基于亮點模型的水下目標(biāo)近程回波仿真研究＊

朱利超 魏鵬舉 高 杰 唐雙喜 劉國平

（海軍裝備采購中心1） 北京 100085）（68341部隊2） 西安 710089）（海軍92840部隊3） 青島 266405）

1 引言

水下尺度目標(biāo)回聲特性是水聲學(xué)中的一個重要研究方向，是目標(biāo)探測、識別和定位的重要依據(jù)。對尺度目標(biāo)回波信號進行仿真模擬，在一定程度上可以避免進行昂貴、復(fù)雜的實驗以取得實驗回波數(shù)據(jù)。對主動對抗器材來說，模擬出逼真的目標(biāo)回波信號可以用來干擾自導(dǎo)系統(tǒng)對目標(biāo)的跟蹤從而達到水聲對抗的目的。此外，對目標(biāo)的回波信號進行仿真模擬還可用于分析目標(biāo)的聲學(xué)特性。理論分析和實驗研究都證明，在高頻情況下，尺度目標(biāo)回波可近似看成是目標(biāo)亮點回波相干疊加的結(jié)果[1]。近年來，目標(biāo)的亮點模型及其分布特征的提取受到了廣泛的關(guān)注[2～5]。本文首先介紹了目標(biāo)回波的亮點結(jié)構(gòu)和亮點模型，并給出了亮點參數(shù)的計算方法，針對兩種簡單形狀目標(biāo)進行了亮點回波仿真同時對目標(biāo)的回波亮點結(jié)構(gòu)進行了分析。

2 尺度目標(biāo)近場回波亮點結(jié)構(gòu)

在高頻情況下，任何一個復(fù)雜目標(biāo)都可以等效成若干個散射亮點的組合。每個散射亮點產(chǎn)生一個亮點回波，總的回波是這些亮點回波相干迭加的結(jié)果。亮點及其強度分布主要由目標(biāo)外形和表面曲率決定。

根據(jù)形成機理可以把亮點分成幾何類亮點和彈性類亮點兩類[1]。幾何類亮點主要是由目標(biāo)的幾何形狀和材料的聲學(xué)特性決定。最重要的是凸光滑表面上的鏡反射亮點。此外還有棱角或邊緣產(chǎn)生的反射亮點，主要是由表面法線方向不連續(xù)引起的。彈性類亮點主要是在特定條件下出現(xiàn)的表面繞行波或彈性散射波對應(yīng)的亮點。

3 目標(biāo)亮點模型及計算

在高頻情況下，任何一個復(fù)雜目標(biāo)都可以等效成若干個散射亮點的組合。按照線性迭加原理，總的傳遞函數(shù)可以表示成[1]

其中N是子目標(biāo)所劃分的網(wǎng)格數(shù)；cos（R，n）是入射聲線與板塊法線夾角的余弦值。將Gordon積分算法引入到板塊元方法中，可對上述積分做進一步的簡化。對于目標(biāo)的亮點位置可通過計算子目標(biāo)表面被照射區(qū)域的板塊的中心位置并結(jié)合板塊的反射系數(shù)進行求取：

若假設(shè)各亮點位置與聲納系統(tǒng)中心之間的距離為｛ri｝，以其中的最小值rmin為基準(zhǔn)，則相對時延為：

4 數(shù)值計算與分析

4.1 圓柱體目標(biāo)回波仿真

圖1 聲納系統(tǒng)與圓柱體目標(biāo)之間的相對位置

以一段圓柱體目標(biāo)為研究對象，圓柱體長度為60m，半徑為5m，建立如圖所示直角坐標(biāo)系。計算中采用收發(fā)合置聲納系統(tǒng)，且目標(biāo)表面為剛性邊界條件，將目標(biāo)均分為3個子目標(biāo)。發(fā)射信號為LFM信號，中心頻率為25kHz，帶寬1kHz，脈寬為5ms，聲納系統(tǒng)與目標(biāo)之間的距離為100m，照射角為30°，采用高斯白噪聲模擬背景噪聲，信噪比SNR＝5dB。圖2（a）為不添加噪聲時的仿真回波，從仿真圖中可明顯看出目標(biāo)回波的3個亮點。圖2（b）為添加噪聲之后的仿真回波，從圖中仍可明顯看出目標(biāo)回波的兩個亮點結(jié)構(gòu)，由于存在棱角因此亮點強度較強，另一個亮點回波由于強度較弱，被背景噪聲所湮沒。

圖2 圓柱體目標(biāo)回波仿真

4.2 組合體目標(biāo)回波仿真

圖3 聲納系統(tǒng)與潛艇目標(biāo)之間的相對位置

以下選取一簡化的潛艇目標(biāo)為研究對象，將潛艇目標(biāo)模擬化為一橢圓柱體和一橢球體的組合。橢圓柱體的長半軸為40m，短半軸為5m，艦橋中心距艇艏30m處，長半軸為5m，短半軸為3m，建立如圖所示直角坐標(biāo)系。發(fā)射信號為LFM信號，中心頻率為20kHz，帶寬1kHz，脈寬為10ms，聲納系統(tǒng)與目標(biāo)之間的距離為200m，采用高斯白噪聲模擬背景噪聲，信噪比SNR＝10dB。圖4（a）和圖4（b）分別為照射角為90°和180°時仿真目標(biāo)回波。從仿真結(jié)果可以看出在正橫情況下由于艦橋亮點與艇體亮點距聲納系統(tǒng)距離較為接近，亮點子回波幾乎同時到達，但回波幅度大于其它照射角的情況；在艇艏艉情況下，情形正好相反，但亮點子回波分布較為明顯。

圖4 潛艇目標(biāo)仿真回波

5 結(jié)語

本文研究了尺度目標(biāo)近程回波的多亮點模型，采用板塊元算法計算亮點的目標(biāo)強度，同時結(jié)合面元的反射強度值和照射區(qū)域計算亮點位置，最后以一段圓柱體目標(biāo)和一個簡單形狀的組合體目標(biāo)為研究對象，進行了回波仿真。仿真結(jié)果較好地體現(xiàn)了目標(biāo)的回波結(jié)果。此外，要模擬更加精確的目標(biāo)回波，還必須考慮反射體表面敷設(shè)吸聲材料、噪聲，混響等因素的影響，這些問題將在下一步的工作中進行研究。

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