魚雷雙維尺度聲靶回波信號的方位走向識別方法*

武鶴龍　潘　明

(91388部隊93分隊　湛江　524022)

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魚雷雙維尺度聲靶回波信號的方位走向識別方法*

武鶴龍潘明

(91388部隊93分隊湛江524022)

摘要論文在魚雷雙維尺度聲靶模型基礎(chǔ)上,基于Matlab語言和魚雷接收聲基陣,對接收的雙維尺度聲靶回波信號進(jìn)行仿真分析,用方位走向方法在回波信號里提取出靶標(biāo)的方位走向信息,得出回波信號水平方位走向和垂直方位走向的態(tài)勢圖,推導(dǎo)出方位走向方法能夠有效的對尺度目標(biāo)的尺度信息進(jìn)行分析和識別,雙維尺度靶標(biāo)能夠更加逼真的模擬潛艇目標(biāo)的雙維尺度特性,為魚雷尺度識別的的后續(xù)研究提供可靠有力的參考和依據(jù)。

關(guān)鍵詞魚雷; 雙維尺度; 聲靶; 方位走向

Direction Identification Method of the Two-dimensional Scale Sound Target

WU HelongPAN Ming

(Unit 93, No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang524022)

AbstractIn this paper, analysis and simulation of the echo signals is conducted based on the torpedo model, Matlab and sound receiving arrays. The bearing trend information of the target for torpedo is extracted with the identification method, illustration to the horizontal and vertical direction of the echo signal is obtained. Finally the conclusion is made that the identification method for the bearing trend can recognize the dimension information of the scale target, the two-dimensional scale sound target can be more realistic simulation of submarine target. This paper provides a powerful and reliable reference for future research to dimension recognition of target.

Key Wordstorpedo, two-dimensional scale, sound target, bearing trend

Class NumberTB391

1引言

目前,國內(nèi)多數(shù)水下靶標(biāo)模擬的是潛艇點目標(biāo),或是只模擬潛艇橫向艇體的線性尺度靶標(biāo),而忽略了縱向維度的圍殼尺度對聲信號的反射特性。圍殼部分的聲反射特性對回波信號的各項參數(shù),特別是目標(biāo)的縱向維度的方位走向信息具有相當(dāng)程度的影響。本文用方位走向方法對魚雷雙維尺度聲靶回波信號進(jìn)行了尺度識別,推導(dǎo)出回波信號水平方位走向和垂直方位走向的結(jié)果,得出方位走向方法可以有效的對目標(biāo)的不同方向進(jìn)行尺度識別、雙維尺度聲靶能夠逼真有效的模擬目標(biāo)的縱橫雙維尺度特性的結(jié)論。

2魚雷聲基陣接收回波信號模型的創(chuàng)建

2.1雙維尺度聲靶回波信號模型

對于潛艇等較大型的魚雷目標(biāo)來說,由于其具有一定的尺度,產(chǎn)生的反射回波信號源于一個在距離和方位上有一定分布的延展體。這個延展體可以近似等效于在空間上有一定分布的若干個“點”目標(biāo)之和,對于尺度靶標(biāo)來說,叫做點源或亮點。一般尺度靶模擬的是潛艇目標(biāo)橫向尺度的聲反射特性,而雙維尺度靶不僅模擬橫向尺度而且模擬了縱向尺度上的聲反射特性[1]。

魚雷發(fā)射聲信號后,在理想環(huán)境下(不考慮噪聲等環(huán)境干擾),經(jīng)過一段距離達(dá)到靶標(biāo),尺度靶標(biāo)各個亮點對入射信號進(jìn)行反射,回波信號經(jīng)過反射后到達(dá)魚雷接收端?？梢?魚雷接收的回波信號是由尺度靶標(biāo)上各個亮點反射回波信號的疊加而形成的[2]。

尺度聲靶供靶過程中,魚雷的應(yīng)答信號受水聲環(huán)境等因素影響,主要發(fā)生多普勒頻移、時間的延遲和壓縮展寬、幅度的衰減等變化[3]。

魚雷發(fā)射信號經(jīng)過時間τi1到達(dá)亮點i,亮點i反射的聲波經(jīng)過時間τi2到達(dá)魚雷,ωi1表示入射過程的頻率變化(多普勒頻移),ωi2表示反射過程回波信號的頻率變化,TL表示聲傳播損失,假設(shè)魚雷發(fā)射脈沖信號為f(t),亮點i的目標(biāo)強度為TSi,則魚雷接收到目標(biāo)亮點i的反射回波信號為

(1)

雙維尺度靶回波為其所有亮點回波的疊加,因此總的回波為

·f(t+τi1+τi2)·ej(ωi1+ωi2)

(2)

當(dāng)然,橫向亮點和縱向亮點的回波信號可以依照上式分開來算,即先各自算出橫向N個亮點和縱向M個亮點的回波信號,再將兩部分矢量疊加,即可得到總的回波信號[4]。如果將強亮點與潛艇的主要反射部位結(jié)合考慮,通常有六個強亮點分布于潛艇目標(biāo)的艏部、前部、中部、后部、艉部、圍殼這六個部位[5]。因此,面尺度靶標(biāo)模型在工程上可以簡化為有限亮點模型,如式(3):

(3)

2.2魚雷信號接收聲基陣模型

以上下左右各有一個接收單元的聲基陣為例,魚雷接收陣示意圖如圖1所示。

圖1　魚雷聲接收陣

魚雷接收聲基陣上下左右接收單元與聲基陣中心點的坐標(biāo)位置關(guān)系如圖2所示。

圖2　聲基陣上下左右接收單元與聲基陣中心點的坐標(biāo)位置關(guān)系

(4)

(5)

假設(shè)魚雷聲基陣中心點的位置坐標(biāo)為S,魚雷聲基陣各個水聽器之間的距離為d,那么根據(jù)上下左右接收單元與聲基陣中心點的坐標(biāo)位置關(guān)系,可以得到聲基陣各個接收單元的位置坐標(biāo)[6],表達(dá)式如式(6):

(6)

而后根據(jù)聲靶回波信號模型,魚雷接收中心點對靶標(biāo)回波信號的接收表達(dá)式,代入由中心點的信息參數(shù)推導(dǎo)的各個魚雷接收單元的相關(guān)信息參數(shù),就可以得到接收單元接收的靶標(biāo)回波信號信息[7]。

3魚雷雙維尺度聲靶回波信號的方位走向分析

3.1魚雷雙維尺度聲靶回波信號仿真的條件設(shè)定

設(shè)定魚雷的尋的信號為單頻矩形波,填充頻率為f=24kHz,采樣頻率fs=256kHz,幅度設(shè)置amp=1,脈沖起始時間為ts=0,脈沖寬度為0.02s,魚雷相對靶標(biāo)的初始距離為100m,魚雷所處的深度為50m水深。

雙維尺度靶標(biāo)模型由六個亮點組成,橫向排列5個,每個間隔14m,從艇艏到艇尾的順序作為三維坐標(biāo)系的X軸,艇寬的方向作為Y軸,縱向圍殼的方向作為坐標(biāo)系的Z軸,所以可以得到各聲反射亮點在坐標(biāo)系中的坐標(biāo),縱向亮點在距離艇艏亮點2/3處,距離X-Y軸平面約10m,假設(shè)靶標(biāo)所處深度為50m,尺度靶標(biāo)的速度設(shè)為4節(jié),魚雷航速為25節(jié)。根據(jù)魚雷相對靶標(biāo)原點在坐標(biāo)系中的不同的方位,可以得到魚雷的初始坐標(biāo),通過回波信號模型,即可得到魚雷尺度靶標(biāo)的回波信號,而后在經(jīng)過分析變換和提取,可以得到回波信號的時域、頻域和方位域參數(shù)指標(biāo)的異同點。

3.2雙維尺度聲靶回波的方位走向分析

目前,通過提取目標(biāo)的尺度特征量來識別目標(biāo)的方法,主要有成像法和方位走向法。本文將用方位走向法對尺度聲靶回波進(jìn)行仿真分析。研究方位走向法的特點,對試驗中更好的識別目標(biāo)的尺度特性具有十分重要的意義。

方位走向法是基于尺度目標(biāo)的距離——方位延展特性和分裂波束測向技術(shù)而提出的一種目標(biāo)尺度識別方法,根據(jù)尺度目標(biāo)相對于魚雷的方位走向的變化趨勢就可以判斷目標(biāo)是尺度目標(biāo)還是點目標(biāo),是橫向線性的尺度目標(biāo)還是雙維的面尺度目標(biāo)[8]。

方位走向法是基于尺度目標(biāo)的距離——方位延展特性來進(jìn)行尺度識別的,魚雷對靶標(biāo)的方位走向的分析判別是通過上下和左右兩個水聽器分別進(jìn)行分裂波束測量推導(dǎo)得出聲程差和方位信息來實現(xiàn)的。

本文討論的以魚雷接收聲基陣中心為測量原點,以魚雷速度矢量的方向為中心軸,水平走向的設(shè)定是向左和向右滑動測量靶標(biāo)亮點目標(biāo)相對于魚雷中心點的方位走向,偏左為負(fù)值,偏右為正值,垂直走向的設(shè)定是向上和向下滑動測量靶標(biāo)亮點目標(biāo)相當(dāng)于魚雷中心點的方位走向,偏上為負(fù)值,偏下為正值。

3.2.1回波信號的方位走向分析法

上下左右分布四個接收單元的聲基陣對靶標(biāo)的方位走向的測算是通過上下和左右水聽器分別進(jìn)行分裂波束測向推導(dǎo)聲程差和方位信息得出的。

圖3　分裂波束測向中的左右波束時間軸分割示意圖

假設(shè)魚雷左水聽器接收到的回波信號為syL,右水聽器接收到的回波信號為syR,對接收到的信號進(jìn)行長度為N個點的分割獲取,將其分成若干段,對每一段進(jìn)行分裂波束測向即可得出一組按時間順序排列的方位信息序列,而后,在Matlab中用時間-方位關(guān)系畫圖,就可以得出目標(biāo)水平方向的方位走向,垂直方位走向推導(dǎo)同[9]。

3.2.2雙維尺度聲靶回波的方位走向仿真結(jié)果及分析

魚雷相對線、面尺度靶標(biāo)原點的方位分別為0°、30°、90°、120°時候的回波信號水平、垂直方位走向的結(jié)果態(tài)勢圖如圖4所示。

圖4　方位為0°的回波信號水平、垂直方位走向

圖5　方位為30°的回波信號水平、垂直方位走向

圖6　方位為90°的回波信號水平、垂直方位走向

圖7　方位為120°的回波信號水平、垂直方位走向

從上面的分析和圖形來看,魚雷雙維尺度靶標(biāo)不單在水平方向有一定范圍的方位走向,在垂直方向也有一定范圍的方位走向角[10],而對于拖曳線列陣的一維聲靶,只有水平方向的方位走向,垂直方位走向值是0。由此得知方位走向法是一種頗為有效的目標(biāo)識別方,在有利的目標(biāo)識別陣位上可以提取出相當(dāng)理想的方位走向曲線,而雙維尺度聲靶能夠有效地對抗智能魚雷對目標(biāo)的尺度識別,相較于單亮點或一維線列陣靶標(biāo),雙維尺度靶標(biāo)在對智能魚雷尺度識別方面的水聲對抗能力具有很明顯的優(yōu)勢。

4結(jié)語

本文根據(jù)雙維尺度聲靶模型,對一種具有聲基陣的智能魚雷的接收單元進(jìn)行模擬分析,設(shè)置仿真條件,對魚雷聲基陣接收到的雙維尺度聲靶回波信號進(jìn)行了仿真,用方位走向法分析了魚雷雙維尺度聲靶回波信號的尺度特性,結(jié)果表明,方位走向法是一種有效的尺度識別方法,能夠?qū)λ履繕?biāo)的縱橫尺度進(jìn)行有效的識別,而雙維尺度聲靶能夠更加逼真的模擬水下目標(biāo)的尺度特性,增強了靶標(biāo)應(yīng)對魚雷尺度識別的能力,從而能夠使水下靶標(biāo)在試驗和未來戰(zhàn)場的水聲對抗中發(fā)揮更重要的作用。

參 考 文 獻(xiàn)

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中圖分類號TB391

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.02.037

作者簡介:武鶴龍,男,助理工程師,研究方向:水下靶標(biāo)。潘明,男,碩士,助理工程師,研究方向:水下靶標(biāo)。

*收稿日期:2015年8月1日,修回日期:2015年9月25日