收發(fā)分置聲納淺海近程混響信號(hào)建模研究

胡家福，朱廣平，張衛(wèi)強(qiáng),2

（1.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱150001；2.海軍東海艦隊(duì)海洋水文氣象中心，浙江 寧波 315122）

收發(fā)分置聲納淺海近程混響信號(hào)建模研究

胡家福1，朱廣平1，張衛(wèi)強(qiáng)1,2

（1.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱150001；2.海軍東海艦隊(duì)海洋水文氣象中心，浙江 寧波 315122）

研究了收發(fā)分置聲納淺海近程混響的建模與仿真，模型主要基于單元散射理論，依據(jù)散射系數(shù)相關(guān)半徑來劃分海面、海底散射單元，通過模擬海面、海底混響形成的物理過程建立單接收與多接收模型。模型中考慮聲納設(shè)備參數(shù)（指向性、收發(fā)位置、發(fā)射信號(hào)）及環(huán)境因素（海面運(yùn)動(dòng)、海底粗糙程度）對(duì)混響建模的影響。設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)淺海近程單接收與多接收混響信號(hào)模型并仿真計(jì)算出混響時(shí)間序列，提供GUI(Graphical User Interface)用戶圖形界面支持。對(duì)建模仿真的混響信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，驗(yàn)證了論文建立的淺海混響信號(hào)模型的正確性。

淺海；混響；散射單元；統(tǒng)計(jì)特性

早期的混響信號(hào)建模大多建立在單元散射單元理論基礎(chǔ)上只針對(duì)海底界面建模[1]，在模型基礎(chǔ)上對(duì)混響信號(hào)自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行了分析[2]，換能器指向性建模方法[3]也得到了進(jìn)一步的研究，文獻(xiàn)[4]仿真了運(yùn)動(dòng)聲納的混響信號(hào)，文獻(xiàn)[5]研究了一種基于HODGKISS單元散射理論的海洋混響的陣列模型。近年來的研究[6-7]通常先估計(jì)混響的時(shí)變強(qiáng)度，然后在瞬時(shí)混響振幅服從瑞利分布及相位服從均勻分布的假設(shè)下產(chǎn)生時(shí)變隨機(jī)混響信號(hào)，而相關(guān)設(shè)備參數(shù)（如：指向性、束寬等因素）、海面因素等均未在模型中得到體現(xiàn)。本文在單元散射理論的基礎(chǔ)上，通過模擬海面、海底雙層界面的混響形成物理過程進(jìn)行建模。模型中考慮聲納設(shè)備參數(shù)及環(huán)境因素對(duì)混響建模的影響，根據(jù)實(shí)際情況分別建立并實(shí)現(xiàn)了收發(fā)分置單接收和多接收聲納的混響信號(hào)模型，并對(duì)混響信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與檢驗(yàn)。

1 模型的建立

模型的建立要考慮多種因素影響，包括海面運(yùn)動(dòng)引起的多卜勒效應(yīng)、海面和海底不平整程度對(duì)混響信號(hào)的振幅、頻率及相位相關(guān)參數(shù)的影響、發(fā)射和接收設(shè)備參數(shù)等。本文首先研究收發(fā)分置單接收基陣的建模問題，并在實(shí)現(xiàn)單發(fā)單收的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完成多接收模型的建立。

1.1 單接收模型的建立

單接收模型示意如圖1所示，虛線表示發(fā)射信號(hào)，實(shí)線表示散射信號(hào)。由于是淺海近程混響，不考慮信號(hào)的多途反射，發(fā)射信號(hào)到達(dá)散射單元后經(jīng)過一次散射后到達(dá)接收點(diǎn)的所有散射信號(hào)迭加得到模型的仿真混響信號(hào)。

圖1 單接收模型示意圖

圖2（a）表示發(fā)射信號(hào)經(jīng)散射單元散射后到接收基陣，信號(hào)在接收點(diǎn)迭加。混響信號(hào)用公式可表示為：

式中：a(ti)是相應(yīng)于第i散射體的散射波的隨機(jī)幅度，丨a(ti)丨模值服從瑞利分布，相角服從均勻分布（0～2π）。函數(shù)v(t-ti)表示單個(gè)散射信號(hào)的形狀。

信號(hào)發(fā)射到海面過程后，海面波浪運(yùn)動(dòng)會(huì)引起信號(hào)頻率的多卜勒頻移，此處假設(shè)頻移服從高斯分布。對(duì)于設(shè)備參數(shù)中的指向性設(shè)定，本文不考慮復(fù)雜的指向性旁瓣，只考慮發(fā)射及接收設(shè)備主瓣束寬。因?yàn)槭菧\海建模，水深將有一定限制，而發(fā)射、接收設(shè)備坐標(biāo)則可以設(shè)定在深度范圍內(nèi)任意位置處。模型中角度的定義如圖3所示,α是方位角，θ是俯仰角，分別以X和Z軸為正方向，方位角范圍在-180°～180°，俯仰角范圍在 -90°～90°。

圖2 散射信號(hào)的移位累加

圖3 三維空間各角度定義示意圖

信號(hào)自發(fā)射聲納發(fā)出經(jīng)過海面，海底的散射單元后散射到接收聲納，在此過程中，要考慮傳播距離引起的衰減，海面運(yùn)動(dòng)引起的頻率展寬及海面和海底散射信號(hào)振幅的瑞利分布和相位均勻分布規(guī)律。這里要說明的是，對(duì)于海面和海底都將考慮振幅的改變，即通過散射單元后振幅將按瑞利分布重新分配，而頻率的展寬只應(yīng)用于海面情況，經(jīng)過散射單元散射的信號(hào)相位分布則是在0～2π內(nèi)均勻分布的。

首先對(duì)于信號(hào)在整個(gè)過程中因?yàn)榫嚯x而引起的衰減規(guī)律建模。假設(shè)信號(hào)初始幅值為A，信號(hào)幅值按距離一次方衰減，則信號(hào)到達(dá)散射單元的振幅為A/r1，其中r1為發(fā)射聲納到散射單元的距離。如果不考慮散射引起的振幅和相位變化，則信號(hào)自散射單元到接收聲納，此時(shí)接收聲納接收到的信號(hào)幅值為A/（r1·r2），其中，r2為散射單元到接收聲納的距離。在模型當(dāng)中，界面是由許多散射單元組成的，作用于接收器的總散射聲信號(hào)幅值為每個(gè)體元的貢獻(xiàn)之和：

式中：n為散射單元總個(gè)數(shù)。

考慮海面和海底的作用后，在聲納指向范圍內(nèi)，得到最終混響信號(hào)表示如下：

式中：ωi為隨機(jī)多普勒頻移；φ(ti)為隨機(jī)相位。

1.2 多接收模型的建立

在單接收模型的基礎(chǔ)上，建立了多接收模型。

如圖4所示，信號(hào)從聲納發(fā)出，經(jīng)過海底、海面一次散射后到達(dá)多個(gè)接收設(shè)備，海面、海底的不平整性及海面的波浪運(yùn)動(dòng)都將影響混響信號(hào)的改變，所有散射單元散射回來的信號(hào)在接收設(shè)備處迭加。

圖4 多接收模型示意圖

圖5 單接收模型程序框圖

2 模型的程序?qū)崿F(xiàn)

2.1 單接收模型的實(shí)現(xiàn)

為了更好地介紹模型的實(shí)現(xiàn)過程，繪制程序框圖如圖5所示。模型選用CW脈沖信號(hào)作為發(fā)射信號(hào)。設(shè)備參數(shù)相關(guān)的模型實(shí)現(xiàn)，指向性，角度的限定部分，α，θ角通過反三角函數(shù)即可求出，對(duì)應(yīng)于每個(gè)散射單元都有一個(gè)獨(dú)立的α和θ角與之對(duì)應(yīng)，這樣只要通過限定α，θ的取值范圍，就可以控制設(shè)備的方位角，俯仰角，水平束寬，垂直束寬。對(duì)于發(fā)射、接收換能器的位置坐標(biāo)可以任意設(shè)定。實(shí)現(xiàn)時(shí)各角度范圍為：方位角 0°～360°，俯仰角 -90°～90°，水平束寬 0°～360°，垂直束寬 0°～360°。

如圖6所示，發(fā)射點(diǎn)的坐標(biāo)（-1 500，500，-500），接收點(diǎn)的坐標(biāo)（3 000，-1 500，-600），接收點(diǎn)相對(duì)發(fā)射點(diǎn)在右前方，其中，發(fā)射換能器方位角 20°，俯仰角 0°，水平束寬 60°，垂直束寬360°（即垂直方向不限定）；接收換能器方位角110°，俯仰角0°，水平束寬45°，垂直束寬360°。圖中，綠色實(shí)點(diǎn)部分即發(fā)射信號(hào)所能到達(dá)的區(qū)域范圍，黃色圓圈區(qū)域表示接收換能器所能接收到散射信號(hào)的區(qū)域范圍，重疊部分即為有貢獻(xiàn)的散射區(qū)域。由此可以非常直觀地觀察到信號(hào)投影面積，及接收換能器所能接收到的信號(hào)方位。由該模型可得到的仿真混響信號(hào)如圖7所示。

圖6 實(shí)現(xiàn)單接收模型示例圖

圖7 接收器得到的混響信號(hào)

由于從散射單元散射回來的信號(hào)振幅、頻率、相位都是隨機(jī)的，每次運(yùn)行的結(jié)果，得到的混響都會(huì)不同，體現(xiàn)混響的隨機(jī)過程。最后，為了方便用戶操作及更直觀的顯示程序結(jié)果，加入GUI圖形用戶界面，如圖8所示。

圖8 單接收模型界面

2.2 多接收模型的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于多接收模型，接收基陣的數(shù)量增加了，但信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性沒變，在不改變振幅、頻率、相位的模型的前提下，加入多個(gè)接收基陣，即形成多接收模型。多接收基陣的設(shè)備參數(shù)范圍一致。

圖9 實(shí)現(xiàn)多接收模型示例圖

如圖9所示，綠色實(shí)點(diǎn)為發(fā)射信號(hào)的覆蓋范圍，其他顏色均為接收基陣所能接收到散射信號(hào)區(qū)域范圍。橙色圓圈為接收基陣1，水平束寬30°，垂直束寬無限制；藍(lán)靛色棱形為接收基陣2，水平束寬20°，垂直束寬20°，指向海面；紅色五角星為接收基陣3，水平束寬30°，垂直束寬20°；紫色倒三角為接收基陣4，水平束寬10°，垂直束寬無限制；黑色正方形為接收基陣5，水平束寬30°，垂直束寬10°，指向海面；發(fā)射陣是全指向性，接收基陣均為定向接收。發(fā)射聲納和各接收器的位置、方位角和俯仰角如表1所示。則各基陣接收到的混響信號(hào)如圖10所示。

表1 發(fā)射聲納和接收器的位置、方位角和俯仰角表

圖10 多接收模型接收信號(hào)

圖中，接收1基陣和接收5基陣和發(fā)射基陣在同一側(cè)，比較接近收分合置聲納，衰減規(guī)律比較明顯，接收3基陣和接收4基陣在發(fā)射基陣的兩側(cè)，而接收2基陣在發(fā)射基陣對(duì)面。多接收模型的GUI圖形用戶界面如圖11所示。

圖11 多接收模型界面

界面中，包含各種參數(shù)的設(shè)定，有設(shè)備參數(shù)，信號(hào)參數(shù)等，并且有彈窗提示輸入的參數(shù)正確與否，程序運(yùn)行狀態(tài)等。另外，界面菜單欄還提供數(shù)據(jù)和圖像保存功能，界面制作相關(guān)信息等。

3 模型仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)特性的檢驗(yàn)

3.1 多接收模型接收信號(hào)空間相關(guān)系數(shù)比較

把5個(gè)接收器設(shè)定在同一深度，均勻分布在圓上，并將發(fā)射器與接收器5設(shè)定為同一位置，如圖12所示。這里研究不同俯仰角情況和不同束寬情況下，不同接收器模擬的信號(hào)與接收器5模擬的信號(hào)之間的空間相關(guān)性，如圖13、圖14所示。

多接收模型中，比較了不同位置上接收信號(hào)的空間相關(guān)系數(shù)。結(jié)果表明，接收器指向海底時(shí)，信號(hào)相關(guān)系數(shù)較大，指向海面時(shí)，相關(guān)系數(shù)較小，接收束寬增加時(shí)，相關(guān)系數(shù)變大。

3.2 模型仿真信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性研究

如圖15所示，選取混響信號(hào)并截取較平穩(wěn)的一小段作為研究對(duì)象，結(jié)果表明模型仿真的混響信號(hào)瞬時(shí)值服從高斯分布，振幅服從瑞利分布，相位在-π～π內(nèi)均勻分布。

圖12 發(fā)射器與接收器位置示意圖

圖13 不同俯仰角比較（發(fā)射無指向性）

圖14 不同束寬比較（發(fā)射指向性一定）

圖15 統(tǒng)計(jì)直方圖

4 結(jié)論

本文通過分析淺海混響產(chǎn)生的物理機(jī)理，根據(jù)單元散射模型理論，模擬海面波浪運(yùn)動(dòng)，海底不同粗糙程度對(duì)混響的影響，設(shè)備參數(shù)等，建立收發(fā)分置多接收聲納的淺海近程混響模型，并設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)模型。對(duì)模型仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行檢驗(yàn)，和文獻(xiàn)[8]資料比較，混響的統(tǒng)計(jì)規(guī)律相吻合，驗(yàn)證了該模型是正確的。

[1]徐新盛，張燕，李海森，等.海底混響仿真技術(shù)研究[J].聲學(xué)學(xué)報(bào),1998,23(2)：141-148.

[2]方世良，毛衛(wèi)寧，陸佶人.海洋混響自相關(guān)函數(shù)的估計(jì)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào),1995,25(4A)：11-16.

[3]陳敏，徐利梅，黃大貴，等.基于MATLAB的換能器陣列指向性分析方法研究[J].電聲技術(shù),2006（5）：25-28.

[4]郭熙業(yè),蘇紹,王躍科.運(yùn)動(dòng)聲吶海底混響建模及仿真研究[J].國防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,31（5）：92-96.

[5]崔曉東，黃建國，張群飛.主動(dòng)聲納陣的混響仿真及檢驗(yàn)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2011,28（9）：365-368.

[6]劉勝，常緒成.收發(fā)分置式聲納系統(tǒng)混響仿真方法[J].聲學(xué)技術(shù)，2010，29(4)：355-360.

[7]王新曉，黃建國，張群飛.海洋混響仿真技術(shù)研究[J].聲學(xué)與電子工程,2002,3：27-30.

[8]BB奧里雪夫斯基.海洋混響的統(tǒng)計(jì)特性[M].北京：科學(xué)出版社,1977.

Modeling Study on Shallow Sea Short-range Reverberation Signal for Bistatic Sonar

HU Jia-fu1,ZHU Guang-ping1,ZHANG Wei-qiang1,2
(1.Science and Technology on Underwater Acoustic Laboratory,Harbin Engineering University,Harbin Heilongjiang 150001,China;2.Ocean Hydrometeorology Institute,Navy Donghai-Armada,Ningbo Zhejiang 315122,China)

The modeling of bistatic sonar shallow sea short-range reverberation was studied mainly based on unit scattering theory.The sea and bottom scattering unit was divided according to the scattering coefficient correlation radius.Through simulating the formation physical process of the sea and bottom reverberation,models of single receiver and multiple receivers were established.Sonar equipment parameters and environmental factors were considered in the model.The programs for shallow sea short-range single receiving and multiple receiving reverberation signal model were designed and the GUI interface support was provided.Modeling and simulation of the reverberation signal statistical analysis shows that the establishment of bistatic sonar shallow sea short–range reverberation model is correct.

shallow water;reverberation;scattering unit;statistical characteristics

TB56

A

1003-2029（2012）02-0027-05

2011-12-19

朱廣平（1980-），男，博士，講師，主要研究方向?yàn)樗暪こ獭mail:guangpingzhu@126.com