線列陣聲誘餌模擬尺度目標(biāo)回波方位特性*

張 儀 李 華

（91388部隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

目標(biāo)回波的特征提取及識(shí)別是現(xiàn)代魚雷聲自導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)之一，通常智能魚雷在攻擊和反水聲對(duì)抗過程中使用目標(biāo)回波特征進(jìn)行真假目標(biāo)識(shí)別。其中目標(biāo)回波的空間特征是真實(shí)目標(biāo)區(qū)別于干擾目標(biāo)的主要特征［1］，尤其對(duì)于尺度目標(biāo)的回波方位在一定舷角陣位上將呈現(xiàn)出延展特性（即方位“走向”），這為魚雷區(qū)分點(diǎn)源干擾和真實(shí)目標(biāo)提供了一個(gè)有效的識(shí)別方法，也是聲誘餌模擬艦艇目標(biāo)聲反射特性的關(guān)鍵技術(shù)之一。相比點(diǎn)源式聲誘餌，線列陣聲誘餌采用多個(gè)聲基元，通過多子陣之間誘騙信號(hào)的時(shí)延，可有效模擬尺度目標(biāo)亮點(diǎn)和方位延展特征。對(duì)于傳統(tǒng)的基于魚雷距離和方位信息的誘騙信號(hào)時(shí)延模型［2～3］，由于魚雷實(shí)際距離信息難于精確獲取，采用估算的距離對(duì)模擬回波信號(hào)的準(zhǔn)確度影響較大。另外，魚雷在攻擊過程中航速高、距離變化快，在對(duì)抗過程中無法持續(xù)準(zhǔn)確估算魚雷距離。

本文采用逆向思維方式，基于魚雷識(shí)別目標(biāo)特性的基本機(jī)理［4～6］，從目標(biāo)回波的空間域特征出發(fā)，采用分裂波束雙通道短時(shí)互譜方位提取方法，研究了線列陣聲誘餌模擬尺度目標(biāo)回波方位的延展特性和起伏特性，通過仿真驗(yàn)證了線列陣聲誘餌可以有效模擬尺度目標(biāo)的方位特征。

2 基于分裂波束雙通道短時(shí)互譜算法的目標(biāo)方位提取方法

互譜法在陣列信號(hào)處理中對(duì)提高方位估計(jì)的分辨力和估計(jì)精度均有重要意義，主要用于分裂波束系統(tǒng)的精確方位估計(jì)，尤其是主動(dòng)聲納中的窄帶信號(hào)處理［7～10］。

如圖1所示，假設(shè)分裂陣中兩子陣接收到的信號(hào)分別為e1(t)和e2(t)，且e2(t)=e1(t-τ)，其中，為兩子陣相對(duì)時(shí)延。顯而易見，目標(biāo)方位信息θ存在于τ中，而τ的信息則存在于e1(t)和e2(t)的互功率譜中［6］。

圖1 分裂陣示意圖

如果e1(t)和e2(t)的功率譜分別為E1(f)和E2(f)，則：

則E1(f)和E2(f)的互譜Z(f)為：

則τ與互譜Z(f)的相角φ關(guān)系為

進(jìn)一步可得方位θ的信息

在線列陣聲誘餌中，目標(biāo)信號(hào)輸入為離散時(shí)間序列，采用FFT 算法計(jì)算兩路信號(hào)的互功率譜，估計(jì)信號(hào)時(shí)延并求出目標(biāo)方位［9］。將目標(biāo)回波e1(t)和e2(t)采樣后得到離散采樣時(shí)間序列，將離散時(shí)間序列分為L(zhǎng)段，每段數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為M，對(duì)每段進(jìn)行FFT變換：

其互譜為

則第k條線譜對(duì)應(yīng)的相角φk為

進(jìn)一步可得其對(duì)應(yīng)方位為

3 線列陣聲誘餌模擬目標(biāo)尺度回波方位特性分析

目標(biāo)回波一般可看作若干個(gè)等效散射中心（亮點(diǎn)）反射的回波疊加而成，線列陣聲誘餌通過多個(gè)水聲換能器形成線列陣，采用對(duì)各陣元發(fā)射回波進(jìn)行延遲疊加和時(shí)間延展從而模擬形成虛擬陣元位置，以增加聲誘餌的虛擬長(zhǎng)度［10～13］，其示意圖如圖2所示。對(duì)魚雷接收到的多亮點(diǎn)應(yīng)答疊加信號(hào)而言，在采用分裂波束雙通道短時(shí)互譜方位提取得到的目標(biāo)方位是一個(gè)合成的等效方位。

圖2 線列陣聲誘餌N亮點(diǎn)回波示意圖

假設(shè)發(fā)射信號(hào)為CW 脈沖信號(hào)，其為s(t)，則可得到兩個(gè)通道的回波信號(hào)e1(t)和e2(t)：

其中ai表示各反射點(diǎn)反射強(qiáng)度，τi表示各反射點(diǎn)延遲時(shí)間，φi表示兩通道之間各反射點(diǎn)相位差。

根據(jù)文獻(xiàn)［14～15］可知，當(dāng)?shù)趉 個(gè)子回波開始對(duì)總回波貢獻(xiàn)時(shí)，則等效二子陣鑒向下的等效視在相位Φk可由下式計(jì)算得出：

由矢量合成原理可知Φ1≤Φ2≤Φ3≤…≤ΦN，據(jù)此可得，當(dāng)?shù)刃б曉诜轿沪萲在0°～90°區(qū)間時(shí)，θ1≤θ2≤θ3≤…≤θN。

理論上，由于θ1和θN是線列陣聲誘餌第1 個(gè)和第N個(gè)陣元發(fā)射的回波前后沿方位，因此理論上在一定陣位時(shí)，其值代表了線列陣聲誘餌真實(shí)的空間方位角，而θk(1 ＜k＜N)的空間等效方位則與其真實(shí)方位存在偏差，但線列陣聲誘餌尺度張角信息仍然存在，這是線列陣聲誘餌模擬目標(biāo)尺度的一個(gè)重要不變特征，是對(duì)抗具有尺度識(shí)別能力魚雷的重要基礎(chǔ)。

采用不同擬合方法計(jì)算的目標(biāo)方位誤差不完全系統(tǒng)同，其方位（相位）的誤差：

Δθ=θk-θfit(k)

其中θk(1≤k≤N)為等效鑒向方位，θfit(k)為以θ1～θN進(jìn)行擬合后，在與θk同時(shí)刻的擬合方位，Δθ為方位誤差。

4 仿真分析

仿真時(shí)選取CW 信號(hào)，中心頻率25kHz，脈沖寬度100ms；線列陣聲誘餌幾何長(zhǎng)度60m，亮點(diǎn)數(shù)12 個(gè)；魚雷分裂波束雙通道接收系統(tǒng)和線列陣聲誘餌聲中心的距離為500m，分別對(duì)舷角0°、30°和60°進(jìn)行仿真，其模擬尺度目標(biāo)的方位走向和方位起伏結(jié)果見圖3～5所示。

圖3 舷角0°時(shí)方位走向與方位起伏

圖5 舷角60°時(shí)方位走向圖與方位起伏統(tǒng)計(jì)圖

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)魚雷位線列陣聲誘餌一定舷角時(shí)，線列陣聲誘餌可有效模擬出目標(biāo)的尺度張角信息，具有方位延展特性和起伏特性，模擬的目標(biāo)回波方位將呈現(xiàn)一定的方位走向，方位起伏分布較均勻且集中在大于1°范圍內(nèi)。當(dāng)魚雷處于線列陣聲誘餌艏艉方向時(shí)，線列陣聲誘餌相當(dāng)于點(diǎn)源目標(biāo)，不具有方位延展特性且方位起伏分布均在小于1°范圍內(nèi)，模擬的目標(biāo)回波方位無方位走向。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于魚雷常用的目標(biāo)識(shí)別方法，分析了線列陣聲誘餌模擬目標(biāo)尺度回波方位特性中應(yīng)具備的延展性和方位起伏性，通過仿真驗(yàn)證了線列陣聲誘餌可以有效模擬尺度目標(biāo)的方位特征，為對(duì)抗采用方位走向和方位起伏進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別的魚雷提供了一種有效的方法。