董仲臣, 李亚安, 金彦丰



鱼雷浅海海底混响建模与仿真

董仲臣1, 2, 李亚安1, 金彦丰2

(1. 西北工业大学 航海学院, 陕西 西安, 710072; 2. 中国人民解放军91388部队, 广东 湛江, 524022)

为了实现鱼雷浅海海底混响仿真, 并体现鱼雷运动对混响信号的影响, 提出了一种直观、易于实现的海底混响仿真方法。该方法把产生混响的海底划分成若干散射单元, 并把散射单元等价为系统, 采用连续波(CW)信号和线性调频(LFM)信号作为鱼雷的主动声信号。采用该方法进行海底混响仿真, 可以根据需要把散射单元划分到足够小, 因此鱼雷相对每个散射单元的多普勒频移相同, 从而比较准确的体现了鱼雷运动对混响信号的影响; 同时, 把散射单元等价为系统, 可以利用卷积进行混响信号的计算。仿真结果表明, 该方法物理意义清晰, 仿真简单易行, 仿真混响信号的频谱特性与混响的基本理论相符, 充分验证了该方法的有效性。

鱼雷; 浅海海底混响; 散射单元; 多普勒频移

0 引言

混响是一种特殊形式的干扰, 它伴随着声纳发射信号而产生, 是由海洋中大量无规则散射体对入射声信号产生的散射波在接收点叠加而形成的。根据散射特性的不同, 混响大体上可以分为海底混响、海面混响和体积混响。散射体存在于海水本身或体积中, 如海水中的流砂粒子、海洋生物、海洋本身的不均匀性、大的鱼群等引起的混响称为体积混响。海面的不平整性和波浪形成的气泡层对声波的散射所形成的混响称为海面混响, 海底及其附近的散射体形成的混响称为海底混响, 后2种统称为界面混响[1-2]。

实测结果表明, 海底散射强度远大于体积散射强度, 也大于海面散射强度[2]。所以, 海底混响是主动声自导鱼雷工作的主要背景干扰之一,海底混响的建模和仿真对研究鱼雷自导系统的抗干扰能力具有重要意义。

传统的海洋混响仿真方法为点散射模型法和单元散射模型法[3-4]。点散射模型法把混响信号作为点散射体回波的叠加, 具有清晰的物理意义, 仿真计算比较准确, 但当散射体数量增多时, 计算量非常大。单元散射模型方法则认为混响信号由散射单元回波叠加而成, 散射单元内包含的大量散射体, 使得散射单元回波信号满足复高斯分布, 与点散射模型方法相比, 计算量大大减小, 因此, 该方法被广泛采用[4]。

然而, 对于高速运动的鱼雷来讲, 鱼雷发射信号遇到散射体后发生散射, 接收到的混响信号产生了多普勒频移, 且各个散射点的多普勒频移因与鱼雷方位角的不同而发生变化, 所以, 传统的单元散射模型不能对鱼雷主动信号产生的海底混响进行精细仿真。基于此, 本文提出了一种能够计算多普勒频移的海底混响仿真方法, 该方法把产生混响的海底划分成若干散射单元, 每个散射单元都能散射出具有一定谱分布的散射波, 如果把每个散射单元等价于一个系统, 则混响信号等于发射信号通过各个系统产生的响应的总和。

1 鱼雷海底混响模型的建立和分析

1.1 海底散射单元的划分

混响的产生是一个复杂的过程, 受到许多因素的影响, 对其进行理论研究时, 需要忽略某些次要因素, 以突出主要因素, 从而使问题简化又不失一般性。为此, 作如下假设[2]。

1) 声波直线传播, 除球面波衰减外, 其他衰减忽略不计;

2) 任一时刻位于某一面积上的散射体分布是随机均匀的, 且每个散射体都有相同的贡献;

3) 散射体的数量足够多, 以至于在任一面元上都有大量的散射体;

4) 不考虑多次散射;

5) 脉冲时间足够短, 故可忽略面元尺度范围内的传播效应。

以上假设忽略了一些次要因素, 但所得结果仍具有普遍性。根据假设, 现建立混响仿真模型, 散射单元的划分如图1所示。

图1 散射单元划分示意图

散射单元的面积

1.2 仿真混响模型的建立

把每个单元均等价于一个系统, 则建立混响的仿真模型如图2所示。

图2 海底混响仿真模型

图2中第个系统的响应为

对式(2)进行整理得

1.3 仿真混响信号的生成

考虑鱼雷运动带来的多普勒频移时, 假定散射单元足够小, 所以对于每个散射单元, 散射波的多普勒频移相同, 则多普勒频移

2 混响信号的仿真

2.1 仿真1

图3和图4表示的是CW信号(上图)和LFM信号(下图)的时域波形和频谱。仿真产生的混响信号的时域波形和频谱如图5和图6所示, 混响信号瞬时值的概率分布见图7, 混响信号包络的概率分布见图8, 混响信号的时间自相关见图9。

图3 发射信号

图4 发射信号的频谱

图5 混响信号

图6 混响信号的频谱

图7 混响信号瞬时值的概率分布

图8 混响信号包络的概率分布

图9 混响信号的时间自相关

Fig 9 Time autocorrelation of reverberation signals

2.2 仿真2

为了研究鱼雷速度对仿真混响信号的影响, 对速度为10 m/s, 20 m/s, 30 m/s的鱼雷发出的CW信号和LMF信号产生的混响进行仿真, 其他仿真条件与仿真1相同。

鱼雷速度分为10 m/s(上图), 20 m/s(中图), 30m/s(下图)时, CW信号和LFM信号的时域波形如图10和图11所示, 其频谱如图12和图13所示。

图10 不同速度下连续波(CW)信号的混响

图11 不同速度下线性调频(LFM)信号的混响

图12 不同速度下CW信号的混响频谱

图13 不同速度下的LFM信号的混响频谱

3 仿真混响信号的特性检验

由图4和图6可以看出, 仿真混响信号的频谱与发射信号频谱具有一致性[2,6-10], 且混响信号体现了鱼雷运动带来的多普勒频移。

由图7可以看出, 仿真混响信号瞬时值服从正态分布[2,6-10]。在图8中, 仿真混响信号的包络服从瑞利分布[2, 6-10]。

图9说明了仿真混响信号的时间相关性, 其时间相关半径与信号的带宽成反比[6]。

由图12中CW信号的混响频谱可以清楚地看出, 鱼雷运动引起了混响信号的频谱展宽[2], 鱼雷速度越高, 频谱展宽越大。而图13中的频谱展宽不明显, 这是由于LMF信号具有一定的带宽, 鱼雷运动引起的频谱展宽相对信号带宽来说很小, 所以在图中不容易明显地看出。

4 结束语

在本文提出的鱼雷海底混响仿真方法中, 把产生混响的海底合理划分成各个混响单元, 每个混响单元等价为一个系统, 各个系统响应的累加即为混响信号, 从而把鱼雷运动产生的多普勒频移在混响信号中很好地体现出来。仿真结果表明, 仿真混响信号的频谱特性、瞬时值和包络的概率密度分布、时间相关、频谱展宽均与混响基本理论保持一致, 充分验证了该混响仿真方法的可行性和有效性。

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Shallow Seafloor Reverberation Modeling and Simulation of Torpedo

DONG Zhong-chen1, 2, LI Ya-an1, JIN Yan-feng2

(1. College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China; 2. 91388thUnit, The People′s Liberation Army of China, Zhanjiang 524022, China)

To simulate the torpedo reverberation on shallow seafloor and reveal the effect of torpedo motion on the reverberation signal, a seafloor reverberation simulation method is presented. In this method, the seafloor generating reverberation is divided into several scattering units, and each scattering unit is equivalent to a system. Continuous wave(CW) signal and linear frequency modulation(LFM) signal are taken as torpedo active acoustic signal. In seafloor reverberation simulation, the scattering units can be small enough to keep the Doppler frequency shift produced by torpedo motion in each scattering unit is the same, thus the effect of torpedo motion on reverberation signal is revealed. Because each scattering unit is equivalent to a system, convolution can be used to compute reverberation signal. Simulation results show that the present method is of clear physical meaning and simple calculation. Moreover, the spectrum characteristic of the simulated reverberation signal is consistent with the basic theory of reverberation, verifying the validity of the method.

torpedo; shallow seafloor reverberation; scattering unit; Doppler frequency shift

TJ630.1

A

1673-1948(2013)02-0100-05

2012-07-18;

2012-08-21.

国家自然科学基金(51179157)；国家自然科学基金(51179158).

董仲臣(1979- ), 男, 在读硕士, 主要研究方向为水声信号处理和潜艇作战系统作战效能分析.

(责任编辑: 杨力军)