收發(fā)分置聲納淺海近程混響信號建模研究

胡家福，朱廣平，張衛(wèi)強,2

（1.哈爾濱工程大學 水聲技術重點實驗室，黑龍江 哈爾濱150001；2.海軍東海艦隊海洋水文氣象中心，浙江 寧波 315122）

收發(fā)分置聲納淺海近程混響信號建模研究

胡家福1，朱廣平1，張衛(wèi)強1,2

（1.哈爾濱工程大學 水聲技術重點實驗室，黑龍江 哈爾濱150001；2.海軍東海艦隊海洋水文氣象中心，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，依據散射系數(shù)相關半徑來劃分海面、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。模型中考慮聲納設備參數(shù)（指向性、收發(fā)位置、發(fā)射信號）及環(huán)境因素（海面運動、海底粗糙程度）對混響建模的影響。設計程序實現(xiàn)淺海近程單接收與多接收混響信號模型并仿真計算出混響時間序列，提供GUI(Graphical User Interface)用戶圖形界面支持。對建模仿真的混響信號進行統(tǒng)計分析，驗證了論文建立的淺海混響信號模型的正確性。

淺海；混響；散射單元；統(tǒng)計特性

早期的混響信號建模大多建立在單元散射單元理論基礎上只針對海底界面建模[1]，在模型基礎上對混響信號自相關函數(shù)進行了分析[2]，換能器指向性建模方法[3]也得到了進一步的研究，文獻[4]仿真了運動聲納的混響信號，文獻[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]通常先估計混響的時變強度，然后在瞬時混響振幅服從瑞利分布及相位服從均勻分布的假設下產生時變隨機混響信號，而相關設備參數(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上，通過模擬海面、海底雙層界面的混響形成物理過程進行建模。模型中考慮聲納設備參數(shù)及環(huán)境因素對混響建模的影響，根據實際情況分別建立并實現(xiàn)了收發(fā)分置單接收和多接收聲納的混響信號模型，并對混響信號進行統(tǒng)計分析與檢驗。

1 模型的建立

模型的建立要考慮多種因素影響，包括海面運動引起的多卜勒效應、海面和海底不平整程度對混響信號的振幅、頻率及相位相關參數(shù)的影響、發(fā)射和接收設備參數(shù)等。本文首先研究收發(fā)分置單接收基陣的建模問題，并在實現(xiàn)單發(fā)單收的基礎上，進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，實線表示散射信號。由于是淺海近程混響，不考慮信號的多途反射，發(fā)射信號到達散射單元后經過一次散射后到達接收點的所有散射信號迭加得到模型的仿真混響信號。

圖1 單接收模型示意圖

圖2（a）表示發(fā)射信號經散射單元散射后到接收基陣，信號在接收點迭加。混響信號用公式可表示為：

式中：a(ti)是相應于第i散射體的散射波的隨機幅度，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)表示單個散射信號的形狀。

信號發(fā)射到海面過程后，海面波浪運動會引起信號頻率的多卜勒頻移，此處假設頻移服從高斯分布。對于設備參數(shù)中的指向性設定，本文不考慮復雜的指向性旁瓣，只考慮發(fā)射及接收設備主瓣束寬。因為是淺海建模，水深將有一定限制，而發(fā)射、接收設備坐標則可以設定在深度范圍內任意位置處。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 散射信號的移位累加

圖3 三維空間各角度定義示意圖

信號自發(fā)射聲納發(fā)出經過海面，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，海面運動引起的頻率展寬及海面和海底散射信號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，而頻率的展寬只應用于海面情況，經過散射單元散射的信號相位分布則是在0～2π內均勻分布的。

首先對于信號在整個過程中因為距離而引起的衰減規(guī)律建模。假設信號初始幅值為A，信號幅值按距離一次方衰減，則信號到達散射單元的振幅為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，則信號自散射單元到接收聲納，此時接收聲納接收到的信號幅值為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幅值為每個體元的貢獻之和：

式中：n為散射單元總個數(shù)。

考慮海面和海底的作用后，在聲納指向范圍內，得到最終混響信號表示如下：

式中：ωi為隨機多普勒頻移；φ(ti)為隨機相位。

1.2 多接收模型的建立

在單接收模型的基礎上，建立了多接收模型。

如圖4所示，信號從聲納發(fā)出，經過海底、海面一次散射后到達多個接收設備，海面、海底的不平整性及海面的波浪運動都將影響混響信號的改變，所有散射單元散射回來的信號在接收設備處迭加。

圖4 多接收模型示意圖

圖5 單接收模型程序框圖

2 模型的程序實現(xiàn)

2.1 單接收模型的實現(xiàn)

為了更好地介紹模型的實現(xiàn)過程，繪制程序框圖如圖5所示。模型選用CW脈沖信號作為發(fā)射信號。設備參數(shù)相關的模型實現(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，對應于每個散射單元都有一個獨立的α和θ角與之對應，這樣只要通過限定α，θ的取值范圍，就可以控制設備的方位角，俯仰角，水平束寬，垂直束寬。對于發(fā)射、接收換能器的位置坐標可以任意設定。實現(xiàn)時各角度范圍為：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)射點的坐標（-1 500，500，-500），接收點的坐標（3 000，-1 500，-600），接收點相對發(fā)射點在右前方，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，綠色實點部分即發(fā)射信號所能到達的區(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的區(qū)域范圍，重疊部分即為有貢獻的散射區(qū)域。由此可以非常直觀地觀察到信號投影面積，及接收換能器所能接收到的信號方位。由該模型可得到的仿真混響信號如圖7所示。

圖6 實現(xiàn)單接收模型示例圖

圖7 接收器得到的混響信號

由于從散射單元散射回來的信號振幅、頻率、相位都是隨機的，每次運行的結果，得到的混響都會不同，體現(xiàn)混響的隨機過程。最后，為了方便用戶操作及更直觀的顯示程序結果，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 多接收模型的實現(xiàn)

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

圖9 實現(xiàn)多接收模型示例圖

如圖9所示，綠色實點為發(fā)射信號的覆蓋范圍，其他顏色均為接收基陣所能接收到散射信號區(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

圖中，接收1基陣和接收5基陣和發(fā)射基陣在同一側，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，而接收2基陣在發(fā)射基陣對面。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)的設定，有設備參數(shù)，信號參數(shù)等，并且有彈窗提示輸入的參數(shù)正確與否，程序運行狀態(tài)等。另外，界面菜單欄還提供數(shù)據和圖像保存功能，界面制作相關信息等。

3 模型仿真結果統(tǒng)計特性的檢驗

3.1 多接收模型接收信號空間相關系數(shù)比較

把5個接收器設定在同一深度，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與接收器5模擬的信號之間的空間相關性，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的空間相關系數(shù)。結果表明，接收器指向海底時，信號相關系數(shù)較大，指向海面時，相關系數(shù)較小，接收束寬增加時，相關系數(shù)變大。

3.2 模型仿真信號的統(tǒng)計特性研究

如圖15所示，選取混響信號并截取較平穩(wěn)的一小段作為研究對象，結果表明模型仿真的混響信號瞬時值服從高斯分布，振幅服從瑞利分布，相位在-π～π內均勻分布。

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)計直方圖

4 結論

本文通過分析淺海混響產生的物理機理，根據單元散射模型理論，模擬海面波浪運動，海底不同粗糙程度對混響的影響，設備參數(shù)等，建立收發(fā)分置多接收聲納的淺海近程混響模型，并設計程序實現(xiàn)模型。對模型仿真結果統(tǒng)計特性進行檢驗，和文獻[8]資料比較，混響的統(tǒng)計規(guī)律相吻合，驗證了該模型是正確的。

[1]徐新盛，張燕，李海森，等.海底混響仿真技術研究[J].聲學學報,1998,23(2)：141-148.

[2]方世良，毛衛(wèi)寧，陸佶人.海洋混響自相關函數(shù)的估計[J].東南大學學報,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,2006（5）：25-28.

[4]郭熙業(yè),蘇紹,王躍科.運動聲吶海底混響建模及仿真研究[J].國防科技大學學報，2009,31（5）：92-96.

[5]崔曉東，黃建國，張群飛.主動聲納陣的混響仿真及檢驗[J].計算機仿真，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].聲學技術，2010，29(4)：355-360.

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

[8]BB奧里雪夫斯基.海洋混響的統(tǒng)計特性[M].北京：科學出版社,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，主要研究方向為水聲工程。Email:guangpingzhu@126.com