孟荻，袁延藝，劉平香

聲誘餌對(duì)尺度目標(biāo)的回波模擬方法

孟荻1，袁延藝1，劉平香2

(1. 海軍裝備研究院，北京100161；2. 上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108)

潛艇回波可以等效成若干個(gè)散射亮點(diǎn)回波相干迭加的結(jié)果，現(xiàn)代聲自導(dǎo)魚雷基于這一物理事實(shí)，通過辨識(shí)目標(biāo)尺度來識(shí)別真假目標(biāo)。提出使用具備數(shù)據(jù)通信能力的多個(gè)點(diǎn)源聲誘餌，通過信息交互實(shí)現(xiàn)各聲誘餌回波發(fā)射延時(shí)的有序控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)尺度目標(biāo)的多亮點(diǎn)回波模擬。具體仿真算例表明，該方法對(duì)利用方位走向特征和聲成像進(jìn)行目標(biāo)尺度識(shí)別的魚雷具有對(duì)抗效果。

聲誘餌；時(shí)延；尺度亮點(diǎn)

0 引言

潛艇的回波是由艇體和艇外裝置對(duì)外部聲信號(hào)的反射而形成的。由于潛艇外形和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及制造材料的差異，潛艇對(duì)不同方位聲信號(hào)的反射表現(xiàn)出復(fù)雜的聲散射特性。聲反射回波包括多種成分, 如鏡反射波、棱角波及彈性散射波等。這些回波實(shí)際上是由艇體外形結(jié)構(gòu)形成的隨機(jī)散射體和少數(shù)幾個(gè)強(qiáng)鏡向反射體形成的復(fù)合反射波，均可等效成某些散射中心即亮點(diǎn)的回波，實(shí)際潛艇可以等效成若干個(gè)散射亮點(diǎn)的組合，總的回波是這些亮點(diǎn)回波相干迭加的結(jié)果[1]。

基于這一物理事實(shí)，現(xiàn)代聲自導(dǎo)魚雷大都具備目標(biāo)尺度識(shí)別能力，可以用來識(shí)別真假目標(biāo)，對(duì)抗一般的點(diǎn)源聲誘餌。

聲自導(dǎo)魚雷識(shí)別能力的提高對(duì)水聲對(duì)抗器材提出了新的要求，人們提出了從不同空間方位的點(diǎn)源延時(shí)重發(fā)魚雷尋的脈沖的方式進(jìn)行尺度目標(biāo)亮點(diǎn)模擬的方法[2,3]。文獻(xiàn)[2]中，采用中性浮力纜繩將幾個(gè)無指向性、靈敏度可調(diào)的基元構(gòu)成的線列陣懸浮在一定水深之中，依靠各個(gè)基元檢測(cè)魚雷發(fā)射聲脈沖，提取出聲脈沖的包絡(luò)寬度和載頻頻率，經(jīng)多普勒設(shè)置后延時(shí)發(fā)射，達(dá)到模擬潛艇多亮點(diǎn)回波的目的。

本文提出通過對(duì)傳統(tǒng)點(diǎn)源聲誘餌增加數(shù)據(jù)通信的功能，用多個(gè)具備通信能力的聲誘餌構(gòu)成一個(gè)離散隨機(jī)陣，進(jìn)行尺度目標(biāo)多亮點(diǎn)回波模擬的構(gòu)想。由于多個(gè)誘餌的散布特性，模擬的尺度目標(biāo)在水平空間各個(gè)方向都有一定尺度，可以通過延時(shí)控制模擬的尺度大小和方位走向。

1 尺度目標(biāo)多亮點(diǎn)回波模型

理論分析和實(shí)驗(yàn)研究都證明，在高頻時(shí)，復(fù)雜目標(biāo)的回波都是由多個(gè)子回波迭加而成的，每個(gè)子回波可以看作是從某個(gè)散射點(diǎn)發(fā)出的波。任何一個(gè)復(fù)雜目標(biāo)都可以等效成若干個(gè)散射亮點(diǎn)的組合，每個(gè)散射亮點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)亮點(diǎn)回波，總的回波是這些亮點(diǎn)回波相干迭加的結(jié)果，可以表示為[4]

按照上述尺度目標(biāo)多亮點(diǎn)回波模型公式，假設(shè)在自導(dǎo)接收陣前方500 m處有一尺度目標(biāo)，該目標(biāo)物理尺度長為200 m，按照等間隔產(chǎn)生10個(gè)亮點(diǎn)，用來仿真該目標(biāo)對(duì)入射聲波的回波，如圖1左所示。

對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生的回波進(jìn)行聲成像處理，可以得到如圖1右所示的目標(biāo)圖像，從圖1中可以估算出目標(biāo)的長度約是200 m，且目標(biāo)走向與仿真設(shè)置態(tài)勢(shì)基本一致。該仿真結(jié)果表明采用多亮點(diǎn)回波模擬是可以滿足應(yīng)用要求的。

2 聲誘餌實(shí)現(xiàn)尺度目標(biāo)回波模擬

2.1 基本方法

圖2為聲誘餌實(shí)現(xiàn)尺度目標(biāo)多亮點(diǎn)回波示意圖，利用空間位置隨機(jī)分布、具有通信能力的多個(gè)聲誘餌，通過各誘餌間的通信和對(duì)發(fā)射回波時(shí)序的精確控制實(shí)現(xiàn)尺度目標(biāo)多亮點(diǎn)回波模擬。為了達(dá)到精確延時(shí)的要求，需要對(duì)隨機(jī)分布的聲誘餌位置和來襲魚雷位置及航向進(jìn)行精確測(cè)量。

在獲取了誘餌和魚雷位置、航向等信息后，通過適當(dāng)延時(shí)可以在魚雷航向垂直方向形成一個(gè)具有一定方位走向的虛擬尺度目標(biāo)(圖2虛線所示)。該虛擬尺度目標(biāo)的最大長度由聲誘餌位置坐標(biāo)在魚雷航向垂線上的投影距離相差最大的器材(圖2中的1＃和6＃誘餌)控制，虛擬的尺度目標(biāo)亮點(diǎn)分布在這兩個(gè)誘餌(圖2中的1＃和6＃誘餌)的連線上。為了模擬虛擬亮點(diǎn)的發(fā)射時(shí)序，圖2中各誘餌需要進(jìn)行相應(yīng)的延時(shí)后再發(fā)射回波，延時(shí)的大小由各誘餌到對(duì)應(yīng)虛擬亮點(diǎn)的距離決定。

圖3是20個(gè)聲誘餌隨機(jī)分布的態(tài)勢(shì)，假設(shè)這些聲誘餌具備邊收邊發(fā)能力，收到魚雷自導(dǎo)信號(hào)后立即轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)產(chǎn)生的回波信號(hào)進(jìn)行聲成像處理，結(jié)果如圖4所示，可看到符合圖3態(tài)勢(shì)的散亂回波亮點(diǎn)，這樣的回波無法誘騙具有尺度識(shí)別能力的魚雷。

若對(duì)每個(gè)誘餌轉(zhuǎn)發(fā)自導(dǎo)信號(hào)的時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)的延時(shí)，則回波信號(hào)處理結(jié)果如圖5所示，從圖5中可以看到魚雷前方曾一字型分布的若干亮點(diǎn)，有明顯的尺度目標(biāo)特征。

圖4、5對(duì)比表明，利用離散分布的多個(gè)聲誘餌通過信息交互進(jìn)行有序控制發(fā)射回波延時(shí)實(shí)現(xiàn)尺度目標(biāo)多亮點(diǎn)回波模擬是可行的，可以形成具有明顯方位走向特征的虛擬尺度目標(biāo)，可以用來對(duì)抗具有尺度識(shí)別能力的聲自導(dǎo)魚雷。

2.2 仿真算例

下面通過一個(gè)仿真例子說明利用離散分布的多個(gè)聲誘餌進(jìn)行尺度目標(biāo)回波模擬的具體性能。

假設(shè)魚雷發(fā)射的自導(dǎo)信號(hào)是頻率為18~22 kHz、脈沖寬度為10 ms的LFM信號(hào)，魚雷自導(dǎo)頭距離離散分布的多個(gè)聲誘餌中心處500 m，魚雷向正方向航行(圖6)。單個(gè)聲誘餌布放散布誤差為75 m，利用10個(gè)散布的聲誘餌形成的虛擬尺度目標(biāo)長度為106.88 m。仿真態(tài)勢(shì)如圖6所示。具體仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 模擬尺度目標(biāo)仿真參數(shù)設(shè)置

圖7是魚雷自導(dǎo)接收機(jī)波束輸出最大方向的回波信號(hào)，可以看到回波明顯展寬，符合多亮點(diǎn)回波時(shí)域展寬的特點(diǎn)。對(duì)圖7所示回波進(jìn)行亮點(diǎn)分離，結(jié)果如圖8所示，可以明顯看到有10個(gè)亮點(diǎn)回波，與虛擬的亮點(diǎn)個(gè)數(shù)一致。

圖9是對(duì)回波進(jìn)行方位、距離成像的結(jié)果，明顯體現(xiàn)出魚雷前方約-10°~10°方位的一個(gè)尺度目標(biāo)。

根據(jù)圖10所示的幾何關(guān)系，目標(biāo)的尺度可以由余弦公式(2)確定。

對(duì)目標(biāo)尺度估計(jì)的精度由觀測(cè)點(diǎn)到延展體目標(biāo)兩端的距離1、2和視向開角決定。參數(shù)1、2和可以通過主動(dòng)聲吶系統(tǒng)對(duì)尺度目標(biāo)的多亮點(diǎn)回波進(jìn)行參數(shù)估計(jì)獲得。

按照公式(2)，由圖9可以計(jì)算目標(biāo)的尺度為102.73 m，與虛擬的尺度目標(biāo)長度106.88 m相當(dāng)接近。

圖9的回波成像結(jié)果表明，模擬的尺度目標(biāo)多亮點(diǎn)回波甚至可以用于對(duì)抗聲成像自導(dǎo)魚雷。

利用尺度目標(biāo)多亮點(diǎn)回波信號(hào)的方位走向進(jìn)行尺度識(shí)別是一種較為常用的方法[5,6]。圖11是對(duì)仿真產(chǎn)生的虛擬尺度目標(biāo)多亮點(diǎn)回波進(jìn)行方位走向識(shí)別的結(jié)果，與虛擬的尺度目標(biāo)實(shí)際走向基本一致(圖12)，也符合圖6中虛擬尺度目標(biāo)的態(tài)勢(shì)，由此表明，仿真模擬的尺度目標(biāo)多亮點(diǎn)回波模型是符合實(shí)際情況的。

3 結(jié)論

仿真結(jié)果表明，利用離散的多個(gè)聲誘餌進(jìn)行尺度目標(biāo)回波模擬是可行的，可以對(duì)抗利用方位走向和聲成像進(jìn)行目標(biāo)尺度識(shí)別的魚雷。

需要說明的是，在利用離散的多個(gè)聲誘餌進(jìn)行尺度目標(biāo)回波模擬時(shí)，需要精確控制各誘餌的發(fā)射時(shí)延，因此對(duì)聲誘餌位置和魚雷位置等信息的精確測(cè)量是該方法在實(shí)際工程應(yīng)用前首先要解決的問題，也是該方法成功實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)，需要進(jìn)一步研究解決。

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Decoys simulating scale highlights

MENG Di1,YUAN Yan-yi1,LIU Ping-xiang2

(1. Navy Academy of Armament, Beijing 100161, China; 2. Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai 201108, China)

The structural highlight echo returned from a submarine is a very remarkable feature for a torpedo on attacking to identify true target. Developing assembled decoys which are distributed randomly in space but coordinated by underwater communication is valuable for imitating the structural highlight spots of echo sound in order to counteract the torpedo. The approaches of coordinated schemes, such as delays between spots in term of arrivals of the torpedo, is proposed and verified feasible by mathematical simulation.

decoy; time delay; structural highlight

TB556

A

1000-3630(2015)-03-0275-04

10.3969/j.issn1000-3630.2015.03.017

2015-01-08;

2015-06-05

孟荻(1976－), 女, 安徽六安人, 工程師, 博士研究生, 研究方向?yàn)樗暪こ獭?/p>

孟荻, E-mail: meggielinq@163.com