雙基地聲納混響建模分析

陸　揚(yáng)，薛　飛，張世海，王雪松

(中國人民解放軍91439部隊(duì)，遼寧 大連　116041)

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雙基地聲納混響建模分析

陸揚(yáng)，薛飛，張世海，王雪松

(中國人民解放軍91439部隊(duì)，遼寧 大連116041)

摘要：在淺海環(huán)境下，混響是影響雙基地聲納系統(tǒng)性能的主要因素，基于雙基地聲納的幾何特點(diǎn)，對接收端的混響進(jìn)行了建模，并在接收端具有指向性的條件下，得出了混響面積以及接收端信混比的計(jì)算公式，對不同條件下接收端的混響強(qiáng)度以及信混比的變化進(jìn)行了仿真分析，得到了不同條件下雙基地聲納接收混響強(qiáng)度與收發(fā)位置、信號脈寬以及接受指向性的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：雙基地聲納；混響強(qiáng)度；信混比

本文引用格式：陸揚(yáng)，薛飛，張世海，等.雙基地聲納混響建模分析[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(6):129-131.

Citation format:LU Yang, XUE Fei, ZHANG Shi-hai, et al.Modeling and Analying for Bistatic Sonar Reverberation[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(6):129-131.

伴隨著新的降噪技術(shù)在潛艇上的應(yīng)用，被動聲納的探測效果受到了很大影響，而對于主動聲納，在獲得目標(biāo)探測結(jié)果的同時，其自身也將暴露，這對其安全是非常不利的。雙/多基地聲納由于其收發(fā)分置，接收端只是被動的接收目標(biāo)回波信號，所以具有極好的隱蔽性。雙/多基地還具有探測距離大、配置靈活以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此成為聲納研究的熱點(diǎn)[1-4]。

混響是由海面、海底的不平整性和海洋中各種非均勻性散射元的散射引起的，混響可分為體積混響和界面混響[5]，其中由海面、海底的散射產(chǎn)生的界面混響為主動聲納的主要干擾之一。對于收發(fā)合置聲納混響的研究已經(jīng)有很多理論及計(jì)算方法，對于雙基地聲納的混響國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了一定的研究[6-8]。本文以雙基地聲納為基礎(chǔ)，建立了海底混響的幾何模型，分析了不同條件下雙基地海底混響的強(qiáng)度以及接收信混比的變化，得到了雙基地混響的衰減規(guī)律。

1　雙基地聲納模型

1.1雙基地聲納幾何模型

如圖1所示，忽略深度的不同，假設(shè)收發(fā)端及目標(biāo)均在同一水平面上，R和S分別為接收端和發(fā)射端，收發(fā)端之間的距離為基線長度L，目標(biāo)T的坐標(biāo)為(x,y)；在水平面內(nèi)，以收發(fā)連線為x軸，建立直角坐標(biāo)系，目標(biāo)到聲源和接收端的距離分別為Rs和Rr，設(shè)聲波在水中的速度恒為c，聲波從聲源S到目標(biāo)T再傳播到接收端R的時延為t。由于收發(fā)端為橢圓的兩個焦點(diǎn)，目標(biāo)位于橢圓上，在接收端估計(jì)出目標(biāo)與基線的夾角θ0后，根據(jù)橢圓方程可求得Rr：

(1)

收發(fā)端的坐標(biāo)可以通過GPS確定，通過估計(jì)得到的θ0和Rr即可以得到目標(biāo)的坐標(biāo)。

圖1　雙基地聲納幾何分布

1.2雙基地混響計(jì)算

假設(shè)海水是均勻的，海底散射系數(shù)為常數(shù)，只考慮對混響貢獻(xiàn)較大的海底散射。由于考察的是淺海遠(yuǎn)程混響，所以假設(shè)收發(fā)端與界面散射元在一個平面上。在任意時刻t，接收到的混響為圖2中的兩個橢圓之間的環(huán)帶的散射波組成， 假設(shè)聲波按球面波擴(kuò)展，則此時接收端的混響強(qiáng)度[9]可以表示為對混響有貢獻(xiàn)的散射面元的積分，如下式所示

(2)

圖2　對接收主瓣有貢獻(xiàn)的混響面積

此時接收端的混響不僅與發(fā)射信號的脈寬及收發(fā)端的位置有關(guān)，還與發(fā)射端與接收端的波束寬度有關(guān)，假設(shè)發(fā)射端無指向性、發(fā)射信號脈寬一定，此時混響的面積將由接收波束與等時橢圓的相交面積決定，并且接收波束圖上不同角度的增益是不相同的，如圖3所示。計(jì)算式中引入增益函數(shù)g(θ),它是一個混響入射角度θ與指向角度θ0的函數(shù)，主波束內(nèi)|θ-θ0|的值越大，g(θ)越小，此時混響強(qiáng)度的表達(dá)式為

(3)

式中：φ為主波束寬度；在信號脈寬為T時，積分半徑R1和R2分別由下式確定

(4)

不考慮主波束內(nèi)不同角度上增益的差別，當(dāng)脈寬不大的情況下，認(rèn)為積分區(qū)域內(nèi)聲波的傳播損失基本相同[10]，此時接收端的混響強(qiáng)度可表示為

(5)

RL=SL+10logμ-TLr-TLs+10logS

(6)

其中:SL為聲源級，TLs和TLr分別為聲波從聲源到目標(biāo)以及從目標(biāo)到接收端的傳播損失，而接收到的目標(biāo)回波信號強(qiáng)度可表示為

(7)

其中μ0為目標(biāo)的反射系數(shù)，將式(7)除以式(5)，取對數(shù)并化簡，得到信混比

(8)

圖3　接收陣主波束

2　仿真分析

假設(shè)無指向性發(fā)射聲納聲源級為200 dB，聲速c=1.5 km/s，基線長度L=8 km，探測信號的中心頻率為f=5 kHz，信號脈寬為20 ms，海底散射系數(shù)設(shè)為μ=10-3,以收發(fā)連線為x軸，其水平垂線為y軸，接收端為坐標(biāo)原點(diǎn)R(0,0),發(fā)射端的坐標(biāo)為S(L/2,0)，不考慮聲納收發(fā)端和目標(biāo)深度的差異[9]，接收基陣為20個陣元組成的直線陣，采用恒旁瓣算法，主波束寬度約為17°?？紤]到主波束內(nèi)不同角度的增益差別以及忽略此差別分別求得接收端混響強(qiáng)度，考慮到對稱性，目標(biāo)與基線的夾角為θ0=(0,180)°，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4　兩種方法求得的混響強(qiáng)度

從圖4中可以看出，兩種方式求的混響強(qiáng)度相差約為2dB，差別并不明顯，所以在計(jì)算能力有限以及對混響值要求不很精確的情況下，可以忽略主波束內(nèi)角度增益的差別。

當(dāng)有目標(biāo)存在的時候，假設(shè)其反射系數(shù)為μ0=10-1，當(dāng)聲傳播時間 t=6ms，信號脈寬T分別為20ms和40ms，目標(biāo)與基線的夾角為θ0=(0,180)°時，混響的面積以及接收端信混比的變化如圖5、圖6所示。從兩圖可以看出，隨著目標(biāo)與接收端夾角的增加，對接收主瓣內(nèi)混響有貢獻(xiàn)的面積越來越小，則接收端的信混比變大，對于發(fā)射信號而言，信號的脈寬越大，對接收主波束混響有貢獻(xiàn)的散射面積也越大，相應(yīng)的信混也就越小。

圖5　混響面積隨方位角變化曲線

圖6　信混比隨方位角變化曲線

圖7　目標(biāo)不同位置時的混響強(qiáng)度

圖8　信混比隨目標(biāo)位置變化曲線

當(dāng)目標(biāo)的橫坐標(biāo)從-2km到10km變化的過程中，不同縱坐標(biāo)對應(yīng)的混響強(qiáng)度以及信混比的變化如圖7、圖8所示。從圖7可以看出，傳播距離越短混響強(qiáng)度越大，其極大值出現(xiàn)在發(fā)射端處，這是由于此時混響面積最大。在圖8中，曲線在接收端附近取得最大值，隨著目標(biāo)橫坐標(biāo)的增加信混比一直下降，取得最小值后又有一定的增加。出現(xiàn)這樣的情況是由于在接收端附近，散射面積取得最小值，而隨著目標(biāo)橫坐標(biāo)的增加混響面積不斷增大，在取得最大值后又變小，所以信混比產(chǎn)生了起伏。

3　結(jié)論

本研究對淺海中雙基地聲納的混響進(jìn)行了二維建模仿真，分析了散射面積、混響強(qiáng)度以及接收端信混比的變化規(guī)律，對于利用雙基地聲納的機(jī)動性，合理地選擇收發(fā)裝置的機(jī)位具有一定的指導(dǎo)意義。在仿真計(jì)算中均未考慮海水的不均勻性與海底的不平整性，在以后的研究中，有待于更精確模型的提出。

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(責(zé)任編輯楊繼森)

doi:10.11809/scbgxb2016.06.030

收稿日期：2015-12-23；修回日期：2016-01-22

作者簡介：陸揚(yáng)(1966—)，男，博士，高級工程師，主要從事水聲測控研究。

中圖分類號：TB567

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)06-0129-04

Modeling and Analying for Bistatic Sonar Reverberation

LU Yang, XUE Fei, ZHANG Shi-hai, WANG Xue-song

(The No.91439thTroop of PLA, Dalian 116041, China)

Abstract:In the shallow water environment, the reverberation is the main factors that affect the performance of bistatic sonar, and based on the geometry distribution of the bistatic sonar system, this paper modeled the reverberation in the receiver, and under the condition that the receiver is directional, we deduced the equation of reverberation area and the signal-to-reverberation ratio(SRR), and simulated and analyzed the reverberation intensity and SRR in different conditions, and obtained the relationship of reverberation with the sonar position, impulse width and the receiver’s directivity.

Key words:bistatic sonar; reverberation strength; signal-to-reverberation ratio