以用來對抗具有尺度識別能力的聲自導魚雷。

2.2 仿真算例

下面通過一個仿真例子說明利用離散分布的多個聲誘餌進行尺度目標回波模擬的具體性能。

假設魚雷發(fā)射的自導信號是頻率為18~22 kHz、脈沖寬度為10 ms的LFM信號，魚雷自導頭距離離散分布的多個聲誘餌中心處500 m，魚雷向正方向航行(圖6)。單個聲誘餌布放散布誤差為75 m，利用10個散布的聲誘餌形成的虛擬尺度目標長度為106.88 m。仿真態(tài)勢如圖6所示。具體仿真參數設置如表1所示。

表1 模擬尺度目標仿真參數設置

圖7是魚雷自導接收機波束輸出最大方向的回波信號，可以看到回波明顯展寬，符合多亮點回波時域展寬的特點。對圖7所示回波進行亮點分離，結果如圖8所示，可以明顯看到有10個亮點回波，與虛擬的亮點個數一致。

圖9是對回波進行方位、距離成像的結果，明顯體現出魚雷前方約-10°~10°方位的一個尺度目標。

根據圖10所示的幾何關系，目標的尺度可以由余弦公式(2)確定。

對目標尺度估計的精度由觀測點到延展體目標兩端的距離1、2和視向開角決定。參數1、2和可以通過主動聲吶系統(tǒng)對尺度目標的多亮點回波進行參數估計獲得。

按照公式(2)，由圖9可以計算目標的尺度為102.73 m，與虛擬的尺度目標長度106.88 m相當接近。

圖9的回波成像結果表明，模擬的尺度目標多亮點回波甚至可以用于對抗聲成像自導魚雷。

利用尺度目標多亮點回波信號的方位走向進行尺度識別是一種較為常用的方法[5,6]。圖11是對仿真產生的虛擬尺度目標多亮點回波進行方位走向識別的結果，與虛擬的尺度目標實際走向基本一致(圖12)，也符合圖6中虛擬尺度目標的態(tài)勢，由此表明，仿真模擬的尺度目標多亮點回波模型是符合實際情況的。

3 結論

仿真結果表明，利用離散的多個聲誘餌進行尺度目標回波模擬是可行的，可以對抗利用方位走向和聲成像進行目標尺度識別的魚雷。

需要說明的是，在利用離散的多個聲誘餌進行尺度目標回波模擬時，需要精確控制各誘餌的發(fā)射時延，因此對聲誘餌位置和魚雷位置等信息的精確測量是該方法在實際工程應用前首先要解決的問題，也是該方法成功實施的關鍵技術，需要進一步研究解決。

[1] 湯渭霖.聲吶目標回波的亮點模型[J].聲學學報,1994,19(2):92-100.

TANG Weilin. Highlight model of echoes from sonar target[J]. Acta Acustica, 1994, 19(2): 92-100.

[2] 石敏, 陳立綱, 蔣興舟, 等. 具有亮點和方位延展特征的線列陣聲誘餌研究[J]. 海軍工程大學學報, 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.

[3] 崔懷林, 楊云川, 李志舜.水下體目標回波空間方位特性仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學報,2006,18(6):1692-1695.

CUI Huailin, YANG Yunchuan, LI Zhishun. Research on spatial bearing characteristics simulation method of underwater target echo based on circular arc array[J]. Journal of System Simulation, 2006, 18(6): 1692-1695.

[4] 周德善. 魚雷自導技術[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2009, 263.

ZHOU Deshan. Torpedo homing technology[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2009, 263.

[5] 王明洲,黃曉文,郝重陽.基于聲學亮點特征的水下目標回波模型[J].系統(tǒng)仿真學報, 2003,15(1):21-25.

WANG Mingzhou, HUANG Xiaowen, HAO Chongyang. Model of an underwater target based on target echo highlight structure[J]. Journal of System Simulation, 2003, 15(1): 21-25.

[6] 馬國強, 徐德民, 王新曉.基于目標方位走向的水下目標尺度識別技術仿真研究[J].艦船科學技術,2004,26(3):39-42.

MA Guoqiang, XU Demin, WANG Xinxiao. A study of simulation for underwater target scale identification with the technique of target azimuth tendency[J]. Ship Science and Technology, 2004,26(3):39-42.

Decoys simulating scale highlights

MENG Di1,YUAN Yan-yi1,LIU Ping-xiang2

(1. Navy Academy of Armament, Beijing 100161, China; 2. Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai 201108, China)

The structural highlight echo returned from a submarine is a very remarkable feature for a torpedo on attacking to identify true target. Developing assembled decoys which are distributed randomly in space but coordinated by underwater communication is valuable for imitating the structural highlight spots of echo sound in order to counteract the torpedo. The approaches of coordinated schemes, such as delays between spots in term of arrivals of the torpedo, is proposed and verified feasible by mathematical simulation.

decoy; time delay; structural highlight

TB556

A

1000-3630(2015)-03-0275-04

10.3969/j.issn1000-3630.2015.03.017

2015-01-08;

2015-06-05

孟荻(1976－), 女, 安徽六安人, 工程師, 博士研究生, 研究方向為水聲工程。

孟荻, E-mail: meggielinq@163.com