聲誘餌電子艙散射聲場對接收信號影響研究

唐麗媛，王 琦

(上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

0 引 言

在現(xiàn)代海戰(zhàn)中，水聲對抗的效果很大程度上決定己艦的安全與否。目前反魚雷技術(shù)主要集中在自我保護和軟殺傷2個方面。其中聲誘餌是各國海軍廣泛采用的武器裝備之一[1-2]。

聲誘餌的工作方式分為主動式和被動式2種。主動式聲誘餌的主要工作原理是通過應答敵方的搜尋信號，模擬目標的發(fā)射特性，達到干擾敵方主動聲吶航向的目的。被動式聲誘餌可以連續(xù)發(fā)出與艦船輻射噪聲相似的寬帶噪聲，誘騙敵方聲吶認為是潛艇噪聲[3]。聲誘餌主要由發(fā)射陣、接收陣、以及電子艙組成。其中，電子艙是耐壓殼體結(jié)構(gòu)，主要有2個作用，一是作為發(fā)射接收裝置的支撐體，二是作為電源和連接線的儲藏體。圖1分別為以色列Rafael公司的SCUTTER聲誘餌和美國的AN/SLQ-25型聲誘餌[4]，其中接收發(fā)射陣置于電纜處。

主動式聲誘餌工作過程中發(fā)射信號的質(zhì)量決定了器材的誘騙性能，而發(fā)射信號是由器材接收端接收信號經(jīng)過信號處理得到的[1]，因此，有必要探究影響接收信號的因素。

不存在電子艙的情況下，聲波是典型的球面波衰減，接收信號波形和主動聲吶發(fā)射信號波形只會有幅度上的差異，信號周期、脈寬等保持一致，只需對接收信號按照模擬潛艇目標的目標強度進行變換即可獲得很好的誘騙能力。然而，實際工程中由于電子艙的存在，接收裝置處于電子艙散射聲場的近場范圍，接收信號會嚴重受到電子艙散射聲場的干擾，發(fā)生畸變。

圖1 聲誘餌模型Fig.1 Acoustic bait model

本文主要探究誘餌電子艙的散射聲場對接收信號的失真程度的影響。通過計算接收點在電子艙不同方位、不同距離以及選用不同殼體材料時有無電子艙存在接收到的時域信號的互相關(guān)系數(shù)來討論信號失真程度，互相關(guān)系數(shù)越高表明信號失真程度越低，聲誘餌性能越好。

1 理論基礎

1.1 誘餌電子艙建模與散射聲場計算

COMSOL Multiphysics是一款具有多物理場直接耦合功能的有限元分析軟件[5]。本文主要利用其中的聲固耦合模塊計算電子艙存在時的聲場。

常見的聲誘餌電子艙結(jié)構(gòu)是一面為球冠的圓柱形軸對稱結(jié)構(gòu)（見圖1），因此可以將其簡化為二維軸對稱的幾何模型，相比直接計算三維模型，可節(jié)約大量計算時間。

建立聲誘餌電子艙二維軸對稱數(shù)值計算模型，如圖2所示，包含簡化的誘餌電子艙、計算水域和有吸聲功能的完美匹配層。其中，電子艙模型圓柱體部分為長度為1 m，半徑為0.1 m，球冠部分為半徑等于圓柱半徑的半球，整體殼厚度為0.02 m。為后續(xù)表述方便，將球冠一端稱為“圓頭”，另一段稱為“平頭”。

圖2 電子艙數(shù)值計算模型Fig.2 Numerical calculation model of electronic cabin

采用二維軸對稱計算，入射聲波經(jīng)過諧波展開后為：

其中 φ為入射方向與r軸夾角，m為計算階次，本文中入射波方向均沿z軸，即 φ =±90°，此時m取0階即可滿足計算精度[6]。其中入射聲壓為1Pa。

計算完成后，通過軟件提供的后處理功能中的點計算可提取傳遞函數(shù)。其中表達式設為acpr.p_t時獲取到的即為電子艙存在時的傳遞函數(shù)H1(ω)，更改表達式為acpr.p_b可獲取背景場即電子艙不存在時的傳遞函數(shù)H0(ω)。

1.2 獲取時域信號

將包含目標的聲信道看作是一個線性系統(tǒng)，回波即為系統(tǒng)對入射信號的響應。設發(fā)射信號為s(t)，通過頻域間接法[7]獲取有無電子艙時的接收信號時域波形y1(t)和y0(t)如公式(2):

圖3為20 kHz，0.2 ms單頻信號沿平頭入射，平頭正前方軸線上0.2 m處有無電子艙的接收信號對比。其中，電子艙材料設置為鋼，具體參數(shù)見表1。

圖3 有無電子艙接收信號對比Fig.3 Comparison of signal received by electronic cabin

表1 材料參數(shù)表Tab.1 Table of material parameter

從圖3可以看到，電子艙導致接收信號嚴重畸變。y0(t)為單純的直達波，而y1(t)相比于y0(t)信號被展寬，主要由3部分構(gòu)成，分別為直達波：圖中線框1即A+C部分；幾何反射波：圖中線框2即C+B部分；殼體彈性回波[8]：圖中線框3即D部分。從圖中可以看到A部分2個信號基本相同，主要原因是t1時刻前幾何反射波還未到達，只有直達波。而t1時刻開始幾何反射波到達和直達波混疊，即圖中C部分，此部分信號發(fā)生畸變。t2時刻起直達波結(jié)束，t3時刻即圖中B部分為單純的幾何反射波，t4時刻起殼體彈性回波到達，即圖中D部分。此處標記的A，B，C，D四個區(qū)域，在后續(xù)問題分析中仍然會用到。

1.3 信號失真程度量化

相關(guān)分析[9]是在統(tǒng)計意義上表征2個或多個變量間的相關(guān)程度。在信號處理領域，通常通過計算互相關(guān)系數(shù)來分析信號的相關(guān)度[10]。

本文中通過計算電子艙存在時的接收信號y1(t)和不存在時的接收信號y0(t)之間的互相關(guān)系數(shù)來定義電子艙對接收信號的失真程度，即

ρ的取值范圍為[-1, 1]，其絕對值越大表示信號之間相關(guān)性越強；反之相關(guān)性越弱；接近1表示正相關(guān)性強，接近-1表示負相關(guān)性強，當其等于0時表示信號之間完全不相關(guān)。一般認為： ρ ＜0.3，沒有相關(guān)性； 0.3≤ρ＜0.5，低度相關(guān)； 0.5≤ρ＜0.8，中度相關(guān)； 0.8≤ρ＜1，高度相關(guān)[10-11]。

理論上式(3)中時間需要取無限長，但是對于確定信號做相關(guān)分析時在有限長數(shù)據(jù)窗內(nèi)仍然成立，本文只對包含目標信息的信號即A，B，C，D四部分進行分析。

對圖3分析得到二者的相關(guān)系數(shù)為0.449 1，可以看出，二者呈低度相關(guān)，說明接收信號被電子艙干擾后，僅有少量的敵方主動聲吶發(fā)射信息，波形嚴重畸變。

2 仿真分析

2.1 接收點和電子艙距離的影響

探究20 kHz，0.2 ms單頻信號沿平頭入射，接收點位于平頭正前方軸線上時，其與電子艙的距離對接收信號失真度的影響。殼體為鋼材料，距離電子艙0.005～4 m間隔為0.005 m的一組軸向接收點的散射聲壓以及相關(guān)系數(shù)結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

從圖4可以看出，距離誘餌0.1 m以內(nèi)時，散射聲壓先下降后迅速上升，這是由于各個幾何反射點[12]的反射聲波相位存在相反情況，疊加后導致幅值變小。在大于0.1 m后，有效反射點變少，散射聲壓值趨于穩(wěn)定，隨距離逐漸減弱。

從圖5可以看出：

圖4 平頭正前方散射聲壓隨距離關(guān)系Fig.4 Scattering sound pressure with distance in front of the flat head

圖5 平頭正前方相關(guān)系數(shù)隨距離關(guān)系Fig.5 Correlation coefficient with distance in front of flat head

1）距離小于0.15 m時，相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)較為激烈的上下震蕩。由幾何關(guān)系有，距離電子艙Dm處直達波和幾何回波的到達時間差表示水中聲速。D=0.15時，時間差為0.2 ms，等于發(fā)射信號脈寬，此時直達波和幾何回波剛好不重疊。可知小于0.15 m時，直達波和幾何回波仍存在疊加情況，即C部分存在。此時，相關(guān)性由A，B，C，D四部分共同作用。對于C部分信號相位隨著空間距離波動，若與直達波同向會增強相關(guān)性，相反，反向時會減弱相關(guān)性，因此該部分信號的相關(guān)性隨距離震蕩。同時，C部分的占比會隨著距離增加而減小，對總體相關(guān)性的貢獻越來越小。A部分屬于直達波完全重合狀態(tài)，該部分信號相關(guān)性極高，且隨著距離增加A部分越大，在整體相關(guān)性中隨距離增加正相關(guān)貢獻越多。B和D部分為不相關(guān)信號，隨著距離會向后移動，逐漸變寬，在整體相關(guān)性貢獻變多，直至C完全消失。綜上，在0.15 m以內(nèi)，總體的相關(guān)系數(shù)由A，B，C和D四個區(qū)域信號共同決定，四部分相關(guān)性各自有強有弱，相互制約，最終形成震蕩情況。

2）距離在0.15 m以上的時，直達波和幾何回波完全分開，即C部分消失，此時作用的只有A，B和D。A部分不隨距離變動，該部分信號呈正相關(guān)，且相關(guān)性較強，該部分信號在整體相關(guān)性貢獻不隨距離改變；B，D部分信號呈不相關(guān)狀態(tài)，隨著距離變化寬度不變，但到達時刻隨距離向后移動，信號幅值會隨距離衰減，因此該部分信號在整體相關(guān)性貢獻中逐漸減弱。綜上，距離在0.15 m以上的時，相關(guān)系數(shù)隨距離的增加變大。

3）距離大于0.535 m時，直達波和幾何回波相差3.6個脈寬，相關(guān)系數(shù)在0.8以上，信號呈高度相關(guān)，接收質(zhì)量較好。

4）結(jié)合圖5可以看到，相關(guān)系數(shù)和散射聲壓變化規(guī)律相反，散射聲壓越弱，接收信號質(zhì)量越好，二者呈負相關(guān)。

2.2 接收端電子艙端部形狀影響

為探究接收點方位的影響，計算聲波沿圓頭入射時圓頭正前方信號相關(guān)系數(shù)隨距離的變化關(guān)系，并與上文計算結(jié)果對比，如圖6所示。

圖6 接收點在兩端結(jié)果對比Fig.6 Results comparison of receiving points at both ends

可以看出，接收點在圓頭正前方時，整體相關(guān)系數(shù)比在平頭正前方高，且震蕩區(qū)域小，震蕩幅值范圍窄。這是由于平頭處接近于平板散射，其散射聲場強[12]，且邊緣處同樣存在對聲波的反射，幾何反射點多[13]，因此接收點接收到的散射波較強，各處反射回來的波疊加后，更易形成相位波動，使相關(guān)系數(shù)震蕩。相比之下，圓頭處接近于球散射[12]，其散射能力較平板弱，且沒有突出的幾何反射點，因此散射波更弱更平穩(wěn)，其相關(guān)系數(shù)更強，接收信號質(zhì)量更好。

2.3 殼體材料的影響

應用控制變量法，計算殼體為橡膠材料的情況，具體材料參數(shù)見表1，得到結(jié)果與鋼材料對比如圖7所示。

圖7 不同材料相關(guān)系數(shù)對比Fig.7 Comparison of correlation coefficients of different materials

可以看到材料為橡膠時相關(guān)系數(shù)很高，均在0.8以上。由于橡膠材料具有吸聲性能，導致其對聲波的反射和散射能力很弱，即B，C，D三部分很弱，因此其接收的信號不易畸變，質(zhì)量更好。

3 結(jié) 語

本文結(jié)合有限元數(shù)值仿真和頻域間接法獲取了有無電子艙時的接收信號，并討論了電子艙散射聲場引起接收信號畸變的原因。利用相關(guān)分析法獲取相關(guān)系數(shù)進而量化接收信號畸變程度。并對3種情況進行仿真，得到如下結(jié)論：

1）接收信號質(zhì)量和散射聲壓呈負相關(guān)；

2）接收點距離電子艙越遠，接收信號質(zhì)量越高；

3）相同距離時，接收點置于圓頭正前方比平頭正前方接收信號質(zhì)量高；

4）選取有吸聲性能的殼體材料，可以有效降低電子艙散射導致的接收信號的畸變。