郭燕子 李國(guó)良 張福生

（91388部隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

隨著現(xiàn)代仿真技術(shù)的發(fā)展，對(duì)自導(dǎo)魚雷在水聲對(duì)抗環(huán)境下攻擊目標(biāo)的全彈道仿真的研究也越來(lái)越深入，魚雷的仿真主要是針對(duì)魚雷的制導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，其中魚雷自導(dǎo)的仿真是魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)仿真中的一個(gè)重要內(nèi)容，其內(nèi)容包括基陣的波束形成仿真、噪聲干擾仿真、混響干擾仿真、信號(hào)檢測(cè)與參數(shù)估計(jì)、目標(biāo)識(shí)別的仿真等內(nèi)容。海洋混響是海洋環(huán)境產(chǎn)生的回聲，對(duì)于魚雷制導(dǎo)來(lái)說(shuō)，混響是一種嚴(yán)重的干擾［1］，研究海洋混響仿真模型，對(duì)于研究現(xiàn)代魚雷的仿真具有重要的意義。

2 海洋混響的離散統(tǒng)計(jì)模型

對(duì)于主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷的信號(hào)檢測(cè)處理而言，其干擾主要有噪聲干擾（包括魚雷自噪聲、海洋環(huán)境噪聲等綜合噪聲）和海洋混響干擾，其中噪聲干擾伴隨魚雷自導(dǎo)工作的整個(gè)過(guò)程，而混響干擾則由于與魚雷自導(dǎo)發(fā)射的信號(hào)能量、信號(hào)體制密切相關(guān)，其對(duì)魚雷的自導(dǎo)干擾表現(xiàn)為魚雷的信號(hào)從發(fā)射結(jié)束轉(zhuǎn)為接收后的一小段時(shí)間內(nèi)，但對(duì)自導(dǎo)的干擾是相當(dāng)厲害的。混響的產(chǎn)生是由于發(fā)射信號(hào)在海洋信道傳播過(guò)程中被水介質(zhì)中各種不均勻顆粒和界面（包括海面和海底）的不平整散射所引起。混響和發(fā)射信號(hào)有著直接的關(guān)系，直觀上可理解為它和發(fā)射信號(hào)存在著某種內(nèi)在的聯(lián)系，但由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性，很難建立混響和發(fā)射信號(hào)之間的確定關(guān)系，但在一定的假設(shè)前提下，建立發(fā)射信號(hào)和混響之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系是可能的［2-5］。

把混響模型看作是一個(gè)時(shí)間隨機(jī)過(guò)程F(t)，并作如下假設(shè)：

1）海洋中各顆粒雜質(zhì)散射的不均勻性是離散的；

2）不存在二次散射，且認(rèn)為介質(zhì)是均勻的。

在以上的假設(shè)前題下，混響的時(shí)間隨機(jī)過(guò)程F(t)可表達(dá)為

式（1）中，N是在t時(shí)刻接收點(diǎn)上產(chǎn)生混響元散射信號(hào)的個(gè)數(shù)，fk(t)是第k個(gè)元散射信號(hào)所形成的一個(gè)函數(shù)，它可表達(dá)為

式（2）中，αk表示第k個(gè)元散射體的散射性質(zhì)的隨機(jī)變量，φ(tk)表示信號(hào)在水介質(zhì)中傳播時(shí)衰減情況的一個(gè)函數(shù)，tk表示第k個(gè)元散射信號(hào)到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)間，s(t)為自導(dǎo)魚雷的發(fā)射信號(hào)。

F(t)可以寫成如下形式：

假設(shè)發(fā)射信號(hào) s(t)=A(t)?cos[?0t+φ(t)]，則

F(t)的解析函數(shù)Y(t)為

又s(t)的復(fù)包絡(luò)可表示為

則混響的復(fù)包絡(luò)YF(t)

令

在上式混響的復(fù)包絡(luò)模型中，有關(guān)隨機(jī)參量的概率分布情況，我們假定在水介質(zhì)中散射體是獨(dú)立分布的，并且從散射性質(zhì)的觀點(diǎn)來(lái)看彼此不影響，認(rèn)為這些隨機(jī)參量是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。

3 海洋混響的仿真模型

海洋混響是由于海水介質(zhì)及海面和海底對(duì)自導(dǎo)魚雷的聲探測(cè)系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生的聲散射在接收點(diǎn)疊加而成的結(jié)果，是限制主動(dòng)自導(dǎo)魚雷對(duì)近距離目標(biāo)檢測(cè)的主要因素，理論研究表明，與海洋噪聲相比，混響有其自身的特點(diǎn)［6～10］，主要表現(xiàn)為

1）混響強(qiáng)度與發(fā)射信號(hào)的能量有關(guān)，兩者是正比關(guān)系；

2）混響與發(fā)射信號(hào)相關(guān)，并且混響本身具有一定的相關(guān)性；

3）混響振幅呈瑞利分布；

4）混響頻譜相對(duì)于發(fā)射信號(hào)有頻譜擴(kuò)展；

5）混響是時(shí)空變化的，其強(qiáng)度隨時(shí)間增加而逐漸衰減，并且在不同的海域、不同的季節(jié)甚至中午和下午都各不相同。

準(zhǔn)確地仿真海洋混響是不現(xiàn)實(shí)的，在工程中只能采用簡(jiǎn)化的方法，利用以上建立的混響離散統(tǒng)計(jì)模型，把混響看成一個(gè)可平穩(wěn)化的高斯隨機(jī)時(shí)變過(guò)程，混響的包絡(luò)服從瑞利分布，混響強(qiáng)度的衰減規(guī)律近似用指數(shù)衰減規(guī)律擬合。

海洋混響的生成方法可用圖1表示。

圖1 海洋混響干擾的生成框圖

3.1 混響帶通濾波器的設(shè)計(jì)［11］

要設(shè)計(jì)帶通濾波器，首先要確定濾波器的帶寬，前面已經(jīng)分析，混響的帶寬與發(fā)射信號(hào)密切相關(guān)，但要比發(fā)射信號(hào)的帶寬寬一些，稱之為頻率擴(kuò)展；頻率擴(kuò)展一方面與海洋中散射體的多普勒和隨機(jī)相移有關(guān)，另一方面與發(fā)射信號(hào)包絡(luò)的時(shí)間長(zhǎng)度和形狀有關(guān)，還與自導(dǎo)系統(tǒng)波束寬度有關(guān)。

若發(fā)射信號(hào)是單頻CW矩形脈沖，則混響帶寬近似為

若發(fā)射信號(hào)是線性調(diào)頻矩形脈沖，則混響帶寬近似為

其中，BW 混響帶寬的單位是赫茲（Hz）；T是發(fā)射信號(hào)的脈沖寬度，單位是秒（s）；WLFM是線性調(diào)頻信號(hào)的調(diào)頻寬度，單位是赫茲（Hz）。

從式（4）我們看出，若發(fā)射信號(hào)的脈沖寬度T為40ms，則可以算出BW 為50Hz，若系統(tǒng)中心頻率為30KHz，系統(tǒng)采樣率為90KHz，50Hz的帶寬與之相比就顯得太小，歸一化的帶寬只有九百分之一，這對(duì)濾波器設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的困難。

通過(guò)對(duì)幾種濾波器的分析比較，采用橢圓形濾波器，利用橢圓函數(shù)設(shè)計(jì)的橢圓濾波器，它的誤差在通帶和阻帶內(nèi)都是按等波紋形式分布的。實(shí)現(xiàn)相同的濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，橢圓濾波器的階數(shù)最低。在相同的階數(shù)條件下，則橢圓濾波器的性能指標(biāo)最高。

在具體混響仿真中的具體做法是借用Matlab中有關(guān)橢圓濾波器設(shè)計(jì)的幾個(gè)函數(shù)，將它們轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言的子程序，然后在Visual C++中調(diào)用［11］。轉(zhuǎn)換工具是一個(gè)叫做MATCOM的實(shí)用程序。

［n Wn］=ellipord（Wp/（fs/2），Ws/（fs/2），rp，rs，z）；

［b a］=ellip（n，rp，rs，Wn，‘bandpass’）

filter（b，a，xn）；

采用上述橢圓濾波器處理的效果非常好，在采樣率為300KHz的情況下，可以濾出通帶帶寬為30Hz的混響，濾波器的歸一化帶寬只有5000分之一，并且可以做到通帶內(nèi)衰減在3dB之內(nèi)，阻帶內(nèi)衰減在30dB以上。

3.2 混響包絡(luò)曲線的確定

用以下指數(shù)衰減曲線擬合混響的包絡(luò)曲線：

假定自導(dǎo)魚雷的發(fā)射脈沖周期為2s，再假定自導(dǎo)系統(tǒng)接收回波1.2s后，混響干擾衰減接近為零，則取α≥2.85可滿足要求，我們?nèi)ˇ?2.85；而A則主要用于控制幅度，可以根據(jù)每型魚雷的發(fā)射聲源級(jí)的不同加以確定。

4 海洋混響的仿真結(jié)果

利用以上建立的模型對(duì)混響進(jìn)行仿真，取CW和LFM信號(hào)的中心頻率 f0=22kHz,脈沖寬度T=40ms，LFM信號(hào)的調(diào)頻寬度WLFM=1kHz的模擬結(jié)果。

比較圖2和圖3可以看出，混響仿真信號(hào)在頻率上并不和發(fā)射信號(hào)完全相吻合，而是在頻譜的兩側(cè)都有頻移，形成一定的頻帶擴(kuò)展。

圖2 LFM脈沖混響信號(hào)及其頻譜圖

圖3 CW脈沖混響信號(hào)及其頻譜圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出并建立混響干擾模型已成功運(yùn)用于某水聲對(duì)抗試驗(yàn)仿真系統(tǒng)，實(shí)踐表明，該模型可以滿足魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)仿真中對(duì)混響干擾模擬的要求。