魚雷淺海海底混響建模與仿真

董仲臣, 李亞安, 金彥豐

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魚雷淺海海底混響建模與仿真

董仲臣1, 2, 李亞安1, 金彥豐2

(1. 西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072; 2. 中國人民解放軍91388部隊, 廣東 湛江, 524022)

為了實現魚雷淺海海底混響仿真, 并體現魚雷運動對混響信號的影響, 提出了一種直觀、易于實現的海底混響仿真方法。該方法把產生混響的海底劃分成若干散射單元, 并把散射單元等價為系統, 采用連續波(CW)信號和線性調頻(LFM)信號作為魚雷的主動聲信號。采用該方法進行海底混響仿真, 可以根據需要把散射單元劃分到足夠小, 因此魚雷相對每個散射單元的多普勒頻移相同, 從而比較準確的體現了魚雷運動對混響信號的影響; 同時, 把散射單元等價為系統, 可以利用卷積進行混響信號的計算。仿真結果表明, 該方法物理意義清晰, 仿真簡單易行, 仿真混響信號的頻譜特性與混響的基本理論相符, 充分驗證了該方法的有效性。

魚雷; 淺海海底混響; 散射單元; 多普勒頻移

0 引言

混響是一種特殊形式的干擾, 它伴隨著聲納發射信號而產生, 是由海洋中大量無規則散射體對入射聲信號產生的散射波在接收點疊加而形成的。根據散射特性的不同, 混響大體上可以分為海底混響、海面混響和體積混響。散射體存在于海水本身或體積中, 如海水中的流砂粒子、海洋生物、海洋本身的不均勻性、大的魚群等引起的混響稱為體積混響。海面的不平整性和波浪形成的氣泡層對聲波的散射所形成的混響稱為海面混響, 海底及其附近的散射體形成的混響稱為海底混響, 后2種統稱為界面混響[1-2]。

實測結果表明, 海底散射強度遠大于體積散射強度, 也大于海面散射強度[2]。所以, 海底混響是主動聲自導魚雷工作的主要背景干擾之一,海底混響的建模和仿真對研究魚雷自導系統的抗干擾能力具有重要意義。

傳統的海洋混響仿真方法為點散射模型法和單元散射模型法[3-4]。點散射模型法把混響信號作為點散射體回波的疊加, 具有清晰的物理意義, 仿真計算比較準確, 但當散射體數量增多時, 計算量非常大。單元散射模型方法則認為混響信號由散射單元回波疊加而成, 散射單元內包含的大量散射體, 使得散射單元回波信號滿足復高斯分布, 與點散射模型方法相比, 計算量大大減小, 因此, 該方法被廣泛采用[4]。

然而, 對于高速運動的魚雷來講, 魚雷發射信號遇到散射體后發生散射, 接收到的混響信號產生了多普勒頻移, 且各個散射點的多普勒頻移因與魚雷方位角的不同而發生變化, 所以, 傳統的單元散射模型不能對魚雷主動信號產生的海底混響進行精細仿真。基于此, 本文提出了一種能夠計算多普勒頻移的海底混響仿真方法, 該方法把產生混響的海底劃分成若干散射單元, 每個散射單元都能散射出具有一定譜分布的散射波, 如果把每個散射單元等價于一個系統, 則混響信號等于發射信號通過各個系統產生的響應的總和。

1 魚雷海底混響模型的建立和分析

1.1 海底散射單元的劃分

混響的產生是一個復雜的過程, 受到許多因素的影響, 對其進行理論研究時, 需要忽略某些次要因素, 以突出主要因素, 從而使問題簡化又不失一般性。為此, 作如下假設[2]。

1) 聲波直線傳播, 除球面波衰減外, 其他衰減忽略不計;

2) 任一時刻位于某一面積上的散射體分布是隨機均勻的, 且每個散射體都有相同的貢獻;

3) 散射體的數量足夠多, 以至于在任一面元上都有大量的散射體;

4) 不考慮多次散射;

5) 脈沖時間足夠短, 故可忽略面元尺度范圍內的傳播效應。

以上假設忽略了一些次要因素, 但所得結果仍具有普遍性。根據假設, 現建立混響仿真模型, 散射單元的劃分如圖1所示。

圖1 散射單元劃分示意圖

散射單元的面積

1.2 仿真混響模型的建立

把每個單元均等價于一個系統, 則建立混響的仿真模型如圖2所示。

圖2 海底混響仿真模型

圖2中第個系統的響應為

對式(2)進行整理得

1.3 仿真混響信號的生成

考慮魚雷運動帶來的多普勒頻移時, 假定散射單元足夠小, 所以對于每個散射單元, 散射波的多普勒頻移相同, 則多普勒頻移

2 混響信號的仿真

2.1 仿真1

圖3和圖4表示的是CW信號(上圖)和LFM信號(下圖)的時域波形和頻譜。仿真產生的混響信號的時域波形和頻譜如圖5和圖6所示, 混響信號瞬時值的概率分布見圖7, 混響信號包絡的概率分布見圖8, 混響信號的時間自相關見圖9。

圖3 發射信號

圖4 發射信號的頻譜

圖5 混響信號

圖6 混響信號的頻譜

圖7 混響信號瞬時值的概率分布

圖8 混響信號包絡的概率分布

圖9 混響信號的時間自相關

Fig 9 Time autocorrelation of reverberation signals

2.2 仿真2

為了研究魚雷速度對仿真混響信號的影響, 對速度為10 m/s, 20 m/s, 30 m/s的魚雷發出的CW信號和LMF信號產生的混響進行仿真, 其他仿真條件與仿真1相同。

魚雷速度分為10 m/s(上圖), 20 m/s(中圖), 30m/s(下圖)時, CW信號和LFM信號的時域波形如圖10和圖11所示, 其頻譜如圖12和圖13所示。

圖10 不同速度下連續波(CW)信號的混響

圖11 不同速度下線性調頻(LFM)信號的混響

圖12 不同速度下CW信號的混響頻譜

圖13 不同速度下的LFM信號的混響頻譜

3 仿真混響信號的特性檢驗

由圖4和圖6可以看出, 仿真混響信號的頻譜與發射信號頻譜具有一致性[2,6-10], 且混響信號體現了魚雷運動帶來的多普勒頻移。

由圖7可以看出, 仿真混響信號瞬時值服從正態分布[2,6-10]。在圖8中, 仿真混響信號的包絡服從瑞利分布[2, 6-10]。

圖9說明了仿真混響信號的時間相關性, 其時間相關半徑與信號的帶寬成反比[6]。

由圖12中CW信號的混響頻譜可以清楚地看出, 魚雷運動引起了混響信號的頻譜展寬[2], 魚雷速度越高, 頻譜展寬越大。而圖13中的頻譜展寬不明顯, 這是由于LMF信號具有一定的帶寬, 魚雷運動引起的頻譜展寬相對信號帶寬來說很小, 所以在圖中不容易明顯地看出。

4 結束語

在本文提出的魚雷海底混響仿真方法中, 把產生混響的海底合理劃分成各個混響單元, 每個混響單元等價為一個系統, 各個系統響應的累加即為混響信號, 從而把魚雷運動產生的多普勒頻移在混響信號中很好地體現出來。仿真結果表明, 仿真混響信號的頻譜特性、瞬時值和包絡的概率密度分布、時間相關、頻譜展寬均與混響基本理論保持一致, 充分驗證了該混響仿真方法的可行性和有效性。

[1] 趙燁, 馮西安, 鄭玉峰, 等. 海底混響的空時模型及仿真[J]. 計算機仿真, 2011, 28(12): 398-401. Zhao Ye, Feng Xi-an, Zheng Yu-feng, et al. Seafloor Reverberation Space-time Model and Simulation[J]. Computer Simulation, 2011, 28(12): 398-401.

[2] 劉伯勝, 雷家煜.水聲學原理[M]. 哈爾濱: 哈爾濱船舶工程學院出版社, 1992.

[3] Ian R M, Andrey V S. Circular Navigation Guidance Law for Precision Missile/Target Engagements[J]. Journal of GuidanceControl and Dynamics (S0731-5090), 2006, 29(2): 314-320.

[4] 郭熙業, 蘇紹璟, 王躍科, 等. 收發合置情況下海底混響仿真[J]. 國防科技大學學報, 2010, 32(2): 141-145. Guo Xi-ye, Su Shao-jing, Wang Yue-ke, et al. Transceiver Device Case Seafloor Reverberation Simulation[J]. Journal of National University of Defense Technology, 2010, 32(2): 141-145.

[5] Sun Qing-yan, Wang Hai-yan, Shen Xiao-hong. Research on the Statistical Modeling and Simulation for Interface Reverberation[J]. IEEE International Conference on Computer Science and Information Technology, 2010, 9(3): 556-570.

[6] 蔡平, 梁國龍, 葛鳳翔, 等. 界面混響信號的仿真研究[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2000, 21(4): 31-35.Cai Ping, Liang Guo-long, Ge Feng-xiang, et al. Research on the Interface Reverberation Simulation[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2000, 21(4): 31-35.

[7] 奧里雪夫斯基. 海洋混響的統計特性[M]. 羅耀杰, 趙 清, 武延祥, 譯. 北京: 科學出版社, 1977.

[8] 趙申東, 唐勁松, 蔡志明. 多通道運動聲吶混響仿真[J]. 艦船科學技術, 2007, 29(4): 117-124.Zhao Shen-dong, Tang Jin-song, Cai Zhi-ming. Multi Channel Moving Sonar Reverberation Simulation[J]. Ship Science and Technology, 2007, 29(4): 117-124.

[9] 蘇紹璟, 郭熙業, 王躍科. 一種海底混響時間序列仿真方法研究[J]. 系統仿真學報, 2010, 88(8): 1853-1861.Su Shao-jing, Guo Xi-ye, Wang Yue-ke. A Bottom Reverberation Time Sequence Simulation Method Research[J]. Journal of System Simulation, 2010, 88(8): 1853-1861.

[10] 趙偉, 郝保安. 運動基陣的混響信號仿真研究[J]. 計算機仿真, 2011, 28(10): 406-410. Zhao Wei, Hao Bao-an. Motion Array Reverberation Signal Simulation[J]. Computer Simulation , 2011, 28(10): 406-410.

Shallow Seafloor Reverberation Modeling and Simulation of Torpedo

DONG Zhong-chen1, 2, LI Ya-an1, JIN Yan-feng2

(1. College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China; 2. 91388thUnit, The People′s Liberation Army of China, Zhanjiang 524022, China)

To simulate the torpedo reverberation on shallow seafloor and reveal the effect of torpedo motion on the reverberation signal, a seafloor reverberation simulation method is presented. In this method, the seafloor generating reverberation is divided into several scattering units, and each scattering unit is equivalent to a system. Continuous wave(CW) signal and linear frequency modulation(LFM) signal are taken as torpedo active acoustic signal. In seafloor reverberation simulation, the scattering units can be small enough to keep the Doppler frequency shift produced by torpedo motion in each scattering unit is the same, thus the effect of torpedo motion on reverberation signal is revealed. Because each scattering unit is equivalent to a system, convolution can be used to compute reverberation signal. Simulation results show that the present method is of clear physical meaning and simple calculation. Moreover, the spectrum characteristic of the simulated reverberation signal is consistent with the basic theory of reverberation, verifying the validity of the method.

torpedo; shallow seafloor reverberation; scattering unit; Doppler frequency shift

TJ630.1

A

1673-1948(2013)02-0100-05

2012-07-18;

2012-08-21.

國家自然科學基金(51179157)；國家自然科學基金(51179158).

董仲臣(1979- ), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為水聲信號處理和潛艇作戰系統作戰效能分析.

(責任編輯: 楊力軍)