運動目標的主動聲探測脈沖回波信號波形重構

聶宜召,羅 建,劉亞萍,張海濤,趙亞磊,黃仁可

(西北工業大學 航海學院,陜西 西安 710072)

0 引言

隨著電子技術的發展、水下目標探測技術的提高、以及復雜多變的海洋環境的影響,使得水下目標回波模擬系統對海洋中艦船目標、潛艇目標等回波進行精確模擬的要求越來越高[1],如何準確地重構和模擬運動目標主動聲探測信號所包含的相關信息就成為了當務之急[2]。本文給出了一種主動聲探測脈沖回波信號波形重構方案,利用捕獲得到的主動聲探測脈沖信號,根據預設的目標相對運動速度、目標類型和入射方位,重構包含目標相關信息的回波信號波形。通過該技術不僅可以保護艦艇、潛艇等水中目標的安全通過,還可以代替潛艇出海,完成探測系統的水池及外場性能參數測定,利于快速開展科學研究,加快了科研速度[3]。

1 主動聲探測回波信號重構技術方案

為了精確實現主動聲探測脈沖回波信號波形重構,需在獲得主動聲探測脈沖信號的基礎上,綜合考慮目標強度、多普勒頻移、時延信息等參數的影響,探討不同特征參量的重構算法。論文先對獲得的主動聲探測信號進行多普勒頻移模擬,再加入脈沖的時延信息,最后加入目標強度特征。主動聲探測脈沖回波信號波形重構方案如圖1所示。

圖1 主動聲探測回波信號重構方案Fig.1 Reconstruction scheme of active acoustic detection echo signal

2 目標回波多普勒頻移模擬

水下目標一般情況下是非靜止的,目標相對運動時會產生多普勒效應,由于多普勒效應,目標回波信號相對于主動聲探測脈沖信號會產生多普勒頻移[4]。

常見的主動聲探測信號有單頻脈沖信號(CW信號)、線性調頻脈沖信號(LFM信號)、雙曲調頻信號(HFM)等。論文分別對目標回波的寬帶模型與窄帶模型展開討論。當主動聲探測系統與目標距離較遠時,可將目標視作點目標。運動點目標的回波信號取決于主動聲探測信號的形式,以及點目標的運動相關參量。

假設非靜止的點目標相對于主動聲探測系統做勻速運動,那么就可以得到不考慮傳播損失的目標回波模型,如式(1)所示。

由式(1)可以看出,在不考慮傳播損失時,模擬目標回波信息需要在重構的信號中加入Δ與τ。

主動聲探測信號的頻率與主動聲探測回波信號的頻率關系可以表示為[5]

式中:c為聲波在水中傳播的速度;f為主動聲探測信號的頻率;f′為主動聲探測信號遇到目標后產生的回波信號的頻率;v0為目標的移動速度;vs為主動聲探測信號發射源的移動速度。在計算回波信號的頻率變化ΔF時,由于信號經過來回雙程傳播,因此回波信號的頻率變化為

式中v為目標與主動聲探測系統發射聲源的相對移動速度,v=v0+vs,化簡可得:

式中:v的單位為kn;ΔF、f的單位為Hz。當主動聲探測系統與目標相互靠近時,ΔF=+0.00067vf;當主動聲探測系統與目標相互遠離時,ΔF=-0.00 067vf。

論文采用“波形存儲重發法”來實現多普勒頻移的重構,其基本思路是回波模擬系統對主動聲探測系統發射的主動聲探測信號用采樣頻率Fs進行采樣,并將該信號存儲于回波模擬系統中,根據所需模擬目標的相對運動速度,設置重采樣頻率[6]。

根據采樣定理的定義,在工程上為了保留原始信號的全部信息,一般至少取采樣頻率為原始信號最高頻率的n倍(n≥2.56),可表示為

式中:Fs為采樣頻率;f為原始主動聲探測信號的頻率。可以得出每個采樣周期內的采樣點數為n=Fs/f,總采樣點數為N=tFs,式中:N為總采樣點數,t為主動聲探測信號的脈寬。

在對主動聲探測信號的回波進行模擬時,根據上面的推導可以計算出重發回波信號在1個周期內的點數為n′=F′s/f′,式中f′為重發回波信號的頻率。由于主動探測信號與模擬回波信號在1個周期內的樣本點數是一樣的n=n′,則可以推導出:

模擬回波的多普勒頻移為

代入公式(4)可得:

式中:v為目標與主動聲探測系統發射聲源的相對移動速度,kn。可以看出,通過設定存儲的主動聲探測信號的采樣頻率可以模擬目標的運動速度。

同理,對于一定帶寬下的寬帶信號s(t),根據采樣定理可以表示為

式中:Ts為采樣時間間隔;Fs為采樣頻率。該信號可以展開成sinc函數的無窮級數,展開后的sinc函數的無窮級數系數恰好為采樣值s(nTs)。

為了用同一組采樣值來模擬回波信號的多普勒頻移,即u(t)=s(Δ?t)。式中Δ為多普勒伸縮因子。可以假設回波使用采樣頻率Δ?Fs對回波信號u(t)進行采樣后得到的采樣值為s(nTs)。根據式(9)得到u(t),即

令回波信號u(t)的采樣頻率為Δ?Fs,則采樣的時間間隔為采樣值為

通過分析發現,在滿足采樣定理的條件下,無論是寬帶信號還是窄帶信號,均可以采用“波形存儲重發法”來實現回波信號的多普勒頻移。

3 目標回波時延模擬

主動聲探測系統在探測目標的過程中,由于聲波在海洋中傳播,主動聲探測系統發射出主動聲探測信號的時刻與接收的遇到目標后產生的回波之間存在一個時延τ。對時延τ的模擬可以通過主動聲探測系統與目標之間的距離來計算產生[7]。

假設有一個主動聲探測信號為s(t)=Acos2πft,則可得到所接收到的信號為

式中τ為信號傳輸的時延。

時延τ取決于主動聲探測系統與目標之間的距離R、以及聲波在水中的傳播速度c。因此,時延τ可以表示為

在目標回波模擬器模擬目標的回波時,可先將捕獲的主動聲探測信號的波形存儲下來,延時所需的時延τ再重發,即可模擬目標回波的傳播時延。

4 目標回波強度模擬

接收到的回波信號強度的大小是由3個方面的因素決定的:發射信號的聲源級、傳播損失、目標強度。目標強度TS描述了目標物體截取信號并將它重新輻射出去的能力大小,可以表示為[8]

式中:Ii為入射信號(主動聲探測信號)的聲強;Ir為目標物體聲學中心1 m處的回波聲強度。

不同的目標類型和入射方向具有不同的目標強度。對于潛艇目標來說,在不同頻率下對不同潛艇做測量后發現:在潛艇左右兩側的正橫方向上,目標強度值最大,可達25 dB,它是由艇殼的鏡反射引起的;在艇首和艇尾方向,目標強度取極小值,約10～15 dB,這是由艇殼和尾流的遮蔽效應引起的;在艇首和艇尾20°附近,比相鄰區高出1～3 dB,這是由潛艇的艙室結構的內反射產生的。對于魚雷和水雷目標來講,魚雷和水雷的幾何形狀基本上都是帶有平頭或圓頭的圓柱體,長度為1至數米,直徑為0.3～1 m。魚雷的尾部安裝有推進器,水雷的雷體上安裝有翼且有凹凸不平處。對于這樣的物體,其正橫方位上或頭部會有較強的目標強度值,因為這些方位上有較強的鏡反射。至于尾部和雷體上小的不規則部分,目標強度值較小。當然,如果聲波入射到雷體上的某些不太小的平面上,由于鏡反射較強,也會有較強的目標強度值。因此在模擬不同目標的回波時,需要根據實際情況設定具體的目標強度參數。表1給出了一些常見的水下目標的目標強度參考標準值。在模擬目標回波強度的幅值大小時,可根據表1確定需要模擬目標的目標強度標準值TS′,計算出傳播損失TL′,就可以得出目標回波應發射的聲級:

表1 常見的水下目標的目標強度參考值[9]Table 1 Reference values of target intensity of common underwater targets[9]

5 目標回波重構模擬

基于前面的算法分析,我們分別對表2中常見的兩類主動聲探測信號[10]在指定條件下進行目標回波信號波形的重構模擬。

表2 常見主動聲探測信號參數Table 2 Signal parameters of common active acoustic detection

假設某主動聲探測系統發射的主動聲探測信號為表2中的CW信號,在距離該主動聲探測系統100 m處有一潛艇目標,入射方向為正橫與首尾之間,兩者之間的相對移動速度為20 kn,對該主動聲探測系統的目標回波信號進行重構模擬。

首先,已知該主動聲探測系統與目標之間的相對移動速度為20 kn,可以計算出重采樣頻率為198.7 kHz,多普勒頻移量為-0.2 kHz。

從表1中可以查出潛艇目標在入射角為正橫與首尾之間的目標強度參考標準值為+15 dB。根據經驗公式可以計算出30 kHz的主動聲探測信號在100 m傳播距離下回波信號的傳播損失約為40.4 dB。表2中CW信號的聲級為180 dB,經過100 m的傳播衰減后的聲級為139.6 dB,代入公式(15)可得回波信號的聲級為154.6 dB。CW信號經過主動聲探測系統發出后,在距離主動聲探測系統100 m處被回波模擬系統接收到的信號,脈寬為0.005 s。CW信號在多普勒頻移量為-0.2 kHz條件下的重構回波信號,脈寬展寬為0.006 s。多普勒頻移仿真驗證結果如圖2所示。

圖2 CW信號目標回波重構模擬Fig.2 Reconstruction simulation of target echo of CW signal

圖2分別為2種信噪比下接收信號與發射信號的信號幅度-頻率曲線圖,從圖中可以看出接收到的CW信號的中心頻率為30 kHz,回波模擬信號經過頻移后的中心頻率約為29.8 kHz,多普勒頻移量約為-0.2 kHz,與計算結果相符。

假設某主動聲探測系統發射的主動聲探測信號為表2中的LFM信號[10],在距離該主動聲探測系統50 m處有一潛艇目標,入射角為正橫,兩者之間的相對移動速度為10 kn,對該主動聲探測系統的目標回波進行重構模擬。

首先,已知該主動聲探測系統與目標之間的相對移動速度為10 kn,可以計算出重采樣頻率為199.3 kHz,多普勒頻移量為-0.09 kHz。

從表1中可以查出潛艇目標在入射角為正橫時的目標強度參考標準值為+25 dB。根據經驗公式可以計算出30 kHz的主動聲探測信號在100 m傳播距離下回波信號的傳播損失約為34 dB。表2中LFM信號的聲級為180 dB,經過50 m的傳播衰減后的聲級為146 dB, 代入公式(15)可得回波信號的聲級為171 dB。LFM信號經過主動聲探測系統發出后,在距離主動聲探測系統50 m處被回波模擬系統接收到的信號,脈寬為0.005 s。LFM信號在多普勒頻移量為-0.09 kHz條件下的重構回波信號,脈寬為0.006 s。多普勒頻移仿真驗證結果如圖3所示。

圖3 LFM信號目標回波重構模擬Fig.3 Reconstruction simulation of target echo of LFM signal

圖3分別為2種信噪比下接收信號與發射信號的信號幅度-頻率曲線圖,從圖中可以看出接收到的LFM信號的頻率移為25～30 kHz,回波模擬信號經過頻移后的中心頻率約為24.91～29.91 kHz,多普勒頻移量約為-0.09 kHz,與計算結果相符。

6 結束語

論文在主動聲探測回波信號重構方案基礎上對主動聲探測回波信號重構技術展開驗證。首先介紹了回波模型的建立,并驗證了利用“波形存儲重發法”可以實現對主動聲探測回波信號進行多普勒頻移模擬。其次,給出了重構回波的過程中時延的模擬方法,介紹了不同水下目標的目標強度參考值。最后通過對不同預設條件下主動聲探測信號回波重構仿真,驗證了該算法的可行性。