淺海單模入射聲場目標(biāo)回波特性研究

王升，馬力，郭圣明

?

淺海單模入射聲場目標(biāo)回波特性研究

王升1，馬力2，郭圣明2

(1. 91388部隊(duì)95分隊(duì)，廣東湛江 524022；2. 中國科學(xué)院水聲環(huán)境特性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

淺海環(huán)境中，目標(biāo)回波受到入射和散射雙向過程的信道多途影響，具有復(fù)雜的多途結(jié)構(gòu)?；谙嗫卮怪标嚨膯文０l(fā)射技術(shù)能激發(fā)出指定的單個(gè)簡正波聲場，可以降低海底混響干擾，簡化目標(biāo)回波多途結(jié)構(gòu)，為主動探測提供了一種有效手段。在信道中點(diǎn)聲源目標(biāo)回波模型基礎(chǔ)上，采用簡正波本征函數(shù)加權(quán)研究了單模聲場入射下球形目標(biāo)散射問題，建立了淺海單模入射聲場目標(biāo)回波預(yù)報(bào)模型，并利用模型對剛性球回波進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。結(jié)果表明：總聲源級相同條件下，單模發(fā)射聲場與傳統(tǒng)的點(diǎn)聲源發(fā)射聲場相比具有一定的陣發(fā)射增益，目標(biāo)回波具有較高的聲壓級；單模入射能夠消除單程多途的影響，回波結(jié)構(gòu)相對簡單，有利于目標(biāo)的探測和識別。

目標(biāo)回波；單模；簡正波；散射函數(shù)

0 引言

由于水下目標(biāo)特征控制技術(shù)的進(jìn)步，被動探測越來越困難，主動探測技術(shù)重又得到重視。在淺海環(huán)境中，目標(biāo)回波經(jīng)歷入射和散射雙向傳播過程，其波形呈現(xiàn)出復(fù)雜的多途結(jié)構(gòu)，影響目標(biāo)探測和識別。對目標(biāo)回波特性的建模與分析，有助于提高傳統(tǒng)的主動聲吶探測性能、建立基于模型的新型主動探測技術(shù)。信道中目標(biāo)回波特性建模與無限大自由場問題顯著不同。早在1987年，Ingenito[1]利用簡正波平面波分解方法，研究了水平分層介質(zhì)波導(dǎo)中點(diǎn)聲源聲場的剛性球散射問題，將目標(biāo)平面波散射函數(shù)嵌入到聲場簡正波表示中來計(jì)算目標(biāo)散射場，之后，T. C. Yang[2,3]將Ingenito的研究推廣到非均勻水層情形，并進(jìn)行了相關(guān)的目標(biāo)主動定位技術(shù)研究。R. H. Hackman[4,5]用T矩陣法建立了入射場和散射場之間的關(guān)系。Li-gang Chen[6]在Ingenito方法的基礎(chǔ)上給出了淺海波導(dǎo)中目標(biāo)回波波形的具體算法。

單模發(fā)射技術(shù)利用相控垂直陣，僅激發(fā)出指定的單個(gè)簡正波聲場，充分了利用海洋波導(dǎo)效應(yīng)，具有較高的能量利用率和較低的傳播損失。近十幾年來，單模發(fā)射技術(shù)及其在目標(biāo)探測中的應(yīng)用得到了較為深入的研究。Donald F. Gingras[7]介紹了單模的激發(fā)原理，詳細(xì)研究了模式衰減、海底反向散射隨頻率變化的規(guī)律，以及如何選擇單模發(fā)射頻帶的問題。單模激發(fā)有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種方式，開環(huán)控制方式需要環(huán)境參數(shù)的先驗(yàn)知識，最近俄羅斯學(xué)者Golubeva[8,9]在開環(huán)控制方面進(jìn)行了深入的研究。閉環(huán)控制算法最早由John R.Buck[10]提出，無需海洋環(huán)境的先驗(yàn)知識，具有良好的自適應(yīng)性，彭大勇[11]等提出了一種淺海單模聲場閉環(huán)發(fā)射的最佳估算方法，能夠在較短時(shí)間內(nèi)得到發(fā)射陣加權(quán)系數(shù)。

本文在Ingenito和T. C. Yang等人研究工作基礎(chǔ)上，采用簡正波本征函數(shù)加權(quán)單模聲場激發(fā)技術(shù)，結(jié)合信道中點(diǎn)聲源目標(biāo)回波模型建立了淺海單模入射聲場目標(biāo)回波波形預(yù)報(bào)模型，并分析了相應(yīng)的目標(biāo)回波特征。

1 單模發(fā)射技術(shù)

在水平分層的淺海環(huán)境中，單頻點(diǎn)聲源產(chǎn)生的聲場可以用簡正波表示為

對于滿陣(陣長接近全海深，陣元數(shù)足夠多)發(fā)射情形，利用簡正波本征函數(shù)的正交特性：

(3)

或(4)

取(5)

系數(shù)為

(7)

2 單模入射目標(biāo)散射聲場

對于水下聲信道中的目標(biāo)散射問題，一種簡便的處理方法就是采用基于平面波分解的散射函數(shù)法，即將入射簡正波和散射簡正波分解成準(zhǔn)平面波形式，與平面波照射下的目標(biāo)散射函數(shù)聯(lián)系起來，得到目標(biāo)散射場，如圖1所示。

對于海洋波導(dǎo)中單個(gè)點(diǎn)源發(fā)射時(shí)的目標(biāo)散射聲場，可以寫成[1,3]：

其中：

(10)

(12)

這里利用了簡正波的平面波分解，目標(biāo)深度的本征函數(shù)可表示為，上行波和下行波分別為[6]：

(14)

從式(9)可以知道：某號簡正波入射到目標(biāo)體，會激發(fā)出多號散射簡正波，各號散射簡正波的幅度與目標(biāo)散射函數(shù)有關(guān)，由入射和散射的掠射角、方位角確定，對所有入射簡正波激發(fā)的散射簡正波進(jìn)行求和，即得到點(diǎn)源發(fā)射時(shí)的目標(biāo)散射聲場。對于垂直陣列發(fā)射的情況，每個(gè)陣元發(fā)射的聲波都激發(fā)出相應(yīng)的目標(biāo)散射聲場。因此，垂直發(fā)射陣列的目標(biāo)散射聲場可認(rèn)為是所有陣元引起的散射聲場的疊加，考慮圖2所示的垂直發(fā)射陣、目標(biāo)和接收位置分布，設(shè)垂直陣發(fā)射第號簡正波，根據(jù)式(9)，可得單模發(fā)射時(shí)的目標(biāo)散射聲場：

(16)

3 單模入射目標(biāo)回波波形

在式(16)基礎(chǔ)上，利用傅氏變換進(jìn)一步得到目標(biāo)回波波形：

(18)

4 數(shù)值計(jì)算分析

給定發(fā)射信號和海洋環(huán)境相關(guān)參數(shù)，根據(jù)上面建立的模型，可以得到單模入射聲場目標(biāo)回波仿真信號。海洋環(huán)境參數(shù)如圖3所示，采用等間隔32元垂直陣進(jìn)行單模發(fā)射，陣元間隔3 m，第一個(gè)陣元距離海面3 m；接收水聽器深度為50 m；點(diǎn)源發(fā)射目標(biāo)回波仿真時(shí)，聲源深度為50 m；目標(biāo)為剛性球，半徑10 m，深度50 m；發(fā)射聲源級為200 dB；回波信號采樣率，時(shí)間窗長度1 s。

4.1 不同發(fā)射模式目標(biāo)回波強(qiáng)度比較

為了分析單模發(fā)射相對于點(diǎn)源發(fā)射的目標(biāo)回波增益，將“目標(biāo)回波強(qiáng)度”定義為發(fā)射信號經(jīng)水下目標(biāo)散射后，水聽器接收到的有效回波信號平均能量。設(shè)有效回波信號長度為，則目標(biāo)回波強(qiáng)度可表示為[12]

圖4(a)和4(b)分別為目標(biāo)位于50 m和20 m深度時(shí)，LFM信號的目標(biāo)回波強(qiáng)度隨距離的變化曲線。圖5為相應(yīng)聲場的前5階模式的本征函數(shù)，可以看出：

(a) 目標(biāo)深度50 m

(b) 目標(biāo)深度20 m

圖4 不同入射模式下的目標(biāo)回波級(LFM信號，中心頻率200 Hz，帶寬40 Hz，脈寬3 s)

Fig.4 Rigid sphere echo intensity curves ensonified by different modes. (LFM signal, central frequency: 200 Hz, bandwidth: 40 Hz, pulse length: 3 s)

(1) 目標(biāo)回波強(qiáng)度與發(fā)射模式和目標(biāo)深度有關(guān)，當(dāng)目標(biāo)深度位于發(fā)射模式的波腹位置時(shí)，目標(biāo)處的入射聲能量較強(qiáng)，回波能量也相應(yīng)較強(qiáng)。

(2) 在合理的發(fā)射模式下，單模發(fā)射回波強(qiáng)度明顯高于相同源級的點(diǎn)源回波，隨著目標(biāo)距離聲源越遠(yuǎn)，單模發(fā)射的增益越大。

單模發(fā)射能夠控制能量的深度分布，有較高的能量利用率。因此，利用單模聲場探測目標(biāo)時(shí)，應(yīng)根據(jù)目標(biāo)深度調(diào)整發(fā)射陣元加權(quán)，使聲能量集中到目標(biāo)深度。

4.2 單模入射目標(biāo)回波結(jié)構(gòu)分析

淺海波導(dǎo)中，多途導(dǎo)致回波信號畸變，是目標(biāo)遠(yuǎn)場定位與識別的主要干擾。將單模發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于目標(biāo)探測，可減小邊界散射和傳播衰減對目標(biāo)回波的影響，為回波信號檢測和目標(biāo)識別提供便利。

點(diǎn)源聲場與單模聲場入射下的剛性球回波比較如圖6所示。由前面理論分析可知，由于目標(biāo)的存在，簡正波在目標(biāo)處發(fā)生耦合，任意號簡正波入射都會激發(fā)出多號簡正波。淺海波導(dǎo)中，低號簡正波傳播速度快，高號簡正波傳播速度慢，傳播后各號簡正波延時(shí)疊加使得接收信號結(jié)構(gòu)比發(fā)射信號復(fù)雜。單模聲場發(fā)射時(shí)，只有某一號簡正波照射到目標(biāo)，色散現(xiàn)象只出現(xiàn)在聲波從目標(biāo)返回接收點(diǎn)的單程，與單向聲傳播類似，而點(diǎn)源發(fā)射聲場照射目標(biāo)時(shí)，雙向過程都有色散現(xiàn)象。因此，單模發(fā)射比點(diǎn)源發(fā)射產(chǎn)生的目標(biāo)回波結(jié)構(gòu)相對簡單，見圖6，單模發(fā)射聲場產(chǎn)生的目標(biāo)回波中各號簡正波更易區(qū)分。

(a) 點(diǎn)源發(fā)射時(shí)剛性球回波

(b) 發(fā)射1階模式時(shí)剛性球回波

5 結(jié)論

本文在信道中點(diǎn)聲源目標(biāo)回波模型基礎(chǔ)上，結(jié)合效率較高的單模發(fā)射技術(shù)，首次建立了淺海單模入射聲場目標(biāo)回波模型，并對簡單環(huán)境下的剛性球目標(biāo)回波進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，通過分析點(diǎn)源發(fā)射聲場及單模發(fā)射聲場照射下的目標(biāo)回波強(qiáng)度、回波結(jié)構(gòu)，表明單模發(fā)射相對于點(diǎn)源發(fā)射有較大優(yōu)勢，具體總結(jié)如下：

(1) 發(fā)射模式可控，能量利用率高，單模發(fā)射回波強(qiáng)度高于相同源級的點(diǎn)源回波強(qiáng)度。

(2) 單模入射目標(biāo)回波強(qiáng)度與發(fā)射模式和目標(biāo)深度有關(guān)，當(dāng)目標(biāo)深度位于發(fā)射模式的波腹位置時(shí)，目標(biāo)處的入射聲能量較強(qiáng)，回波能量也相應(yīng)較強(qiáng)。

(3) 單模發(fā)射時(shí)目標(biāo)回波結(jié)構(gòu)相對簡單，通過分離回波中各號簡正波，可以獲取目標(biāo)散射矩陣，散射矩陣含有豐富的目標(biāo)物理特征，對于目標(biāo)識別有重要意義，而點(diǎn)源聲場目標(biāo)散射回波無法直接分離散射矩陣。

眾所周知，簡正波方法適合于計(jì)算水平分層淺海環(huán)境中的聲場，高頻時(shí)效率較低，所以本文提供的方法適用于與距離無關(guān)的海洋信道中遠(yuǎn)程目標(biāo)低頻回波計(jì)算；當(dāng)目標(biāo)太靠近海底和海面邊界時(shí)，多次反射不能忽略，模型誤差較大；由于需要預(yù)先掌握目標(biāo)在自由空間中的散射函數(shù)，所以對于沒有解析表達(dá)式的復(fù)雜目標(biāo)，需要通過實(shí)驗(yàn)測量獲得其散射函數(shù)。該模型為進(jìn)一步研究淺海環(huán)境中的目標(biāo)探測和主動匹配場處理提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

[1] Ingenito F. Scattering from an object in a stratified medium[J]. J. Acoust. Soc. Am., 1987, 82(6): 2051-2059.

[2] Yang T C. Scattering from boundary protuberances and reverberation imaging[J]. J. Acoust. Soc. Am., 1993, 93(1): 231-242.

[3] Yang T C. Scattering from an Object in a Stratified Medium. I. Frequency Dispersion and Active Localization[J]. J. Acoust. Soc. Am., 1994, 96(2): 1003-1019.

[4] Hackman R H, Sammelmann G S. Acoustic scattering in an inhomogeneous waveguide: Theory[J]. J. Acoust. Soc. Am., 1986, 80(5): 1447-1458.

[5] Hackman R H, Sammelmann G S. Multiple-scattering analysis for a target in an ocean aveguide[J]. J. Acoust. Soc. Am., 1988, 84(5): 1813-1825.

[6] Chen L G, Yuan B C, Liu J G. Echo waveform Prediction Algorithm for a Target in the Shallow Water Wave-guide[C]// The 1st International Conference on Information Science and Engineering, 2009: 550-553.

[7] Gingras D F. Single mode excitation, attenuation, and backscatter in shallow water[J]. J. Acoust. Soc. Am., 1998, 103(1): 195-204.

[8] Golubeva E V, Eliseevnin V A. Generation of a single normal wave by a vertical linear array in the water layer[J]. Acoust. Phys., 2008, 54(1): 52-57.

[9] Golubeva E V, Eliseevnin V A. Power emitted by a vertical compensated linear array in a Pekeris waveguide[J]. Acoust. Phys., 2008, 54(5): 664-669.

[10] Buck J R. Single mode excitation in the shallow-water acoustic channel using feedback control[J]. IEEE J. Ocean. Eng., 1997, 22(2): 281-291.

[11] 彭大勇, 曾娟, 李海峰, 等. 淺海聲場單模閉環(huán)發(fā)射的最佳估計(jì)算法[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 34(5): 396-400.

PENG Dayong, ZENG Juan, LI Haifeng, et al. An optimal algorithm for single-mode close-loop excitation in shallow water[J]. Acta Acustica, 2009, 34(5): 396-400.

[12] Makris N C, Ratilal P. A unified model for reverberation and submerged object scattering in a stratified ocean waveguide[J]. J. Acoust. Soc. Am., 2001, 109(3): 909-941.

Research on target echo characteristics ensonified by a single mode in shallow water

WANG Sheng1, MA Li2, GUO Sheng-ming2

(1. Unit 91388, PLA, Zhanjiang 524022, Guangdong, China; 2. Key Laboratory of Underwater Acoustic Environment, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

In shallow water, target echo has complex structure as a result of multipath propagation on incidence and scattering journey. Based on vertical phased linear array, single mode excitation technique can produce desired field composed of a single mode, suppress reverberation, simplify echo structure and provide an effective way of active detection. In this paper, based on target echo model ensonified by a point source, the array weighting method according to normal-mode eigenfunctions is applied to studying target scattering problem. Target echo prediction model ensonified by a single mode in shallow water has been built to analyze target echo characteristics. The results of using the model to calculate a certain sphere object’s echo numerically show that the target echo ensonified by a single mode has greater intensity comparing with the situation that target is ensonified by a point source; the single mode excitation technique can eliminate multipath interference on incidence journey, so target echo structure is straightforward relatively and favorable for target detection and identification.

target echo; single mode; normal-mode wave; scattering function

TB566

A

1000-3630(2015)-01-0018-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.01.004

2013-07-16;

2013-10-15

王升(1978－), 男, 山東安丘人, 工程師, 研究方向?yàn)樗履繕?biāo)回波特性。

王升, E-mail: comwsh@sina.com