（水声工程专业论文）声诱饵信号处理的研究与工程实现.pdf

垒堕堕t 一一 a b s t r a c t t h e p r i n c i p l e o ft h ea c o u s t i c a l d e c o ys i g n a lp r o c e s s i n g a n dt h e e n g i n e e r i n g r e a l i z a t i o no f a na c o u s t i c a ld e c o ys i g n a lp r o c e s s o r w e r et r e a t e di nt h i st h e s i s f i r s t l y ，t h eb a c k g r o u n d a sw e l la st h e s i g n i f i c a n c e o ft h i sr e s e a r c hw o r kw a s i n t r o d u c e d t h es t a t u so ft h i sr e s e a r c ha th o m ea n da b r o a dw a sp r e s e n t e dt o o s e c o n d l y ， t h eb a s i ct h e o r yo nu s i n gt h ea c o u s t i c a ld e c o ys i g n a lp r o c e s s i n gt os i m u l a t et h ee c h o o fa s u b m a r i n ew a sd i s c u s s e d t h i r d l y ，t h ep r a c t i c a ls c h e m eo fb u i l d i n ga l la c o 沁t i c a ld e c o y s i g n a lp r o c e s s o rw a sl a yo u t a l s o ，t h ek e yp a r a m e t e ro f t h ea c o u s t i c a ld e c o yp r o c e s s o r w a sc a l c u l a t e d b a s e do i lt h ew o r km e n t i o n e da b o v e ，t h ek e yt e c h n i q u e si nt h ee n g i n e e r i n g r e a l i z a t i o no ft h ea c o u s t i c a ld e c o y p r o c e s s o r w e r es t u d i e dw i t h e m p h a s e s t h e s e t e c h n i q u e s i n c l u d e ：w e a k s i g n a l d e t e c t i o na n d a n t i - j a m m i n g ，c o m p r e s s i n g o ft h e l a r g e s c a l ed y n a m i ci n p u ts i g n a lb ya u t o m a t i cg a i nc o n t r o l ，d i g i t a l w a v e f o r ms t o r a g e ， g e n e r a t i n go ft r i g g e ds i g n a l ，o u t p u ts i g n a lr e b u i l d i n g ，d o p p l e r s h i f ts e t t i n g ，t a r g e ts t r e n g t h s e u i n g ，e x p a n d i n g t h e s i g n a lp u l s ew i d t h ，s y s t e mc o n t r o l a n du s e ri n t e r f a c e t h e d e b u g g i n g w o r ki nl a ba n dt a n kw a sd o n ea l s o a tl a s t ，t h es y s t e mh a s u n d e r g o n e t h et e s t i nt a n ka n dr e s e r v o i r t h ep r o b l e mp r e s e n t e di nt h et e s tw a sr e s o l v e db yc a r e f u l l y i n v e s t i g a t i n g t h u se n h a n c e d t h es t a b i l i t ya n d p r e c i s i o n o f t h e s y s t e m t h er e s u l t so ft a n kt e s ta n dr e s e r v o i rt e s ts t a t et h a tt h ea c o u s t i c a l d e c o ys i g n a l p r o c e s s o rh a ss u c hg o o dc h a r a c t e r i s t i c s a s ：a c c u r a t ep a r a m e t e rs i m u l a t i o n ，l a r g e s c a l e d y n a m i ci n p u t ，s t a b l ef u n c t i o n o ft h e s y s t e m ，a b i l i t y o fw e a ks i g n a l d e t e c t i n ga n d a n t i - j a m m i n g ，v e r s a t i l ef u n c t i o na n de a s yt ou s e t h ep e r f o r m a n c eo ft h i ss y s t e mh a s m a t c h e dt h e r e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：a c o u s t i c a ld e c o y g a i nc o n t r o l a c o u s t i cc o u n t e r m e a s u r ee c h os i m u l a t i o n d i g i t a lw a v e f o r ms t o r a g e l i 塑! ! ! ：些叁堂堕主堂焦堡塞 第一章引言 1 1 研究背景、目的与意义 鱼雷兵器出现后，受到许多国家的重视，并且迅速获得发展与改进，成为一种 威力巨大的海战武器。在1 8 7 7 - 1 8 7 8 年的俄土战争中，俄国舰艇首次使用鱼雷击沉 了土耳其的军舰。而后，它的使用规模在历次战争中不断增大，并发挥了巨大的作 用【3 8 l 。尤其是在潜艇问世后，潜艇使用鱼雷进行攻击取得了惊人的战果。在第一次 世界大战中，仅被德国潜艇击毁的运输船就超过1 3 2 0 万吨，其中被鱼雷击沉的达 1 1 5 3 万吨，占总吨位的8 9 。在整个战争期间，被击沉的战舰和商船中有3 2 左右 是被鱼雷击沉。在第二次世界大战中，为鱼雷所击沉的军舰达3 6 9 艘，约占被击沉 总数的l 3 还多，而被击沉的大型舰艇中，大部分是被鱼雷所击沉的。第二次世界 大战以后的局部战争中也多次使用了鱼雷。1 9 8 2 年，在英阿马岛海战中，英国核动 力潜艇“征服者号”使用两条鱼雷击沉了阿根廷的第二大军舰“贝尔格拉诺将军号”， 使阿受到沉重打击，从中也显示了鱼雷在现代战争中的巨大威力。 早期的鱼雷只有深度控制系统，随着鱼雷射程的增加，产生了采用陀螺仪技术 进行航向和横滚控制的自控鱼雷。使用仅有自控系统的鱼雷，需要知道目标的精确 位置，它只适用于攻击固定目标或按预定规律运动的目标，应用范围受到很大的限 制。在这种情况下，促使各国进行自导鱼雷的研究，在第二次世界大战后期，首先 由德国制造出单平面被动声自导鱼雷。五十年代未期，反潜用的双平面主动声自导 鱼雷先后在一些国家研制出来并装备部队使用。现在，声自导鱼雷多采用主被动联 合自导，它既利用了目标的自身辐射噪声，又接收目标反射的寻的信号，二者按一 定的顺序工作，将鱼雷导向目标。由于现代鱼雷具有自主检测跟踪目标的能力，加 上鱼雷具有航行隐蔽的特点以及水中爆炸的巨大威力，使得在“导弹时代”的今天， 鱼雷在海战中的地位丝毫不减，令人望而生畏。 如何有效地避免鱼雷的攻击一直是各国海军重点研究的课题。早期舰艇主要 采用机动的方法来规避直航自控雷。但是，卢白导鱼雷的出现，使得这一方法很难 奏效。随着水声对抗技术的发展，鱼雷干扰器、声诱饵应运而生。鱼雷干扰器通过 发射多频率、多节拍的声脉冲或连续波来干扰鱼雷自导头的工作。丽鱼雷声诱饵则 可以应答声自导鱼雷的寻的信号并模拟目标的自噪声，用以诱骗敌方鱼雷的自导头， 使得敌方鱼雷跟踪声诱饵直至航程耗尽，攻击失败。潜艇一般使用自航式声诱饵， 蔓二童! ! 宣 一二一 这种诱饵酷似鱼雷，它出鱼雷发射管发射后，可以以自己的动力航行，模拟潜艇的 目标特征。而水面舰艇一般使用拖曳式声诱饵，舰艇使用拖缆连接声诱饵水下拖体 与舰上的信号处理机，与自航式声诱饵相比，由于受体积和功耗的限制较小，i n g i i 具有更逼真的诱骗效果。近年来，又出现了引爆式声诱饵【2 叭，它能够探测鱼雷的运 动参数，并在鱼雷接近自己的时候引爆装药，实现了对鱼雷的硬对抗。 而在另一方面，鱼雷的研制者为了能够使鱼雷对抗包括声诱饵在内的各种干扰， 也采取了很多先进的技术。尾流自导鱼雷利用舰艇的尾流特性追踪目标，使得各种 常规干扰器材很难对之产生作用。但由于深水中航行的潜艇尾流极为微弱，自导鱼 雷在反潜作战中依然采用主被动声自导作为引导方式，各种先进的目标识别技术也 随之应用。先进鱼雷能够自动判别目标的真假与类型，从而避免跟踪声诱饵引起的 攻击失败。在研制期间，对这样的鱼雷进行性能测试具有很大的难度，鱼雷声靶必 须具有高性能的声诱饵才能够考核鱼雷目标识别技术对抗声诱饵的有效性。而本论 文的研究工作就正是在x x 鱼雷船拖拖曳靶用声诱饵的研制需求下展开的。 1 2 国内外研究状测3 9 1 1 4 0 1 1 5 0 l q 5 4 1 鱼雷声诱饵模拟鱼雷寻的信号目标回波的功能，在本质上与各种各样的鱼雷目 标应答机( 鱼雷靶) 、声纳目标应答机是相同的。美国早在4 0 年代，就已将目标应 答机应用于水声对抗，当时就有了n a d 6 和n a d 一6 a 潜艇目标模拟器，其回音重 发功能由收发换能器和电子线路完成；6 0 年代初有了a y d l q 9 潜艇模拟器，引入 了多普勒频移，程控机动：7 0 年代末有了s a p t 潜艇模拟器；8 0 年代中的m k 3 8 5 小型活动靶，其信号处理由微处理机完成，有2 2 个独立的频率，能够识别询问频率 重叠的不同声纳系统。现役的美军舰艇大多装备了a n s l q 2 5 “水精”( n i x i e ) 系统， 整个系统由舰上指挥中心的控制台、后甲板上的双鼓形绞盘、电缆拖索及二个拖曳 体组成，拖曳体长8 0 0 毫米，直径1 5 0 毫米。这二个拖曳体一前一后被拖在舰后， 发射模拟“目标回波”，使它能有效地对付主动声自导鱼雷。英国在7 0 年代未有船用 吊放式声纳应答机g 1 7 3 3 ，主要应用于声纳员的训练和大型海上试验；其装备水面 舰艇的d m t 深水活动靶，主要为反潜训练、鱼雷试验和技术鉴定提供水下活动目 标。目前，英国和英联邦有关国家装备了英国生产的1 8 2 型拖曳式声诱饵。俄罗斯 海军有一种称为“骗子”的声诱饵g p m l 。这种诱饵长3 9 米，重7 9 7 千克，由鱼 雷发射管发射后，它的最大工作深度可达2 5 0 米，最大航速为1 5 节。g p d 3 有噪 声干扰、选择性于扰和回声模仿三利，工作方式。它由宽带声纳噪声产生器和磁效应 一2 丛! ! ! ：、业签堂堡堂堡丝塞 一一 磁带放音装置组成，用来模拟潜艇航行时的信号特征，并应答鱼雷寻的信号。g p d 3 的另一个特点是，它有自动和手控两种发射方式。自动发射用来迷惑敌方鱼雷， 操作员控制发射时，用来对抗敌方水面舰艇的声纳系统。以色列海军装备了自己研 制的a t c 一1 拖曳式声诱饵系统。该拖曳体直径3 0 0 毫米，长1 2 米。流线形的拖曳 体上装有三个压电换能器，工作频率很宽，可以覆盖目前已知的所有鱼雷声自导频 率。它的转发信号很强，能够对鱼雷产生一个吸引力很强的假目标。a t c - l 拖曳诱 饵既可单独装备，又可作为综合反鱼雷系统的一部分。 我国在这一方面起步较晚，但在近年来也取得了一定的成就。在8 0 年代中期， 西工大研制了鱼4 乙目标应答机，这是一种回波触发式回声器，即将收到的入射脉 冲进行信号处理，按照被模拟目标的要求，重新发射一个脉冲信号。它可对目标强 度、多普勒频移进行模拟，电路全部采用模拟器件，精度差、抗干扰能力弱。8 0 年 代，中国科学院声学所研制了通用鱼雷模拟靶标，采用微型计算机控制和管理的高 速数据采集、存储和转发系统，将靶标收到的自导鱼雷的现场信号真实地存储起来， 然后加上多普勒频移和目标反射本领，转发回去，其动态范围可达4 5 d b 。8 0 年代 术，哈尔滨船舶工程学院水声研究所对强噪声背景下自动应答技术进行了研究。这 一技术主要用于潜艇或其它运载体拖放的声诱饵上，作用是用它发射模拟潜艇噪声， 并能对鱼雷寻的信号进行转发，以模拟回波来迷惑鱼雷或敌方主动声纳。系统噪声 发射范围在2 5 - - 4 2 k h z 内，能在本地辐射噪声谱为1 3 0 d b ( 参考级1uv a ) 时检测信号 并应答。其基本原理也为回波转发，可模拟目标强度和多普勒效应。在信号检测中， 使用了自适应噪声抵消器和自适应线谱增强等技术，对噪声抑制约5 0 d b 。但这项研 究仅仅是一个应用性的预研课题。进入9 0 年代后，西工大声学所为多型航空吊放声 纳研制了训练用的声纳目标应答机，能够精确地模拟目标回波的多普勒频移与目标 强度。电路主要采用数字电路设计，具有多种工作方式，包括应答方式、固定声源 级方式，同时还有自检功能、信标功能。在应用中获得部队和用户的好评。 目前，本论文的研究工作就是在x x 鱼雷船拖拖曳靶用声诱饵的研制需求下展 丌的。为了严格考核鱼雷的目标识别功能，要求声诱饵信号处理机模拟潜艇回波波 形参数精度高，且性能要稳定可靠。由于系统供海上试验使用，要求系统能够测量 并记录输入与应答信号的参数，以供试后分析。系统采用工控机和单片微型计算机 进行控制，具有友好的人机接口。工作原理为数字式回波转发、触发及程控信号检 测与测量，可对目标强度、多普勒效应及脉冲展宽进行模拟，并且能够完成对脉冲 信号参数的精确测量。电路主要采用可编程器件设讨，具有功能多、精度高、速度 一3 第一章引言 快、动态范围大等特点。系统具有多种工作方式，即回波转发方式、回波触发方式， 同时还具有自检功能。该系统经过水池调试、水库试验，证实其波形参数精度高； 稳定性好；可靠性高；动态范围大；抗干扰能力强；对弱信号具有很好的检测能力 和测量精度，多次获得合同甲方的好评。 1 3 功能与应用 该声诱饵信号处理机配合水下拖体可以完成以下功能： 1 模拟水下目标潜艇的多种波形参数。如目标反射强度、目标运动速度、目 标回波展宽等，考核鱼雷目标识别功能对抗卢诱饵的有效性。 2 作为活动声靶，通过精确设定目标强度，可用来考核鱼雷声自导的作用距 离。 3 全程记录鱼雷试验过程中鱼雷寻的信号参数，供参试人员进行试后分析。 4 可作为部队海上作战训练时所用的假目标。 5 可单独作为水下高灵敏度接收机使用。供目标特性、水声信号处理、水声 传播特性等科学研究使用。 6 系统具有故障自检功能。 1 4 主要工作 在查阅了国内外有关技术资料的基础上，完成了浚声诱饵信号处理机的总体技 术参数估算、技术设计、工程实现、性能改进、水池及水库试验并完成了有关资料 的整理等工作。具体有以下方面： 1 对水下目标特性的回波特征，尤其是潜艇的目标特性进行了深入地研究， 并完成了总体方案论证和技术设计。 2 根据技术要求，对系统中几个关键技术和参数进行了深入的研究并拟定了 技术方案。重点研究的关键技术包括：自动增益控制、信号参数测量、转 发信号存取、触发信号产生、以及总体控制。 3 根据技术方案，对主信号处理模块、信号参数测量模块、触发信号产生模 块、主控模块等电路功能模块进行了技术设计、电路组装调试与电路改进。 对主控模块的主从两片单片微型计算机和上位工控机的控制软件及人机接 口软件进行了流程设计、代码编写以及程序的调试与修改。 4 在此基础上，完成了实验室调试，并与合同甲方的水下分机进行联调，完 成了水池调试与水库试验。 一4 。 州北i ：业人学硕十学位论文 第二章水下目标回波特性与模拟的研究 本章主要论述了水下目标回波的形成和回波特性。重点讨论了潜艇的回波特性 以及对目标回波信息的提取。结合声纳方程对声诱饵模拟潜艇回波的工作机理进行 了论述。该研究为声诱饵信号处理机的技术方案设计与论证提供了理论根据。 2 1 目标强度 在水声学中，目标是指潜艇、鱼雷、水雷等物体，它们或是声波的反射体，或 是声波的散射体，或是两种作用兼而有之。当声呐工作的时候，在水中形成照明场 和目标散射反射场，从而产生回波，回波信号的产生，遵循着一定的物理规律，是 一种有规律的信号。 目标强度从声强度的角度描述了目标声反射本领的大小，其定义为： ， 孵= 1 0 l g k( 2 1 ) j 式中， 为入射声波强度，是离目标声中心1 米处的回声强度。通常，是在目 标的远场进行测量后，再按一定的规律换算到离目标声中心l 米处，得到，l 。通 常，回声强度是入射方向和回声方向的函数，只有在收发合置情况，接收点和声 源位于同一处，回声仅是入射方向的函数。因为这时回声方向与入射波方向恰好相 反，所以习惯上称为反向反射或反向散射。被测目标的目标强度对主动声呐目标检 测有着十分重要的作用，因为它决定了回声信号的强弱。 2 2 目标回波特性 鱼雷主动白导时，其自导头就是一个主动声呐，它通过在水中发射声信号，并 对所接收到的目标回波进行处理和分析，完成检测识别水下目标并将鱼雷导向目标 的功能。为了能够有效地欺骗鱼雷，声诱饵必须尽可能真实地模拟目标的回波特性。 因此在设计声诱饵时，必须对所要模拟目标的回波特性有相应的了解。自有声呐以 来，目标回波特性的理论和实验研究从未问断过。但声呐实际感兴趣的目标( 如潜 艇) 的回波机理和信息特征的研究远远没有完善。这一方面是由于实际目标的复杂 性和海洋环境的影响，很难有一个理想的实验模型；另一方面，也由于这些目标涉 及军事秘密，公丌发表的研究报告很少。本文结合课题对目标回波特性作简要的论 述。 - 5 箜三童坐! 旦堡旦型l 丝兰燮! 丛笪婴塑 一 一 2 2 1 回波信号的形成州 一般来说，声纳目标在线度大小上总是有限的，所以，当声波投射到它们表面 时，反射、绕射和散射过程均可能发生。但是在不同的场合，往往只有其中的一、 二种过程是主要的，其余的过程则是次要的。 镜反射。对于曲率半径大于波长的目标，回声基本上是出镜面反射过程所产生， 而与垂直入射点相邻的那些表面，则产生相干反射回声。镜反射是种几何反射过 程，服从反射定律。 表面上不规则散射。目标表面上的不规则性诸如棱角、边缘和小的凸起物， 其曲率半径一般小于声波波长，声波投射到这些表面上时，由散射过程产生目标回 波。大多数声纳目标表面都有这种不规则性，它们产生的散射波也是回声的组成部 分。 目标的再辐射。原则上，一般的声纳目标都是弹性物体，在入射声波的激励下， 目标的某些固有振动模式将会被激发起来，这些振动自然会向周围介质辐射声波， 这种再辐射波也是目标回声的组成部分。因为这种再辐射波不遵循反射定律，所以 也称为非镜面反射回波。这种再辐射波的激励，受到多种因素的影响，如目标的力 学参数及状态、目标与入射声波的相对位置等。 回音廊式回声。投射到目标表面上一点的声波，除产生镜反射波以外，还按折 射定律产生折射波透射到目标内部。折射波在目标内部传播，在内部点上同样产生 反射和折射，离开目标表面时，折射波恰好在返回声源的方向上，这种波也是回波 的一部分。如图2 1 所示。 | 生f2 - 1同音廊式同卢传播途径 2 2 2 回波信号的一般特征【3 l f i l 回声是目标和入射声波互相作用后产生的，所以，回声总是或多或少地携带有 关于目标的“信息”。这些“信息”对目标检测和目标识别是寸分有用的。问题是 6 西i g a i 业入学硕十学位论文 如何从回波中将这些“信息”提取出来。研究结果表明，回声从波形上和其它特陛 上都不同于入射脉冲，这些差异中，常见的有以下几种： 多普勒频移。正是由于多普勒效应，使得来自运动目标的回波频率和入射波 产生了差异，这种差异的大小与入射波频率厂及目标与声源之间的距离变化率v 有 关，它们之阳j 满足如下关系： a f ：丝f( 2 2 ) 式中，v 是声源与目标的相对速度，c 是海水中的声速，z x f 是回波频率与入射 波频率之间的差值。式中正负号的选择是：当目标接近声源时，取正号。反之则取 负号。若声速为1 5 0 0 m s ，则： a f = + - 0 6 9 v ，( 节千赫)( 2 3 ) 根据式( 2 3 ) ，在鱼雷自导头工作频率为3 0 k h z 、鱼雷以3 0 节的相对速度趋近目 标时，回波频移为+ 6 2 1 h z 。 脉宽展宽。通常，回波脉冲宽度都宽于入射脉冲。这是因为目标回声是由整 个目标表面上的反射体和散射体所产生，物体的整个表面都对回波有贡献。但由于 传播路径不同，目标表面不同部分产生的回波到达接收点的时间将有先有后，这就 加宽了回声信号的脉冲宽度。在图2 2 中，一束平面波以掠角口入射到长为l 的目 标上。很明显，在收发合置条件下，回波脉冲将比入射脉冲拖长 a t = 坐咝 (24)c 式中c 为介质中的声速。回波脉冲的这种展宽现象，在入射声为窄脉冲信号， 目标又是由许多散射体组成的复杂目标时，就特别明显。如果回声的主要过程是镜 反射时。这种拉长就可以忽略。对于潜艇目标来说，在正横方向，回波展宽仅为1 0 m s ， 而在首尾线方位，这种展宽可达1 0 0 m s 。 k 一 一 幽2 - 2 同波脉冲展宽 一7 第二章水一f 目标同波特性与模拟的研究 包络的不规则性。回声的包络是不规则的，特别是当镜反射不起主要作用时 更是如此。这是因为在镜反射不起主要作用时，目标上的各散射体所散射的声波互 相迭加干涉。另外，在i i 标的回声中，还可能有个别的亮点，它们来自目标上那些 能产生镜反射的部位。 调制效应。在螺旋桨推动的目标的尾部，回声幅度会出现周期性的变化。这 是由于螺旋桨旋转，使得目标的散射截面产生周期性变化而造成的。另一个产生调 制的因素是运动着的船体与其尾流产生的两种回声的干涉，在某些方位角上，船壳 与尾流合成回声的包络，由于两者频率不同，亦会出现拍频或振幅变化。 2 3 潜艇的回波特性 2 3 1 潜艇的目标强度 潜艇具有复杂的结构，使其回声也相当复杂。关于潜艇的目标强度，人们首先 注意到测量值的明显变异性i l 】【3 】。这种变异性，不但表现在对不同型号的潜艇，由不 同测量者在不同时间所测得的目标强度值具有很大的变化，而且还表现在对同一艘 潜艇所进行的测量中，各次回声强度也有很大的变化i3 1 。 潜艇目标回声机制有1 1 1 【3 l 【5 l ： 目标外形回波：其中包括艇体、舰桥、尾翼、舵，以及装有声纳基阵的球鼻 艏等，都可以产生较强的镜向回波。艇体可以简单地看成是两端减缩的光滑柱体或 椭球体，艇桥可看成垂直柱形壳体。这两者在任何情况都会对回波作出贡献。其它 突出部分作为镜反射体，回波强度较小，但在潜艇处于某些姿态角时，也会起较大 的作用。 表面的不规则性的散射：系留桩、水平舵、尾翼的翼板、栏杆以及潜望镜等 结构，由于曲率半径小于声波的波长，当声波入射到这部分上时，会产生散射，这 种回波可以用小球散射来等效。多数潜艇表面都存在这种小的不规则部分，由此而 成的敞射波是大量散射中心所发出的散射波的合成。 以上两类反射波，都是由潜艇本身的几何形状引起的，与潜艇的材料无关，因 此这两类回波属于几何反射波。 声透入潜艇之内：由于水的弹性阻抗比较大，而在水中象潜艇这样的目标不 能看成是刚性的。在入射波的作用下，它产生的运动与形变是很复杂的，必然有一 部分声波会透入潜艇之内，由耐压壳和壳内设备产生回波，这类回波往往和壳体镜 反射由于相位差而互相干涉和减弱。 8 一 堕些! ! ! 叁堂堡主堂焦堡茎 一 一一 共振效应：当入射声的频率较低，接近潜艇的固有频率时，透入潜艇壳体内 的声波可能与潜艇产生共振，共振时回波明显加强。共振频率与潜艇本身的结构材 料有关系，不同潜艇的共振频率也不尽相同。 这两种回波是由于潜艇目标不为完全刚性，而使声源透入目标内引起的。出于 声波在潜艇壳体内传播，受潜艇本身材料的声阻抗的影响，故这类波的形成与潜艇 的弹性有关，属于弹性散射波。 对于潜艇目标来说，人们在研究了不同频率下，对不同潜艇所作的测量结果后 发现，潜艇证横方向的目标强度值在( 1 2 - 4 0 ) d b 之间，平均值为2 5 d b 。而且，潜艇 的目标强度随着各个参数的改变而改变。现分另u 讨论如下【1 1 1 3 】： 随方位的变化 经实测表明，潜艇目标强度沿方位角的变化呈蝴蝶图形，在潜艇左右两舷侧的 正横方向上，目标强度值最大，可达2 5 d b ，它是由艇壳的镜反射引起的。在艇首和 艇尾方向，目标强度取极小值，约为( 1 叽1 5 ) d b ，这是由艇壳和尾流的遮蔽效应引 起的。在艇首和艇尾2 0 。附近，比相邻域高出( 1 3 ) d b ，估计是由潜艇的舱室结 构的内反射产生的。 随测量距离的变化 关于潜艇的目标强度，实测结果还表明它和测量距离有关，往往近处测量值小 于远处测量值。这种现象的出现有两方面的原因。其一，当使用指向性声纳在近处 进行目标强度测量时，由于指向性的关系，声束不能照射到目标的全部，仅有部分 表面对回声有贡献。其二，有些物体由于其几何形状比较复杂，其回声阻塞距离衰 减的规律不同于点源声场。对于一个长度为的柱体来说，在近距离上，它的回声 强度随距离的衰减服从柱面规律，即f i r ：在远距离上，回声随距离衰减服从球面衰 减规律，即肼7 ；两者的过渡距离是7 ，这里 是声波波长。如果测量分别是在近 处和远处进行的，而归算到目标声中心一米处时都应用球面规律，则其结果必然是 远处测得的目标强度值大于近处的测量值。因此，为了得到稳定可靠的测量结果， 测量应在远场进行，即测量距离，要大于7 _ 。 随脉冲长度的变化 实际上采用有限长度的信号，在一般情况下，信号的长度不可能不影响到目标 的反射本领。现设有脉冲长度r 的平面波入射到长度为l 的物体上，它们之问的夹 角为口，如图2 3 所示。 一9 笙三童坐e 旦堡囹垫堑丝兰堡她婴! i 一 幽2 - 3目标强度随脉冲k 度的变化 若要物体表面上的4 点和8 点所产生的回声在脉冲宽度r 内被同时接收到，则 必有 b d = 卯2 即 a b s i n o = n ：2 ( 2 5 ) 式中，c 是声速。由式( 2 5 ) 可以看出，随着脉冲长度r 的增加，对回声有贡献的 物体表面积也相应地增大，直到r 变得足够大，以至物体全部表面都能对回声产生 贡献为止。由此可见，当脉冲长度由短逐渐变长时，目标强度值也由小逐渐变大， 直到脉冲长度变为( 2 ls i r t o ) c 后，目标强度值就不再随脉冲长度而变化。如果测量 是在潜艇正横方向进行的，则由于目标沿入射方向上的长度比较小，且回声的形成 主要是几何镜反射，所以，上述目标强度随脉冲长度变化的现象并不显著。 关于潜艇的目标强度值，还有人曾经测量过它与频率、潜艇航行深度等因素之 间的关系。而测量结果表明：潜艇目标强度不存在明显的频率效应；至于航行深度， 除了影响尾流回声外，目标强度值并没有明显的变化。 2 3 2 消声瓦对潜艇目标强度的影响【2 6 1 【4 0 1 现代潜艇正向安静型方向发展，各国先进潜艇普遍加装了消声瓦。而对于消声 瓦的效用，这罩只能作一个估算。 根据有关报道，敷设消声瓦，可降低鱼雷主动自导作用距离百分五十至七十。 在这罩，假设使鱼雷自导作用距离减小一半。 假设鱼雷使用收发合置主动声纳，声源强度为i o 。在距离鱼雷r 处有一潜艇， 则入射波在该处的强度为 ，。= 了1 0 ( 2 6 ) 潜艇将它所截取的能量的一部分，向接收机所在的方向反射。目标强度定义 为接收机方向上的反射声强l ，与入射声强，之比： 1 0 。 堕! ! ! ：些丛堂堡主堂丝堡塞一 卜争 ( 2 7 ) 其中，i 。是在距潜艇等效声中心1 米处测得的。则接收机处的回波强度为 和= 笋= 等 ， r 一，一r 同理，在距离声纳2 r 处的潜艇，接收机得到的回波强度为： 小器= 船 亿。， 若使两回波强度相等，即，r = ，j ，则需f ，= f ：1 6 。而 t s = l o l g f ，= 1 0 1 9 素= t s 一1 2 ( 2 1 0 ) 由此可得，敷设消声瓦后，使潜艇的目标强度减小了约1 2 d b 。因此，在模拟现 代潜艇回波时，声诱饵应具有较小的目标强度。 2 3 3 潜艇回波的尺度特征i 2 2 】【2 3 i 潜艇的回波是由艇体和艇外装置对外部声信号的反射而形成的。由于潜艇外形 和结构的复杂性以及制造材料的差异，潜艇对不同方位声信号的反射表现出复杂的 声散射特性。声反射回波包括多种成分，如镜反射波、棱角波及弹性散射波等。这 些回波实际上是由艇体外形结构形成的随机散射体和少数几个强镜向反射体形成的 复合反射波，均可等效成某些敞射中心即亮点的回波，实际潜艇可以等效成若干个 散射亮点的组合，总的回波是这些亮点回波相干迭加的结果。对潜艇亮点回波的测 量结果显示，在偏离艇首( 或尾) 小角度范围内，仅出现艇首( 或尾) 和舰桥两区域亮 点回波，这是由于舰桥对艇首尾的遮蔽效应所引起的，其回波长度反映了舰桥至艇 首( 或尾) 的纵向尺度：在正横方位7 0 。ii o 。范围内的亮点回波，其回波长度最 短；在其它方位上，亮点回波相互重叠成回波串，但总长度与潜艇纵向尺度有关。 由此可见，潜艇亮点回波在时间上的延伸与潜艇长度及方位距离有关，特别是在偏 离正横的一定角度范围内，亮点回波明显分离并与艇体首、中、尾部位一一对应 从而在一定程度上反映了潜艇的尺度信息。图2 - 4 为实测潜艇亮点回波图像2 引。 第二章水f 目标回波特性与模拟的研究 图2 - 4 实测潜艇亮点回波图象 2 4 目标回波的分类与信息提取 对于目标信息，我们所关心的主要有四类：刚示存在、目标类型、目标位置和 运动参数。这些信息都需要在混响和噪声干扰中提取，而且往往是不可分的。首先 需要检测目标是否存在，即，只有确定了目标确实存在，彳能进一步提取目标参数 或反映目标散射特性的信息。 2 4 1 目标回波的数学模型及分类 5 i 由于目标在径向距离上的延伸和自身的运动，包括目标亮点随机的分布，随机 颠簸和摇晃，会导致反射回波的衰落畸变。一般情况下，对潜艇目标，回波衰落远 比传输信道的衰落要严重。从检测观点来看，这会使匹配滤波检测失效，但从信息 的观点来看，衰落本身反映了信息特征。下面讨论目标散射的二阶统计特征以便从 信息上对目标进行分类。 如果各亮点散射是非相关而且起伏是广义平稳的，则该目标散射满足w s s u s 条件，有敞射函数定义 只7b ，( p k ) = ( 2 1 1 ) 文献【5 】对该式中的参数含义及推导作了详细的说明。 由目标散射函数可以获得目标的扩展时问l ，和扩展带宽m ， 展的大小分类。 理想点目标：l ，= 0 ，m ，= 0 ，其扩展函数是确定性的。 s r ( t ，平) = b o s ( r t 。) 6 “一( p 。) 一1 2 可对目标按其扩 ( 2 1 2 ) 阿北l ：业火学硕十学位论文 因此散射函数是 焉( r ，妒) = l b o i2 j ( r 一 c o p 一9 。) ( 2 1 3 ) 其中b 。是复常数，t 。和( p 。分别是目标的距离延迟和运动的多普勒频移。 慢起伏点目标模型：t 1 ，l 1 b 1 ，三，b 1 ，这是时变非时扩目标，其响应函 数或传递函数不能在信号时间t 内保持不变，其散射函数是 b ( f ，伊) = 只，弦( r 一) ( 2 1 6 ) 快起伏点目标的回波是时间选择性衰落回波，所引起的扩展主要是频率扩展， 因此也称频移扩展回波。 距离延伸目标模型：，t 1 ，这是指目标的径向尺寸， c b 的固定或慢起伏点目标，其散射函数是 只，( f ，妒) = 占一妒。) ( 2 1 7 ) 而 也称目标的距离散射函数( 延迟散射函数) 。大多数声纳目标是属 于距离延伸目标，该目标回波是频率选择性衰落回波。回波主要在波形时域上产生 扩展或模糊。 起伏点有延伸目标模型：t 1 ，l 7 , b 1 ，且在信号时间t 内是快变的 ( 故又称双扩展目标模型) 。如果目标距离分布散射体散射满足互相独立( u s ) 条 件，起伏满足广义平稳( w s s ) 条件，则有散射函数。 只，0 ，妒) = ( 2 1 8 ) 以上分类主要是按信号分辨单元大小和目标扩展范围进行的。目标是点目标还 是延伸目标，主要是看其时问扩展量是小于还是大于信号的时间分辨率( 1 b ) ，目 标的起伏的快变决定于其起伏 31 起的频率扩展量是大于还是小于信号的频率分辨率 ( 】厂r ) 。 1 3 第一二章水t - 目标同波特性与模拟的研究 2 4 2 提取目标信息的宣观途径p j 回波的距离延伸信息。采用短脉冲，可以从回波时间上的延长来确定目标在 声波方向的距离延伸的大小。如式( 2 4 ) 所示。当采用尖脉冲或脉冲压缩技术，常可 获得目标在距离上的亮点分布信息。根据亮点位置和强度的空间分布，可确定目标 的某些外形特征，例如潜艇目标回波中常出现较强的艇体和舰桥回波分量，其相对 位置可以判定潜艇的航向。一般潜艇目标大约有3 6 个亮点，其相对位置与舷角有 关。 回波边缘清晰度。采用矩形单脉冲，可以发现不同目标甚至同一目标不同姿 念角回波前后沿清晰度不一样。具有大面积光滑表面的目标，回波前后沿较陡峭； 而随机不平表面或随机分布目标的回波前后沿并不陡峭。 波形畸变和调制效应。声纳目标有其自身不变的固有特性，也反映为声纳回 波波形畸变和调制效应的相对稳定性，畸变程度反映了目标的复杂性。简单的点目 标回波几乎不畸变，复杂的多亮点分稚目标，回波中可能会出现各亮点回波稳定干 涉图像，亮点愈多，干涉图像愈复杂。 采用多频信号，并对目标回波进行谱分析，可以发现某些目标的回波在某些 频率上出现分峰，这是由于目标本身具有其固有共振频率的缘故。共振频率的值可 以反映目标的几何和物理的某些特征，因此可以用来识别目标。 多普勒频移信息。由于目标的定向运动，回波都会产生频谱的中心偏移一多 普勒频移。从海洋混响中提取运动目标信息，可以通过长脉冲的回波谱分析法实现。 拍频现象。运动着的水下目标如潜艇，由于尾流也形成回波，其频移差不多 为零。因此，回波的艇体部分和尾流部分互相干涉会出现拍频现象。拍频频率通常 与目标运动的径向速度有关。 目标占有波束宽度。如果声呐基阵有足够高的指向性，近距离可以通过波束 扫描确定目标的横向占有波束宽度，而后根据目标距离来换算目标的横向尺寸。鱼 雷在近程时可通过这项技术对目标进行尺度识别，判断目标的大小。 回波起伏特性。由于目标构成的亮：m l 何分布的差异，当目标起伏时，回波 也会有不同的起伏规律。这种起伏包括振幅、相位和强度的起伏，也包括回波到达 时间、延伸宽度、多普勒频移、方位等参量的起伏。 1 4 阿北 业人学硕十学位论文 从回波中提取目标信息的方法很多，如果从回波中获得个确实是目标回波特 征的信息，一般可以判断该目标是存在的。有时由于单个信息是模糊的，就需要多 个信息进行联合决断。在识别问题中，一般要求从回波中提取更多的信息。 2 5 声纳方程与声诱t g - r 作机趔l 】【3 9 】 声纳方程在设计声诱饵的声参数时是十分重要的工具。对于主动声纳，由于背 景噪声影响程度的不同，声纳方程可表示成两种形式，即 噪声限制下为s l 一2 t l + t s n l + d i = d t 混响限制下为s l 2 t l + t s r l + d i = d t 被动声纳方程为： ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) s l - 1l - n l + d i = 1 9l ( 2 2 1 ) 这里，s l 表示目标辐射噪声的声源级。 若鱼雷自导头用s l 的声源级发出寻的信号，经过单程损失t l 后，到达声诱饵 接收机换能器的声级为： e l = s l - t l ( 2 2 2 ) 声诱饵接收到e l 的直达声级后，按照所设置的目标强度t s 转发回波的声级为： s l n 2 e l + t s = s l t l + t s ( 2 2 3 ) 所以，在远场条件下，声诱饵转发声级舡。与入射声级e l 有关。当入射声级 e l 小时，转发声级乩。也小；入射声级e l 大时，转发声级瓯。也大。这就要求要 求声诱饵信号处理机的动态范围要大。只有当鱼雷与声诱饵的距离很近，即声诱饵 的最大声源级乩 时， 说明输入信号幅度高于a g c 启控电平，如果v c 的持续时问超过一定的宽度，主 控模块就对输入信号k 的幅度进行衰减，使v l v o ，其中圪为设定的系统信号 噪声门限电平。 为了避免干扰，系统对门限检测器的输出结果进行宽度检测。宽度检测器将上 下门限检测器的输出结果与两个预先设定的宽度t 0 、t 进行比较。上门限检测电路 的检测输出若大于l ，则输出a g c 启控信号。指示主控模块对输入信号进行衰减。 下门限检测电路的检测输出若大于t ，输出脉冲指示信号，通知主控模块信号已经 到来，脉冲指示信号的持续时间等于输入信号脉宽与t 。之差。宽度检测门限的选择 可根据输入信号最小脉宽来决定。其中t 。的设置应当偏小，以提高a g c 控制的灵敏 度。主控模块和测量模块利用脉冲指示信号的前后沿，启动相应于应答控制和脉冲 参数测量的软硬件工作，实现转发或触发功能。对幅度检测器来说，若有强的尖峰 一1 9 曲北f ：业火学硕十学位论文 脉冲干扰，也会使它动作。但只有一定持续时间的信号才能够通过宽度门限，一般 干扰信号出于持续时阃短，很容易被系统排除。 3 2 1 - 3 转发波形存取予模块 该子模块出极性转换电路、a d 转换电路、双端口存储器、读写地址生成逻辑、 d a 转换电路构成。由于a d 转换器是单极性的，因此在a d 采样之前，必须对输 入信号进行极性变换。极性变换后的信号经a d 采样转换成数字信号，然后在写r a m 地址产生电路的作用下，将数字信号存储在双端口r a m 中。当有效信号接收完毕， 需要转发时。再由读r a m 地址产生电路将双端口r a m 中的数字信号取出，经过d a 转换变成模拟信号。与传统应答机采用的单端口r a m 不同，双端口r a m 可以设计出 独立的存数端与取数端，二者的控制逻辑独立，简化了控制的难度。另外，由于双 端口存储器的存数端和取数端可以同时工作，当声诱饵的收发换能器受到良好隔离 时，可以收发同时进行，实现n d , 的应答延迟。d a 转换器输出的是电流信号，为 此需要在o a 输出后加入由电流信号到双极性电压信号的转换电路。在转发波形存 取模块中，主控模块通过写r a m 地址回读接口和读r a m 地址置数接口对波形读存取 过程进行控制。时钟产生模块为读写地址生成逻辑提供所需的读、写r a m 时钟。其 原理框图如图3 3 所示。 到3 - 3 存储模块电路原理框j 兰j 2 0 第二章系统技术设计 3 2 1 4 波形恢复及目标强度设置子模块 该子模块由多路开关、带通滤波器、数控衰减器和固定增益放大器构成。在系 统中，转发波形存取子模块和触发波形产生模块的输出信号与a g c 子模块的输出信 号i 幅度相同，它们都位于系统的高、低检测电平之间。为了实现声诱饵“收大发大、 收小发小”，真实模拟目标回波的目的，必须依照a g c 子模块对输入信号的压缩量 对输出信号进行恢复。同时，在恢复的过程中加入由上位机设定的目标强度，这样 输出信号就具有模拟不同目标反射本领的功能。该子模块的原理框图，如图3 - 4 所 示。在图3 - 4 中，多路丌关根据系统的工作状态，选择转发信号或触发信号作为系 统的输出，或将触发信号产生模块所产生的自检信号送系统输入端进行自检。由于 转发信号经过d a 转换，通过带通滤波器能够滤除其中含有的高频成份。数控衰减 器和固定增益发大器一起，对输出信号进行幅度控制，恢复信号波形幅度并设定目 标强度。波形恢复与a g c 控制是协调统一的，因此要求恢复电路具有良好的线性特 性。 图3 4