復(fù)雜水聲環(huán)境下多目標(biāo)回波合成技術(shù)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

復(fù)雜水聲環(huán)境下多目標(biāo)回波合成技術(shù)

馬軍1，王鵬2，孫強(qiáng)2

(1. 92815部隊(duì),浙江 寧波315718； 2.海軍工程大學(xué) 兵器工程系,武漢430033)

摘要：魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)仿真的核心之一是復(fù)雜水聲環(huán)境下多目標(biāo)回波合成技術(shù)的精細(xì)化建模，在介紹復(fù)雜水聲環(huán)境概念和基本點(diǎn)目標(biāo)回波模型基礎(chǔ)上，對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)、點(diǎn)目標(biāo)與體目標(biāo)不同組合條件下的多目標(biāo)信號(hào)合成技術(shù)進(jìn)行了深入研究，建立了相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，給出了典型條件下的仿真計(jì)算結(jié)果，可供復(fù)雜水聲環(huán)境下的魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)仿真參考。

關(guān)鍵詞：魚雷；水聲環(huán)境；目標(biāo)特性；仿真系統(tǒng)

收稿日期：2014-09-20

作者簡(jiǎn)介：馬軍(1970—)，男，高級(jí)工程師，主要從事魚雷總體技術(shù)研究；王鵬(1978—)，男，講師，主要從事魚雷總體、作戰(zhàn)使用研究；孫強(qiáng)(1982—)，男，講師，主要從事武器系統(tǒng)與運(yùn)用工程研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.02.003

中圖分類號(hào)：TJ63

文章編號(hào)：1006-0707(2015)02-0007-05

本文引用格式：馬軍，王鵬，孫強(qiáng).復(fù)雜水聲環(huán)境下多目標(biāo)回波合成技術(shù)[J].四川兵工學(xué)報(bào)，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

作為現(xiàn)代海戰(zhàn)的主要武器之一，自導(dǎo)魚雷以其獨(dú)特的隱蔽性和強(qiáng)大的突防能力，正越來(lái)越受到各國(guó)海軍的重視。隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代魚雷在動(dòng)力、自導(dǎo)探測(cè)等性能及智能化水平上都有了質(zhì)的突破。與此同時(shí)，魚雷的研制、試驗(yàn)難度和周期都大幅增加，這就迫切需要一個(gè)能夠模擬真實(shí)海洋環(huán)境、目標(biāo)特性等的仿真環(huán)境，以便通過仿真試驗(yàn)彌補(bǔ)外場(chǎng)試驗(yàn)的不足。

由于海水介質(zhì)的特殊性質(zhì)，魚雷等水下制導(dǎo)武器探測(cè)目標(biāo)、導(dǎo)引攻擊、水下通訊等目前都只能利用聲信號(hào)。所以，開展海水介質(zhì)中聲傳播特性、水下目標(biāo)的聲反射、噪聲輻射特性、多目標(biāo)信號(hào)合成等研究是研制高性能水下制導(dǎo)武器的基礎(chǔ)，同時(shí)也是建設(shè)復(fù)雜水聲環(huán)境下魚雷仿真系統(tǒng)的核心技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)不少研究機(jī)構(gòu)開展了水聲環(huán)境、目標(biāo)特性等研究，也建立部分?jǐn)?shù)學(xué)模型，但許多模型不能夠反映真實(shí)海洋環(huán)境中水聲信號(hào)傳播特性和水下目標(biāo)的水聲反射和輻射特性。結(jié)合“十一五”預(yù)研項(xiàng)目研究成果，介紹復(fù)雜水聲環(huán)境下多目標(biāo)回波信號(hào)合成技術(shù)，建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，給出仿真計(jì)算結(jié)果，可以為建設(shè)復(fù)雜水聲環(huán)境下水聲制導(dǎo)仿真系統(tǒng)提供參考。

1復(fù)雜水聲環(huán)境概念

海洋環(huán)境的模擬主要包括海域環(huán)境、海水溫度、溫度梯度、鹽度、海流、海浪、風(fēng)速、風(fēng)向以及海洋噪聲、混響等。這些環(huán)境因素不是孤立存在的，而是相互制約、相互影響，成為一個(gè)有機(jī)的統(tǒng)一體，即形成一個(gè)復(fù)雜水聲環(huán)境，這只有通過大量的海上水文測(cè)量，深入研究?jī)?nèi)在規(guī)律，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型并加以驗(yàn)證和不斷修正，才能使聲學(xué)環(huán)境的建立更接近實(shí)際[1,2]。

根據(jù)我國(guó)周邊海洋環(huán)境的特點(diǎn)及海軍戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)的要求，淺水域?qū)⑹呛＼娢磥?lái)作戰(zhàn)海域的重點(diǎn)海域之一。因此，戰(zhàn)場(chǎng)水聲環(huán)境主要具有聲傳播介質(zhì)不均勻和以混響為主要干擾的特點(diǎn)。對(duì)于不均勻的聲傳播介質(zhì)，可以利用聲傳播異常的方法，在繪制聲線軌跡的基礎(chǔ)上研究介質(zhì)中的水聲傳播現(xiàn)象(如計(jì)算傳播損失)[3,4]；對(duì)于混響，由于其產(chǎn)生過程是隨時(shí)間、空間變化而變化的有色隨機(jī)過程，所以可以采用混響復(fù)功率譜的方法進(jìn)行研究[3]。而對(duì)于復(fù)雜水聲環(huán)境下的水聲對(duì)抗仿真，則需要建立目標(biāo)的回波信號(hào)模型以及考慮多目標(biāo)信號(hào)合成問題。

2點(diǎn)目標(biāo)及體目標(biāo)模型

在主動(dòng)自導(dǎo)的檢測(cè)和參數(shù)估計(jì)的討論中通常應(yīng)用慢起伏點(diǎn)目標(biāo)的模型。所謂“點(diǎn)”目標(biāo)，通常是指目標(biāo)在遠(yuǎn)場(chǎng)，目標(biāo)尺度可以忽略，視目標(biāo)為一個(gè)幾何點(diǎn)的情況[5]。簡(jiǎn)單點(diǎn)目標(biāo)回波示意圖如圖1所示。

圖1　簡(jiǎn)單點(diǎn)目標(biāo)回波

其窄帶回波信號(hào)為

(1)

式中：ωd稱為多普勒頻移因子；τ稱為時(shí)間平移因子。若假設(shè)c為聲速，v為目標(biāo)徑向速度，R0為初始距離，ωc為信號(hào)中心頻率，則有

(2)

對(duì)魚雷來(lái)說，當(dāng)它追蹤目標(biāo)到距離目標(biāo)較近時(shí)，魚雷工作在目標(biāo)的近場(chǎng)區(qū)，此時(shí)目標(biāo)已不能看作是點(diǎn)目標(biāo)，而必須當(dāng)作尺度目標(biāo)(體目標(biāo))來(lái)分析。目前，對(duì)體目標(biāo)建模主要有板塊元法、多亮點(diǎn)模型法和基于倒譜的目標(biāo)建模法等幾種，其主要思路是基于上面的點(diǎn)目標(biāo)模型進(jìn)行細(xì)分建模后合成得到。

3多目標(biāo)信號(hào)合成方法

目前聲納和水聲領(lǐng)域內(nèi)有關(guān)多目標(biāo)信號(hào)回波合成方法的研究成果主要是限于遠(yuǎn)場(chǎng)多個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的情況。

考慮多目標(biāo)信號(hào)合成及復(fù)雜水聲環(huán)境下多目標(biāo)信號(hào)接收特性問題，由于目標(biāo)所處的距離不同其回波特性不同，不能都視為點(diǎn)目標(biāo)，應(yīng)視目標(biāo)與自導(dǎo)裝置距離的遠(yuǎn)近，把目標(biāo)分為點(diǎn)目標(biāo)和體目標(biāo)區(qū)別處理。其中點(diǎn)目標(biāo)采用慢起伏點(diǎn)目標(biāo)模型，體目標(biāo)采用亮點(diǎn)體目標(biāo)模型。這樣由于有多種干擾和多種不同性質(zhì)的目標(biāo)同時(shí)存在，其信號(hào)的疊加方式必然不同，特別是距離不同，信號(hào)合成效果也不同[6]。遠(yuǎn)場(chǎng)的點(diǎn)目標(biāo)由于相互之間距離不同、反射特性不同、速度不同，因此其相干性不強(qiáng)，所以多點(diǎn)目標(biāo)回波信號(hào)的合成應(yīng)采用線性疊加的方法。近場(chǎng)的多個(gè)體目標(biāo)由于相互之間距離較近，因此其各自亮點(diǎn)的回波在時(shí)域上容易產(chǎn)生重疊，距離較近還會(huì)導(dǎo)致各自亮點(diǎn)的回波在頻域上相互干涉，所以多個(gè)體目標(biāo)回波信號(hào)的合成應(yīng)采用相干疊加的方法。另外在具體建模時(shí)，還要考慮多目標(biāo)相互遮掩問題。下面主要討論遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)不同目標(biāo)組合的回波信號(hào)合成問題，遮掩問題與多目標(biāo)之間的幾何位置關(guān)系有關(guān)，在此不做討論。

3.1遠(yuǎn)場(chǎng)多點(diǎn)目標(biāo)共存 [7]

假設(shè)魚雷工作在主動(dòng)自導(dǎo)的模式下，在其自導(dǎo)作用距離范圍內(nèi)，有3個(gè)點(diǎn)目標(biāo)，如圖2所示。

圖2　點(diǎn)目標(biāo)分布

(3)

同時(shí)，知道了各目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于自導(dǎo)裝置的距離和徑向速度，就可以應(yīng)用慢起伏點(diǎn)目標(biāo)的模型建立回波信號(hào)模型如下：

設(shè)發(fā)射信號(hào)f(t)為矩形包絡(luò)的單頻脈沖CW信號(hào)(其他形式信號(hào)的處理方法相同)，中心頻率為f0，帶寬為BW，脈沖寬度為T，即

(4)

設(shè)信號(hào)的中心角頻率(載頻)為ω0=2πf0，則有各目標(biāo)點(diǎn)的多普勒頻移為

(5)

則有各目標(biāo)點(diǎn)的窄帶回波信號(hào)形式為

(6)

求得各目標(biāo)點(diǎn)的回波信號(hào)si(t)后，再通過不同時(shí)間延遲的計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊得到疊加后的多目標(biāo)回波信號(hào)

(7)

最后將回波信號(hào)與噪聲信號(hào)和混響信號(hào)一起疊加，即可得到假設(shè)背景下遠(yuǎn)場(chǎng)多點(diǎn)目標(biāo)的自導(dǎo)回波。

假設(shè)圖2所示3個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的具體坐標(biāo)如下：

A點(diǎn)：(R1，θ1)=(-30°，900 m)，v1=16 kn；

B點(diǎn)：(R2，θ2)=(20°，750 m)，v2=4 kn；

C點(diǎn)：(R3，θ3)=(30°，800 m)，v3=10 kn；

發(fā)射信號(hào)的頻率為30 kHz，帶寬為50 Hz，脈沖寬度為25 ms，其計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果如圖3所示。由于脈沖寬度選擇較窄，而且目標(biāo)之間距離相對(duì)較遠(yuǎn)，所以圖3中可以明顯地辨別出3個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的回波，可通過其各自的回波時(shí)延推算出各目標(biāo)點(diǎn)到原點(diǎn)的距離與假設(shè)相吻合。

3.2近場(chǎng)多個(gè)體目標(biāo)共存 [8]

仍假設(shè)魚雷工作在主動(dòng)自導(dǎo)的模式下，在其自導(dǎo)作用距離范圍內(nèi)有2個(gè)體目標(biāo)，如圖4所示。

圖3　多點(diǎn)目標(biāo)回波信號(hào)

圖4　體目標(biāo)分布

以目標(biāo)自導(dǎo)裝置的聲學(xué)中心為原點(diǎn)，魚雷的雷體中軸線為縱坐標(biāo)，建立直角坐標(biāo)系xoy。分別以各自體目標(biāo)的中心為原點(diǎn)，建立如圖所示的目標(biāo)體子坐標(biāo)系x′o′y′和x″o″y″，且子坐標(biāo)系x′o′y′和x″o″y″相對(duì)坐標(biāo)系xoy的轉(zhuǎn)角分別為α1、α2。

(8)

(9)

根據(jù)坐標(biāo)變換的原理求出體目標(biāo)中各亮點(diǎn)在xoy坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為

(10)

或者

(11)

因此各亮點(diǎn)相對(duì)xoy坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離為：

(12)

(13)

且各亮點(diǎn)相對(duì)xoy坐標(biāo)系的速度為：

(14)

(15)

(16)

(17)

知道了各亮點(diǎn)相對(duì)于xoy坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離和徑向速度，就可以根據(jù)相對(duì)位置關(guān)系，按式(4)～式(6)點(diǎn)目標(biāo)模型建立回波信號(hào)模型了。各目標(biāo)點(diǎn)的窄帶回波信號(hào)形式為：

(18)

(19)

求得各目標(biāo)點(diǎn)的回波信號(hào)后，再通過不同時(shí)間延遲的計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊得到疊加后的多目標(biāo)回波信號(hào)

(20)

最后將回波信號(hào)與噪聲信號(hào)和混響信號(hào)一起疊加，即可得到假設(shè)背景下近場(chǎng)多個(gè)體目標(biāo)的自導(dǎo)回波信號(hào)。

假設(shè)體目標(biāo)1的中心點(diǎn)o′：(R1，θ1)=(-30°，300m)，v1=16kn， ω1=0.5rad/s；體目標(biāo)2的中心點(diǎn)o″：(R2，θ2)=(10°，350m)，v2=4kn，ω2=-0.2rad/s；發(fā)射信號(hào)的頻率為30kHz，帶寬為5kHz，脈沖寬度為25ms。則可求得各體目標(biāo)中亮點(diǎn)在其各自子直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分布如下：

體目標(biāo)2中亮點(diǎn)坐標(biāo)(x″i，y″i)：(-20，0)；(0，20)；(0，0)；(20，0)；(40，0)；

其回波信號(hào)計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以明顯看到有目標(biāo)的回波，但是回波的包絡(luò)已經(jīng)不再是原來(lái)的矩形包絡(luò)的CW信號(hào)，而是發(fā)生了一些變化。第一項(xiàng)變化是2個(gè)體目標(biāo)的回波在時(shí)域上相互重疊，無(wú)法將2個(gè)體目標(biāo)辨別出來(lái)。一是因?yàn)槟繕?biāo)距離參數(shù)的選取使得2個(gè)體目標(biāo)相距較近，二是因?yàn)樾盘?hào)脈沖寬度的選取使得體目標(biāo)各個(gè)亮點(diǎn)的子回波相互干涉，各個(gè)亮點(diǎn)的子回波也不能被分辨出，使目標(biāo)響應(yīng)成為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，最終導(dǎo)致2個(gè)體目標(biāo)的回波在時(shí)域上有重疊。另一項(xiàng)變化回波的幅度有所改變，既有增大又有減小。這是因?yàn)槟繕?biāo)距離自導(dǎo)裝置較近，各亮點(diǎn)的子回波相互干涉，導(dǎo)致回波幅度發(fā)生互有增減變化。

圖5　多體目標(biāo)回波信號(hào)

3.3點(diǎn)目標(biāo)與體目標(biāo)共存

在一定搜索范圍內(nèi)，可能存在點(diǎn)目標(biāo)和體目標(biāo)共存情況。假設(shè)魚雷工作在主動(dòng)自導(dǎo)的模式下，搜索區(qū)域中有4個(gè)目標(biāo)，其中目標(biāo)A、B處在遠(yuǎn)場(chǎng)屬于點(diǎn)目標(biāo)，目標(biāo)D處在近場(chǎng)屬于體目標(biāo)，目標(biāo)C為目標(biāo)D釋放的寬帶噪聲干擾器屬于干擾目標(biāo)。如圖6所示。其中點(diǎn)目標(biāo)應(yīng)用慢起伏點(diǎn)目標(biāo)的模型，體目標(biāo)應(yīng)用亮點(diǎn)體目標(biāo)的模型，干擾目標(biāo)應(yīng)用噪聲干擾器模型。

以目標(biāo)自導(dǎo)裝置的聲學(xué)中心為原點(diǎn)，魚雷的雷體中軸線為縱坐標(biāo)，建立直角坐標(biāo)系xoy。以體目標(biāo)的中心為原點(diǎn)，建立目標(biāo)體子坐標(biāo)系x′o′y′。子坐標(biāo)系x′o′y′相對(duì)坐標(biāo)系xoy的轉(zhuǎn)角為α。則按上述點(diǎn)目標(biāo)與體目標(biāo)回波信號(hào)模型，有目標(biāo)A、B以及目標(biāo)D中各亮點(diǎn)的窄帶回波信號(hào)形式分別為：

(21)

(22)

(23)

求得目標(biāo)D中各亮點(diǎn)的回波信號(hào)si(t)后，再通過不同時(shí)間延遲的計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊得到疊加后的目標(biāo)D的回波信號(hào)

(24)

求得目標(biāo)A、B、D的回波信號(hào)后，最后得到多目標(biāo)回波信號(hào)

(25)

圖6　多目標(biāo)分布

最后將回波信號(hào)與噪聲信號(hào)和混響信號(hào)，以及寬帶噪聲干擾器的干擾信號(hào)一起疊加，即可得到假設(shè)背景下的多目標(biāo)自導(dǎo)回波信號(hào)。

假設(shè)各目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)以及相對(duì)于自導(dǎo)裝置的線速度(方向如圖6所示)如下：

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

圖7　自導(dǎo)多目標(biāo)回波仿真結(jié)果

圖7(a)中可以明顯地辨別出2個(gè)點(diǎn)目標(biāo)和一個(gè)體目標(biāo)的回波，而且體目標(biāo)回波的幅度和寬度明顯要高于遠(yuǎn)場(chǎng)的點(diǎn)目標(biāo)，由于信號(hào)脈沖寬度的選取使得體目標(biāo)各個(gè)亮點(diǎn)的子回波之間相互干涉，各個(gè)亮點(diǎn)的子回波也不能被分辨出，使目標(biāo)響應(yīng)成為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。通過對(duì)其中各目標(biāo)回波時(shí)延的推算，可看出各目標(biāo)到原點(diǎn)的距離與假設(shè)相吻合。圖7(b)中由于寬帶噪聲的干擾把目標(biāo)回波掩蓋住，因此無(wú)法辨認(rèn)出明顯的目標(biāo)回波。

4結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)目標(biāo)與自導(dǎo)裝置所處的距離不同時(shí)，目標(biāo)的所屬性質(zhì)不同，來(lái)自多個(gè)目標(biāo)的回波信號(hào)的合成方法也有所不同。目標(biāo)在遠(yuǎn)場(chǎng)可看成點(diǎn)目標(biāo)，多個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的回波信號(hào)可以進(jìn)行線性疊加。在近場(chǎng)，目標(biāo)應(yīng)視為體目標(biāo)，首先應(yīng)將體目標(biāo)中各亮點(diǎn)的回波信號(hào)進(jìn)行相干疊加，然后將體目標(biāo)、點(diǎn)目標(biāo)、人工干擾目標(biāo)、混響及背景噪聲一起線性或者相干疊加，得到真實(shí)環(huán)境下的自導(dǎo)多目標(biāo)回波。研究中所提出的多目標(biāo)信號(hào)合成方法可供復(fù)雜水聲環(huán)境下的魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)仿真參考。

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(責(zé)任編輯周江川)