基于亮点模型的水下目标近程回波仿真研究＊

朱利超 魏鹏举 高 杰 唐双喜 刘国平

（海军装备采购中心1） 北京 100085）（68341部队2） 西安 710089）（海军92840部队3） 青岛 266405）

1 引言

水下尺度目标回声特性是水声学中的一个重要研究方向，是目标探测、识别和定位的重要依据。对尺度目标回波信号进行仿真模拟，在一定程度上可以避免进行昂贵、复杂的实验以取得实验回波数据。对主动对抗器材来说，模拟出逼真的目标回波信号可以用来干扰自导系统对目标的跟踪从而达到水声对抗的目的。此外，对目标的回波信号进行仿真模拟还可用于分析目标的声学特性。理论分析和实验研究都证明，在高频情况下，尺度目标回波可近似看成是目标亮点回波相干叠加的结果[1]。近年来，目标的亮点模型及其分布特征的提取受到了广泛的关注[2～5]。本文首先介绍了目标回波的亮点结构和亮点模型，并给出了亮点参数的计算方法，针对两种简单形状目标进行了亮点回波仿真同时对目标的回波亮点结构进行了分析。

2 尺度目标近场回波亮点结构

在高频情况下，任何一个复杂目标都可以等效成若干个散射亮点的组合。每个散射亮点产生一个亮点回波，总的回波是这些亮点回波相干迭加的结果。亮点及其强度分布主要由目标外形和表面曲率决定。

根据形成机理可以把亮点分成几何类亮点和弹性类亮点两类[1]。几何类亮点主要是由目标的几何形状和材料的声学特性决定。最重要的是凸光滑表面上的镜反射亮点。此外还有棱角或边缘产生的反射亮点，主要是由表面法线方向不连续引起的。弹性类亮点主要是在特定条件下出现的表面绕行波或弹性散射波对应的亮点。

3 目标亮点模型及计算

在高频情况下，任何一个复杂目标都可以等效成若干个散射亮点的组合。按照线性迭加原理，总的传递函数可以表示成[1]

其中N是子目标所划分的网格数；cos（R，n）是入射声线与板块法线夹角的余弦值。将Gordon积分算法引入到板块元方法中，可对上述积分做进一步的简化。对于目标的亮点位置可通过计算子目标表面被照射区域的板块的中心位置并结合板块的反射系数进行求取：

若假设各亮点位置与声纳系统中心之间的距离为｛ri｝，以其中的最小值rmin为基准，则相对时延为：

4 数值计算与分析

4.1 圆柱体目标回波仿真

图1 声纳系统与圆柱体目标之间的相对位置

以一段圆柱体目标为研究对象，圆柱体长度为60m，半径为5m，建立如图所示直角坐标系。计算中采用收发合置声纳系统，且目标表面为刚性边界条件，将目标均分为3个子目标。发射信号为LFM信号，中心频率为25kHz，带宽1kHz，脉宽为5ms，声纳系统与目标之间的距离为100m，照射角为30°，采用高斯白噪声模拟背景噪声，信噪比SNR＝5dB。图2（a）为不添加噪声时的仿真回波，从仿真图中可明显看出目标回波的3个亮点。图2（b）为添加噪声之后的仿真回波，从图中仍可明显看出目标回波的两个亮点结构，由于存在棱角因此亮点强度较强，另一个亮点回波由于强度较弱，被背景噪声所湮没。

图2 圆柱体目标回波仿真

4.2 组合体目标回波仿真

图3 声纳系统与潜艇目标之间的相对位置

以下选取一简化的潜艇目标为研究对象，将潜艇目标模拟化为一椭圆柱体和一椭球体的组合。椭圆柱体的长半轴为40m，短半轴为5m，舰桥中心距艇艏30m处，长半轴为5m，短半轴为3m，建立如图所示直角坐标系。发射信号为LFM信号，中心频率为20kHz，带宽1kHz，脉宽为10ms，声纳系统与目标之间的距离为200m，采用高斯白噪声模拟背景噪声，信噪比SNR＝10dB。图4（a）和图4（b）分别为照射角为90°和180°时仿真目标回波。从仿真结果可以看出在正横情况下由于舰桥亮点与艇体亮点距声纳系统距离较为接近，亮点子回波几乎同时到达，但回波幅度大于其它照射角的情况；在艇艏艉情况下，情形正好相反，但亮点子回波分布较为明显。

图4 潜艇目标仿真回波

5 结语

本文研究了尺度目标近程回波的多亮点模型，采用板块元算法计算亮点的目标强度，同时结合面元的反射强度值和照射区域计算亮点位置，最后以一段圆柱体目标和一个简单形状的组合体目标为研究对象，进行了回波仿真。仿真结果较好地体现了目标的回波结果。此外，要模拟更加精确的目标回波，还必须考虑反射体表面敷设吸声材料、噪声，混响等因素的影响，这些问题将在下一步的工作中进行研究。

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