基于實(shí)際水文條件的點(diǎn)目標(biāo)回波仿真

陳　發(fā)，李永勝，趙　罡，呂林夏，陳亞林

（1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所，陜西 西安，710075；2.水下信息與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710075）

基于實(shí)際水文條件的點(diǎn)目標(biāo)回波仿真

陳發(fā)1，2，李永勝1，趙罡1，呂林夏1，陳亞林1

（1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所，陜西 西安，710075；2.水下信息與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710075）

為了分析水文條件對(duì)主動(dòng)水聲探測(cè)系統(tǒng)信號(hào)的影響，首先利用射線聲學(xué)理論和BELLHOP模型，求解實(shí)測(cè)海洋水文數(shù)據(jù)下的本征聲線，然后選取主要聲線所攜帶的幅度、時(shí)延、相位等信息構(gòu)建點(diǎn)目標(biāo)回波信號(hào)模型。仿真分析給出了發(fā)射單頻正弦脈沖下的點(diǎn)目標(biāo)回波仿真波形，并與實(shí)測(cè)波形進(jìn)行了對(duì)比。計(jì)算結(jié)果表明，基于水文條件的點(diǎn)目標(biāo)回波模型可以很好的模擬水文條件對(duì)水聲信號(hào)的影響。

水文條件；目標(biāo)回波；本征聲線

0　引言

主動(dòng)水聲探測(cè)系統(tǒng)通過(guò)發(fā)射信號(hào)，接收目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)探測(cè)水下目標(biāo)［1］。由于目標(biāo)信息包含在回波中，所以通過(guò)處理接收信號(hào)可以判斷目標(biāo)的存在，利用回波信息還可以測(cè)定目標(biāo)距離、速度、方位、航向等運(yùn)動(dòng)要素，但是水聲系統(tǒng)的性能會(huì)受到海洋環(huán)境的影響。水聲信道的低信息傳輸率、色散效應(yīng)、界面影響、聲速剖面、以及多途等特性都會(huì)對(duì)接收信號(hào)產(chǎn)生影響。我國(guó)周邊海域多為淺海，海洋環(huán)境參數(shù)復(fù)雜多變。為了提高系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性，有必要研究海洋信道對(duì)主動(dòng)水聲探測(cè)信號(hào)的影響情況。

水聲信道對(duì)主動(dòng)水聲探測(cè)信號(hào)的影響主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：一是由于信道頻散和多途導(dǎo)致的波形衰減；二是參數(shù)的時(shí)變特性引起波形起伏。這些都會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)相對(duì)發(fā)射信號(hào)發(fā)生波形畸變和模糊，具體表現(xiàn)為幅度起伏、時(shí)頻擴(kuò)展、去相關(guān)性。信道參數(shù)種類(lèi)多樣，其中影響較大的是水文條件，也就是海洋中的聲速分布。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了海洋環(huán)境參數(shù)對(duì)水聲探測(cè)系統(tǒng)作用距離的影響研究［2］，方法多集中于求解經(jīng)典聲吶方程，對(duì)于海洋環(huán)境參數(shù)多使用平面波混響級(jí)RL和傳播損失TL代替。由于這2個(gè)參數(shù)是平均值、經(jīng)驗(yàn)值，并不能反映信道的空變特性。文中利用海洋實(shí)測(cè)聲速分布數(shù)據(jù)，結(jié)合BELLHOP射線聲學(xué)模型，計(jì)算本征聲線［3］，然后選取合適的聲線信息（幅度、相位和延時(shí)），構(gòu)建點(diǎn)目標(biāo)回波，采用混合模型仿真混響，并疊加高斯白噪聲，從而得到接收信號(hào)。通過(guò)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，驗(yàn)證了模型的正確性和可行性。

1　淺海聲傳播模型

1.1射線聲學(xué)

海水介質(zhì)中的聲傳播在數(shù)學(xué)上可以用波動(dòng)方程的解來(lái)描述［4］，這個(gè)解是在特定問(wèn)題的相應(yīng)邊界條件和介質(zhì)條件下得到的。波動(dòng)方程是聲壓p對(duì)坐標(biāo)x，y z，和時(shí)間t的偏微分方程式中，c為聲速，且為坐標(biāo)的函數(shù)，通?？紤]為僅與深度有關(guān)。

有2種方法求解上述方程，一種是簡(jiǎn)正波理論，利用名為簡(jiǎn)正波的特征函數(shù)描述聲傳播，每一個(gè)特征函數(shù)都是方程的一個(gè)解，將這些簡(jiǎn)正波疊加起來(lái)，以滿足邊界條件和聲源條件；另一種是射線聲學(xué)，利用聲線圖描述傳播圖像，聲場(chǎng)分布更加形象化。2種方法應(yīng)用場(chǎng)合不同，前者通常用于低頻近場(chǎng)，后者只適用于高頻。由于目前的主動(dòng)水聲探測(cè)系統(tǒng)使用的頻率通常為幾十kHz，所以通常使用聲線模型來(lái)求解探測(cè)信號(hào)聲場(chǎng)。

射線聲學(xué)的2個(gè)基本方程為

式（2）為強(qiáng)度方程，描述聲能量隨聲線傳播的情況；式（3）為程函方程，描述聲線的走向，該方程不僅可以導(dǎo)出聲線的方向，還可以求得聲線的軌跡和傳播時(shí)間。

1.2BELLHOP模型

射線聲學(xué)模型有很多便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的算法，BELLHOP是其中較為常用的，它由Porter和Bucker從地震勘探常用的高斯波束追蹤法演變而來(lái)［5-6］，該算法解決了聲影區(qū)的問(wèn)題，特別適合高頻、距離相關(guān)問(wèn)題的求解。假設(shè)條件為點(diǎn)源在聲速僅與深度有關(guān)的柱形波導(dǎo)中。

圓柱坐標(biāo)系下的標(biāo)準(zhǔn)射線方程為

其中：r=r（s），為弧長(zhǎng)的函數(shù)；c（r，z）為聲速。

聲線的曲率和寬度由以下輔助方程推導(dǎo)而來(lái)

聲線定義為

加入初始條件后，可以求得聲場(chǎng)

其中，α為掠射角，該式利于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。輸入水文條件（聲速剖面、海底特性等）和求解參數(shù)，可以使用BELLHOP算法計(jì)算得到聲線圖。本征聲線為經(jīng)過(guò)發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)之間的聲線，該算法還可以計(jì)算每根本征聲線所攜帶的信息：幅度衰減系數(shù)、時(shí)延和相位變化量。

2　點(diǎn)目標(biāo)回波模型

從大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)看，水聲信道可以看成是緩慢時(shí)變的相干多途信道［7］。淺海試驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)表明，信道至少在20 s內(nèi)是穩(wěn)定的。由于海洋介質(zhì)中的聲速不是恒定的，加上界面的反射效應(yīng)，聲波在海水中的傳播是多途的。不同路徑到達(dá)的信號(hào)相互干涉疊加形成接收信號(hào)。

聲波是微振幅波，滿足疊加定理，因此水聲信道對(duì)信號(hào)的影響可以使用線性網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)函數(shù)來(lái)描述。假設(shè)聲傳播過(guò)程中不存在色散現(xiàn)象，系統(tǒng)函數(shù)可以描述為

其中多途路徑數(shù)為N，假設(shè)發(fā)射信號(hào)為s（t），則接收到的回波信號(hào)為

利用BELLHOP模型可計(jì)算出每根聲線的幅度衰減系數(shù)、時(shí)延和相位偏轉(zhuǎn)，故，式（10）簡(jiǎn)化為

式中：AT為點(diǎn)目標(biāo)強(qiáng)度；Ai，τi，θi為第i條路徑的幅度衰減系數(shù)、時(shí)延和相位偏移量，其中時(shí)延考慮了目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的影響。理論上能夠到達(dá)接收點(diǎn)的聲線是無(wú)數(shù)多的，為了計(jì)算的方便和實(shí)際情況的需要，可以只計(jì)算那些衰減量比較小的聲線。

同時(shí)到達(dá)接收陣列的還有混響和噪聲?；祉懯呛Ｑ笾猩⑸潴w的散射成分總和，具體可以劃分為體積混響和界面混響。噪聲包括海洋環(huán)境噪聲和系統(tǒng)自噪聲。那么接收信號(hào)可以表示為

其中：srev（t）為體積混響、海面混響、海底混響之和；snoise（t）為海洋環(huán)境噪聲。

3　仿真分析

3.1信道參數(shù)

這里采用海洋實(shí)測(cè)聲速剖面計(jì)算信道參數(shù)，海深H=150 m ，其相對(duì)海面聲速分布如圖1所示，可見(jiàn)該海域聲速呈負(fù)梯度分布。

設(shè)計(jì)4組仿真試驗(yàn)，其基本參數(shù)為聲源深度Hs=70 m ，接收深度Hr=65 m ，發(fā)射單頻脈沖信號(hào)中心頻率為f0=20 kHz，采樣頻率fs=128 kHz ，計(jì)算波束數(shù)Num=101，垂直發(fā)射角為φ=±10o。假設(shè)海底是平坦的，底質(zhì)為淤泥粘土，其特性參考理論值［8］：海底聲速cs=1535 ms ，海底介質(zhì)密度ρb=143gcm3。每組試驗(yàn)的探測(cè)距離和目標(biāo)徑向速度，如表1所示。

下面給出第1組試驗(yàn)的信道參數(shù)計(jì)算結(jié)果。由于入射聲場(chǎng)本征聲線較少，下面給出入射時(shí)的信道沖擊響應(yīng)（實(shí)際上對(duì)應(yīng)的就是每根本征聲線所攜帶的幅度衰減和時(shí)延信息）。

系統(tǒng)使用收發(fā)合置換能器，因此還需要計(jì)算從目標(biāo)反射回去的本征聲線信息，才能構(gòu)建目標(biāo)回波。首先利用圖2中的信道沖擊響應(yīng)，結(jié)合式（11）構(gòu)建點(diǎn)目標(biāo)反射波，以此合成信號(hào)作為發(fā)射信號(hào)，交換Hr和Hs，重置垂直發(fā)射角為φ=±20o，其他參數(shù)不變，求解本征聲線，見(jiàn)圖3。

圖1　淺海相對(duì)聲速剖面Fig.1　Profile of relative sound speed in shallow sea

表1　仿真參數(shù)Table 1　Parameters of simulation

圖2　聲源發(fā)射信號(hào)時(shí)的信道沖擊響應(yīng)Fig.2　Impulse response of channel to sound source transmitting signal

圖3　目標(biāo)反射到接收器的主要聲線Fig.3　Main sound ray reflected from target to receiver

從圖3可以看出，到達(dá)目標(biāo)的聲線除了直達(dá)聲之外，還有經(jīng)海面和海底反射的聲線，接收信號(hào)為不同途徑到達(dá)信號(hào)的疊加。

反射信道沖擊響應(yīng)如圖4所示?？梢?jiàn)信道沖擊響應(yīng)不僅與信道有關(guān)，還和換能器、目標(biāo)深度、發(fā)射角有關(guān)。注意：以上信道參數(shù)，是在假設(shè)信道不存在頻散條件下求得的；程序中相位偏轉(zhuǎn)信息已經(jīng)通過(guò)換算到幅度衰減上。根據(jù)圖2和圖4中的信道沖擊響應(yīng)參數(shù)，就可以利用模型完成點(diǎn)回波重建。

圖4　目標(biāo)反射信號(hào)時(shí)的信道沖擊響應(yīng)Fig.4　Impulse response of channel when target reflects signal

3.2回波仿真對(duì)比分析

下面通過(guò)比較發(fā)射信號(hào)、回波信號(hào)的特征，分析信道對(duì)信號(hào)的影響情況。因?yàn)閷?shí)際海洋環(huán)境噪聲并非高斯白噪聲，淺海聲傳播會(huì)受到海底介質(zhì)特性的影響，但實(shí)際海底介質(zhì)特性與模型假設(shè)相差較大，所以仿真波形與實(shí)測(cè)波形在細(xì)節(jié)上存在差異。這里主要考慮信號(hào)的脈寬和頻域特性，并分析信號(hào)的去相關(guān)性。海上試驗(yàn)示意見(jiàn)圖5。

圖5　海上試驗(yàn)環(huán)境示意圖Fig.5　Schematic of sea trial environment

發(fā)射信號(hào)為單頻矩形脈沖，脈寬T=60 ms（信號(hào)持續(xù)時(shí)間均小于信道時(shí)間相關(guān)半徑，滿足模型假設(shè)條件）。發(fā)射信號(hào)如圖6所示。

因?yàn)樗?tīng)器實(shí)際接收到的信號(hào)還包括混響和噪聲，且混響為主要干擾。所以為了更好的與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，還需要進(jìn)行混響建模仿真。

混響伴隨著發(fā)射信號(hào)而產(chǎn)生，這里采用點(diǎn)散射和單元散射混合模型計(jì)算混響，模型假設(shè)條件為收發(fā)合置聲吶位置固定，聲波在介質(zhì)中沿直線傳播，忽略二次散射，信號(hào)為窄帶信號(hào)，計(jì)算得到的體積、界面混響及總混響如圖7所示。可見(jiàn)混響持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，且隨時(shí)間衰減很快。

圖6　發(fā)射矩形脈沖信號(hào)時(shí)頻波形圖Fig.6　Time-frequency waveform of transmitting rectangular pulse signal

圖7　仿真得到的體積、海面、海底混響及總混響波形Fig.7　Waveforms of volume，sea surface，sea bottom reverberation and total reverberation obtained by simulation

利用信道沖擊響應(yīng)參數(shù)和式（11）構(gòu)建點(diǎn)目標(biāo)回波，這里考慮了目標(biāo)的徑向運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的多普勒頻移。將發(fā)射回波、混響、噪聲疊加起來(lái)，得到接收信號(hào)。由于發(fā)射信號(hào)載頻較高，且為窄帶特性，為了減少系統(tǒng)硬件和軟件的復(fù)雜性，可對(duì)信號(hào)的復(fù)包絡(luò)進(jìn)行采樣。這里對(duì)信號(hào)先進(jìn)行正交解調(diào)［9］，然后對(duì)2個(gè)正交分量進(jìn)行采樣，采樣率為fs′=4 kHz，從而減少了數(shù)據(jù)量，得到的目標(biāo)回波見(jiàn)圖8（這里只給出了第1組試驗(yàn)的結(jié)果圖，其余組均只給出了分析結(jié)果）。為方便后面與實(shí)測(cè)回波進(jìn)行對(duì)比，圖8中的時(shí)域波形只給出了目標(biāo)反射回波部分；信號(hào)頻譜主要由回波和混響組成，且回波相對(duì)混響有頻移，頻移量約等于多普勒。

海上試驗(yàn)接收到的信號(hào)時(shí)頻分布參見(jiàn)圖9。為了觀察的方便和對(duì)比的需要，圖中的時(shí)域圖只給出了目標(biāo)回波出現(xiàn)的區(qū)間。從實(shí)測(cè)接收波形的頻譜可以看出，混響與回波的中心頻率之差基本上等于目標(biāo)的多普勒，偏差來(lái)源于散射體、換能器的運(yùn)動(dòng)。實(shí)測(cè)與仿真混響頻譜相差較大，這是因?yàn)楹５捉橘|(zhì)特性采用了理論值，所以海底混響與仿真存在差異。對(duì)比實(shí)測(cè)波形和仿真回波，兩者在細(xì)節(jié)上存在較大差別，下面從回波脈寬、帶寬、中心頻率、互相關(guān)系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行研究。

圖8　仿真正交采樣回波時(shí)頻波形Fig.8　Simulated time-frequency waveform of orthogonal sample echo

圖9　實(shí)測(cè)正交采樣回波時(shí)頻波形Fig.9　Measured time-frequence waveform of orthogonal sample echo

實(shí)測(cè)和仿真回波參數(shù)相對(duì)誤差計(jì)算結(jié)果如表2所示。表中的頻率為正交采樣后的頻譜中心頻率，帶寬定義為峰值左右第1個(gè)零點(diǎn)之間的差值；求解發(fā)射信號(hào)與仿真回波之間互相關(guān)系數(shù)的積分時(shí)間為回波持續(xù)時(shí)間。從表2可以看出，信道對(duì)信號(hào)進(jìn)行了去相關(guān)，這會(huì)影響信號(hào)的相關(guān)檢測(cè)性能。

表2　仿真與實(shí)測(cè)回波誤差分析Table 2　Error analysis between simulated and measured echoes

從表2可以看出，仿真得到的回波信號(hào)頻率誤差較小，而帶寬和脈寬誤差在15％以內(nèi)，誤差來(lái)自海底散射體的影響。利用水文條件構(gòu)建的點(diǎn)目標(biāo)回波模型，能夠很好地反映聲信道對(duì)發(fā)射信號(hào)的變換：幅度相位起伏、時(shí)域頻域擴(kuò)展、去相關(guān)等。脈寬和帶寬計(jì)算結(jié)果表明，利用該模型來(lái)反映信道特性是可行的，該模型可以比較準(zhǔn)確地反映信道特性。

4　結(jié)束語(yǔ)

為了探索水文條件對(duì)水聲探測(cè)系統(tǒng)信號(hào)的影響，文中采用實(shí)測(cè)淺海聲速數(shù)據(jù)，利用BELLHOP模型計(jì)算本征聲線，然后利用主要聲線信息重建點(diǎn)目標(biāo)回波。將其與混響、噪聲疊加起來(lái)就得到水聽(tīng)器的接收信號(hào)。

仿真結(jié)果表明，雖然海底、噪聲、混響等特性與仿真模型有較大差異，但通過(guò)分析信道對(duì)信號(hào)主要的影響因子，結(jié)果表明，該模型可以很好地反映信道特性。同時(shí)與實(shí)測(cè)波形的對(duì)比、計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了該模型的可行性?；谒臈l件的點(diǎn)目標(biāo)回波模型理論簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，可為今后進(jìn)一步研究水文條件對(duì)水聲探測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)性能的影響打下基礎(chǔ)。

［1］田坦，劉國(guó)枝，孫大軍.聲納技術(shù)［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2006.

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（責(zé)任編輯：許妍）

Simulation of Point Target Echo Based on the Actual
Hydrological Conditions

CHEN Fa1，2，LI Yong-sheng1，ZHAO Gang1，Lü Lin-xia1，CHEN Ya-lin1
（1.The 705th Research Institute，China Shipbuilding Industry Corporation，Xi′an 710075，China；2.Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory，Xi′an 710075，China）

To analyze the influences of hydrological conditions on the signal of an active hydroacoustic detection system，the ray acoustic theory and BELLHOP models are employed to solve the eigenray from measured oceanic hydrological data.A point target echo model is built with the information of amplitude，time-delay，and phase，which are carried by the main eigenray.The point target echo waveform is obtained from numerical simulation in the case of transmitting single-frequency sine impulse，and is compared with the measured waveform.Computational results show that the point target echo model based on hydrological conditions is applicable to simulate the influences of hydrological conditions on underwater sound signal.

hydrological conditions；target echo；eigenray

TJ630.34；TN911

A

1673-1948（2015）04-0311-05

2015-05-25；

2015-06-03.

陳發(fā)（1988-），男，在讀碩士，研究方向?yàn)樗曅盘?hào)處理.