基于聲場模型的獵雷聲吶探測成像仿真方法

蔣文聰，張宏欣

（中國人民解放軍91439部隊 43分隊，遼寧 大連 116041）

0 引言

隨著水雷引信智能化水平的不斷提高，通過模擬目標(biāo)物理場觸發(fā)水雷引信的傳統(tǒng)非接觸掃雷方式已經(jīng)難以勝任當(dāng)前及未來面臨的反水雷任務(wù)挑戰(zhàn)[1-2]。以直接探測定位和滅除水雷的獵雷方式已經(jīng)成為反水雷訓(xùn)練與作戰(zhàn)的常態(tài)樣式?？梢灶A(yù)見，未來將有更多新的獵雷型反水雷裝備出現(xiàn)。而這些反水雷裝備的作戰(zhàn)試驗考核，尤其是探滅雷效能等核心能力指標(biāo)的考核通常需要大量兵力和裝備來配合保障，且需要多次試驗以形成統(tǒng)計結(jié)論，其實施難度較大，成本較高?；诜此籽b備仿真系統(tǒng)試驗可作為實航試驗的有效補充，對于作戰(zhàn)試驗階段評估反水雷裝備效能具有重要意義。

獵雷聲吶探測成像仿真是構(gòu)建反水雷裝備仿真系統(tǒng)的核心與難點所在。從信號生成到接收處理過程來看，獵雷聲吶探測成像仿真需要依此考慮探測波形、聲源空間指向性、水下聲信號傳播信道、海底底質(zhì)與混響、目標(biāo)表面散射、信號檢測與處理以及成像處理，仿真過程需要大量建模與計算[3]。此外，由于高頻成像聲吶系統(tǒng)通常需要進行聚焦波束形成，其信號處理過程也較為復(fù)雜。因此，目前的聲吶探測和成像仿真方法[4-6]多采用直接目標(biāo)亮點仿真的方法進行，即忽略掉聲吶成像前的所有物理和信號處理過程，在恒定聲速條件下直接仿真目標(biāo)亮點來得到圖像，這種方式雖然能夠極大簡化處理過程，但不能反映水文、底質(zhì)等條件對于探測識別結(jié)果的影響，因此不利于構(gòu)建反水雷裝備仿真系統(tǒng)。

本文基于水下聲學(xué)中廣泛采用的Bellhop3D三維聲場分析程序[7-8]進行計算，結(jié)合簡化聲散射模型與信號復(fù)分析方法，以耦合方式定量考慮了聲吶搭載平臺與目標(biāo)相對位置、姿態(tài)對于一定開角下的探測范圍影響及速度對于信號的多普勒效應(yīng)，較為完整地模擬出目標(biāo)回波信號，并根據(jù)聲吶探測成像原理進行等效信號處理實現(xiàn)了成像仿真。由于Bellhop3D能夠在任意三維底質(zhì)和任意空間聲速梯度條件下進行聲場分析計算，因此基于其構(gòu)建的信道沖擊響應(yīng)能夠更好的反映實際中的水下聲傳播環(huán)境。此外，采用簡化聲散射模型和等效信號處理提高了計算效率，從而使整個過程的仿真計算可以在較短時間內(nèi)完成。以某型反水雷裝備前視聲吶為例，對聲吶探測沉底水雷目標(biāo)情況進行了仿真。結(jié)果表明，本文方法能夠得到高頻聲吶對沉底水雷目標(biāo)的探測圖像，與實際情況具有一致性，可應(yīng)用于反水雷裝備模擬仿真系統(tǒng)中的聲吶探測成像仿真。

1 前視聲吶與運動學(xué)耦合聲信號模型

1.1 前視聲吶、波動方程與聲信號

前視聲吶位于搭載平臺的艏部，是用于獵雷探測的主要裝備。其換能器一般包括1個弧形發(fā)射聲源和1個半圓型或直線型接收陣列，聚焦波束成形在接收時由接收陣列完成。圖1中給出了本文中使用的前視聲吶發(fā)射聲源和接收波束的幾何描述。其中：θS=90°，為發(fā)射源水平開角；?S=45°，為垂直開角；θB=0.468°，為接收成形波束水平開角；?B=θs，為接收波束垂直開角范圍；Rmax= 1 50m ，為前視聲吶最大探測距離。

圖1 發(fā)射聲源和接收波束的幾何描述Fig.1 Geometric description of transmitting acoustic source and receiving beam

式（1）可以利用 Bellhop3D聲場分析程序求解三維傳播空間內(nèi)的程函方程進行計算，從而得到從聲源級處到某一散射點的單程傳播信道參數(shù)，即反映傳播時延的函數(shù)γ(x)，復(fù)包絡(luò)A( x)和相變φ( x )。對于前視聲吶，可以將其視作收發(fā)合置的，因此利用單程傳播參數(shù)可以容易地計算得到散射點在前視聲吶接收處產(chǎn)生的回波，即根據(jù)式（2）可得到前視聲吶接收聲壓場信號為

1.2 運動學(xué)耦合分析

探測平臺運動學(xué)信息與聲發(fā)射與接收信號之間的耦合主要包括：①探測平臺姿態(tài)對于發(fā)射聲源和接收波束與海底地形（目標(biāo)）之間的姿態(tài)的影響；②運動導(dǎo)致相對于位置的變化；③平臺運動產(chǎn)生的多普勒頻移。下面分別對上述耦合因素進行定量分析。

1）相對姿態(tài)與相對位置的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

設(shè)海底（或目標(biāo)）地形坐標(biāo)點為xT=(xT, yT,zT)，前視聲吶聲源坐標(biāo)為 xs=(xs, ys, zs)，搭載平臺姿態(tài)角為 ψ = ( ψ ,θ,?)。以聲源坐標(biāo)為原點，則海底（或目標(biāo)）地形相對于前視聲吶坐標(biāo)系的位置為

式中：R(ψ, θ, )?為搭載平臺相對于地形參考系的姿態(tài)矩陣。完成上述轉(zhuǎn)換后即可利用xT′作為海底（或目標(biāo)）地形坐標(biāo)點，導(dǎo)入Bellhop3D聲場分析程序進行信道計算。

2）多普勒頻移。

如圖2中給出的一般態(tài)勢所示，發(fā)射/接收信號的多普勒頻移主要是由于探測平臺與探測目標(biāo)之間的相對運動引起的。圖2中：u0為發(fā)射聲源指向某運動目標(biāo)的單位矢量； vrsource，vrobs分別為聲源和觀測點沿著相對方位的徑向速度幅值；vsource，vobs為發(fā)射聲源和觀測點的運動速度； θsource，θobs分別為徑向矢量與源運動速度和觀測點運動速度之間的夾角；vrtarget，vtarget分別為目標(biāo)的徑向速度幅值和運動速度。

圖2 發(fā)射聲源與觀測點/目標(biāo)的相對態(tài)勢Fig.2 Relative situation between acoustic source and target

根據(jù)圖中給出的關(guān)系，結(jié)合多普勒頻移原理，注意到聲速相對于聲源運動是無關(guān)的，可以容易地得到如下關(guān)系：

顯然可見，上式的頻移本質(zhì)上相當(dāng)于在時域?qū)π盘栠M行壓縮操作。因此，本文在實際處理中，對于時域信號的頻移依此通過 Chirp-Z變換、逆Fourier變換和 Hilbert變換完成，其中Chirp-Z變換和逆 Fourier變換用于頻移后的離散時域信號，Hilbert變換用于求取解析信號，以便于和Bellhop3D的衰減計算結(jié)果相匹配。

2 目標(biāo)散射場的簡化模型

探測聲波入射目標(biāo)時會發(fā)生散射，散射聲場一般可采用Kirchhoff模型來表示，即

式中：A和dA分別表示目標(biāo)表面與微分面元；R( x)為接收點處目標(biāo)面元的反射系數(shù)；n(x)接收點處目標(biāo)面元的法向矢量。

對于收發(fā)合置聲吶聲源和接收陣可設(shè)為同一位置，以前視聲吶聲源所處位置點為原點。將目標(biāo)表面剖分成面元，上述積分可以表示為如下的求和：

文獻[6]中已表明，基于面元積分近似的散射場 Kirchhoff模型可以得到與實際符合較好的近似結(jié)果，但對于高頻聲吶而言這通常需要大量的面元，對于本文的研究對象是難以適用的。假設(shè)目標(biāo)表面相對于波束寬度是粗糙的，那么式（5）中的指數(shù)項可以忽略，面元剖分面積可以增大，因此散射強度場可以用簡單的亮點模型進行非相干近似，即

式中：K( r)為歸一化和單位轉(zhuǎn)換量；χk( r)為第k個亮點面積塊的特征函數(shù)，即當(dāng)球殼|r|與該面積相交時為1，否則為0。式（6）的簡化處理意為在距離一定條件下，接收亮度取決于入射波束與入射面積塊的相對方向，與觀測方向無關(guān)。

3 探測成像的等效處理

對于探測成像過程中的聚焦波束成形特性，本文利用 Bellhop3D三維聲場分析程序中的 N×2D子程序，根據(jù)水平開角波束寬度，跟蹤每個方位角采樣面內(nèi)的所有單程聲線信道傳播參數(shù)，即傳播時延函數(shù) γi( x)，復(fù)包絡(luò) Ai( x)和相變 φi(x )，則根據(jù)式（3）可以得到第i個方位角采樣面內(nèi)的接收回波信號為

顯然，由于聲壓 pi( x, t)僅在第i個方位角采樣面內(nèi)存在，因此這個聲壓強度即可以等效為聚焦波束成形后的結(jié)果。因此 pi( x, t)包含了由(x, t)確定的距離、第i個采樣方位以及在該方位和距離上的強度，可以容易地給出在一定探測方位和距離上的回波強度，從而得到探測目標(biāo)成像結(jié)果。

4 仿真算例

如圖3中所示，本節(jié)采用美國馬薩諸塞州海灣流域的 Weymouth海灣的真實海底地型和底質(zhì)特性數(shù)據(jù)，結(jié)合在該海域?qū)崪y的聲速剖面數(shù)據(jù)共同構(gòu)成探測成像仿真所在的水下環(huán)境，導(dǎo)入Bellhop3D聲場分析程序進行三維聲線信道響應(yīng)參數(shù)的計算。仿真中取搭載于水下潛航器的前視聲吶所在位置作為Bellhop3D聲場分析程序中聲線跟蹤計算的參考系原點。

圖4給出了在圖3給出環(huán)境條件數(shù)據(jù)下，采用Bellhop3D聲場分析程序高斯聲束方法計算得到的發(fā)射陣聲線軌跡；圖5給出了聲源處在[0，0，8] m時，10 m深度平面內(nèi)的接收傳播衰減（TL）。從圖4-5中可見，該水域的高頻聲場傳播具有顯著的復(fù)雜性，這是由于淺（窄）水域尺度和復(fù)雜起伏的地形環(huán)境共同導(dǎo)致的。

圖3 Weymouth海灣海底特性數(shù)據(jù)Fig.3 Seabed characteristic data of Weymouth Bay

圖4 前視聲吶發(fā)射跟蹤聲線Fig.4 Forward-looking sonar emits tracking sound ray

圖5 前視聲吶發(fā)射波在10 m深度面內(nèi)的傳播衰減Fig.5 Propagation attenuation of FLS waves in a 10 m depth plane

為了通過式（11）來仿真被探測目標(biāo)的散射聲場強度，采用有限元軟件對一個模擬沉底水雷目標(biāo)進行幾何建模。圖6給出了該模擬目標(biāo)表面的三角形任意剖分網(wǎng)格情況以及每個剖分面上的法向矢量。式（11）中的反射系數(shù)取水雷殼體材料的聲反射系數(shù)。此外，為了模擬真實沉底水雷狀態(tài)，在仿真處理時沉底水雷的下半部分沒入海底地形障礙之中。

圖6 模擬目標(biāo)水雷及其法向矢量Fig.6 Simulated target mine and its normal vector

圖7-8分別給出了在無目標(biāo)條件下和目標(biāo)位于前視聲吶正衡25 m處條件下，采用本文方法得到的前視聲吶探測圖像，其中根據(jù)某型前視聲吶的波束成形特性設(shè)置了正橫方向附近正負(fù)15°的接收增益，此外為了便于觀察目標(biāo)情況和減小計算量，只取了圖 3（b）中的一部分地形數(shù)據(jù)。從圖中可見，本文方法能夠較好的仿真出前視聲吶對海底和目標(biāo)的探測成像結(jié)果，驗證了本文方法在直觀上的正確性和有效性。

圖7 無目標(biāo)條件下前視聲吶仿真探測成像結(jié)果Fig.7 Imaging results of FLS simulation under no-target condition

圖8 目標(biāo)位前視聲吶正衡25 m處的仿真探測成像結(jié)果Fig.8 Imaging results of simulated detection at 25 m from the FLS abeam of the target

5 結(jié)束語

本文針對獵雷聲吶對水雷目標(biāo)探測仿真問題，提出一種基于運動學(xué)信息與水下聲場傳播耦合分析的探測成像仿真方法。利用 Bellhop3D聲場分析程序計算水下聲信道信號沖擊響應(yīng)，結(jié)合簡化聲散射模型與信號復(fù)分析方法，以耦合方式定量考慮聲吶平臺運動學(xué)因素的影響，模擬目標(biāo)回波信號，并根據(jù)聲吶探測成像原理進行了等效的聚焦波束形成處理。以高頻前視聲吶為例，對聲吶探測沉底水雷目標(biāo)情況進行了仿真，給出了高頻聲吶對沉底水雷目標(biāo)的探測圖像，與實際聲吶探測情況具有一致性。為反水雷作戰(zhàn)試驗仿真系統(tǒng)與部隊反水雷訓(xùn)練系統(tǒng)中的聲吶探測成像仿真提供了方法依據(jù)。下一步主要工作是進一步提高成像計算效率，結(jié)合平臺運動實現(xiàn)動態(tài)實時成像，建立搭載平臺操控和探測成像一體化獵雷聲吶探測仿真系統(tǒng)。