运动目标的主动声探测脉冲回波信号波形重构

聂宜召,罗 建,刘亚萍,张海涛,赵亚磊,黄仁可

(西北工业大学 航海学院,陕西 西安 710072)

0 引言

随着电子技术的发展、水下目标探测技术的提高、以及复杂多变的海洋环境的影响,使得水下目标回波模拟系统对海洋中舰船目标、潜艇目标等回波进行精确模拟的要求越来越高[1],如何准确地重构和模拟运动目标主动声探测信号所包含的相关信息就成为了当务之急[2]。本文给出了一种主动声探测脉冲回波信号波形重构方案,利用捕获得到的主动声探测脉冲信号,根据预设的目标相对运动速度、目标类型和入射方位,重构包含目标相关信息的回波信号波形。通过该技术不仅可以保护舰艇、潜艇等水中目标的安全通过,还可以代替潜艇出海,完成探测系统的水池及外场性能参数测定,利于快速开展科学研究,加快了科研速度[3]。

1 主动声探测回波信号重构技术方案

为了精确实现主动声探测脉冲回波信号波形重构,需在获得主动声探测脉冲信号的基础上,综合考虑目标强度、多普勒频移、时延信息等参数的影响,探讨不同特征参量的重构算法。论文先对获得的主动声探测信号进行多普勒频移模拟,再加入脉冲的时延信息,最后加入目标强度特征。主动声探测脉冲回波信号波形重构方案如图1所示。

图1 主动声探测回波信号重构方案Fig.1 Reconstruction scheme of active acoustic detection echo signal

2 目标回波多普勒频移模拟

水下目标一般情况下是非静止的,目标相对运动时会产生多普勒效应,由于多普勒效应,目标回波信号相对于主动声探测脉冲信号会产生多普勒频移[4]。

常见的主动声探测信号有单频脉冲信号(CW信号)、线性调频脉冲信号(LFM信号)、双曲调频信号(HFM)等。论文分别对目标回波的宽带模型与窄带模型展开讨论。当主动声探测系统与目标距离较远时,可将目标视作点目标。运动点目标的回波信号取决于主动声探测信号的形式,以及点目标的运动相关参量。

假设非静止的点目标相对于主动声探测系统做匀速运动,那么就可以得到不考虑传播损失的目标回波模型,如式(1)所示。

由式(1)可以看出,在不考虑传播损失时,模拟目标回波信息需要在重构的信号中加入Δ与τ。

主动声探测信号的频率与主动声探测回波信号的频率关系可以表示为[5]

式中:c为声波在水中传播的速度;f为主动声探测信号的频率;f′为主动声探测信号遇到目标后产生的回波信号的频率;v0为目标的移动速度;vs为主动声探测信号发射源的移动速度。在计算回波信号的频率变化ΔF时,由于信号经过来回双程传播,因此回波信号的频率变化为

式中v为目标与主动声探测系统发射声源的相对移动速度,v=v0+vs,化简可得:

式中:v的单位为kn;ΔF、f的单位为Hz。当主动声探测系统与目标相互靠近时,ΔF=+0.00067vf;当主动声探测系统与目标相互远离时,ΔF=-0.00 067vf。

论文采用“波形存储重发法”来实现多普勒频移的重构,其基本思路是回波模拟系统对主动声探测系统发射的主动声探测信号用采样频率Fs进行采样,并将该信号存储于回波模拟系统中,根据所需模拟目标的相对运动速度,设置重采样频率[6]。

根据采样定理的定义,在工程上为了保留原始信号的全部信息,一般至少取采样频率为原始信号最高频率的n倍(n≥2.56),可表示为

式中:Fs为采样频率;f为原始主动声探测信号的频率。可以得出每个采样周期内的采样点数为n=Fs/f,总采样点数为N=tFs,式中:N为总采样点数,t为主动声探测信号的脉宽。

在对主动声探测信号的回波进行模拟时,根据上面的推导可以计算出重发回波信号在1个周期内的点数为n′=F′s/f′,式中f′为重发回波信号的频率。由于主动探测信号与模拟回波信号在1个周期内的样本点数是一样的n=n′,则可以推导出:

模拟回波的多普勒频移为

代入公式(4)可得:

式中:v为目标与主动声探测系统发射声源的相对移动速度,kn。可以看出,通过设定存储的主动声探测信号的采样频率可以模拟目标的运动速度。

同理,对于一定带宽下的宽带信号s(t),根据采样定理可以表示为

式中:Ts为采样时间间隔;Fs为采样频率。该信号可以展开成sinc函数的无穷级数,展开后的sinc函数的无穷级数系数恰好为采样值s(nTs)。

为了用同一组采样值来模拟回波信号的多普勒频移,即u(t)=s(Δ∗t)。式中Δ为多普勒伸缩因子。可以假设回波使用采样频率Δ∗Fs对回波信号u(t)进行采样后得到的采样值为s(nTs)。根据式(9)得到u(t),即

令回波信号u(t)的采样频率为Δ∗Fs,则采样的时间间隔为采样值为

通过分析发现,在满足采样定理的条件下,无论是宽带信号还是窄带信号,均可以采用“波形存储重发法”来实现回波信号的多普勒频移。

3 目标回波时延模拟

主动声探测系统在探测目标的过程中,由于声波在海洋中传播,主动声探测系统发射出主动声探测信号的时刻与接收的遇到目标后产生的回波之间存在一个时延τ。对时延τ的模拟可以通过主动声探测系统与目标之间的距离来计算产生[7]。

假设有一个主动声探测信号为s(t)=Acos2πft,则可得到所接收到的信号为

式中τ为信号传输的时延。

时延τ取决于主动声探测系统与目标之间的距离R、以及声波在水中的传播速度c。因此,时延τ可以表示为

在目标回波模拟器模拟目标的回波时,可先将捕获的主动声探测信号的波形存储下来,延时所需的时延τ再重发,即可模拟目标回波的传播时延。

4 目标回波强度模拟

接收到的回波信号强度的大小是由3个方面的因素决定的:发射信号的声源级、传播损失、目标强度。目标强度TS描述了目标物体截取信号并将它重新辐射出去的能力大小,可以表示为[8]

式中:Ii为入射信号(主动声探测信号)的声强;Ir为目标物体声学中心1 m处的回波声强度。

不同的目标类型和入射方向具有不同的目标强度。对于潜艇目标来说,在不同频率下对不同潜艇做测量后发现:在潜艇左右两侧的正横方向上,目标强度值最大,可达25 dB,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10～15 dB,这是由艇壳和尾流的遮蔽效应引起的;在艇首和艇尾20°附近,比相邻区高出1～3 dB,这是由潜艇的舱室结构的内反射产生的。对于鱼雷和水雷目标来讲,鱼雷和水雷的几何形状基本上都是带有平头或圆头的圆柱体,长度为1至数米,直径为0.3～1 m。鱼雷的尾部安装有推进器,水雷的雷体上安装有翼且有凹凸不平处。对于这样的物体,其正横方位上或头部会有较强的目标强度值,因为这些方位上有较强的镜反射。至于尾部和雷体上小的不规则部分,目标强度值较小。当然,如果声波入射到雷体上的某些不太小的平面上,由于镜反射较强,也会有较强的目标强度值。因此在模拟不同目标的回波时,需要根据实际情况设定具体的目标强度参数。表1给出了一些常见的水下目标的目标强度参考标准值。在模拟目标回波强度的幅值大小时,可根据表1确定需要模拟目标的目标强度标准值TS′,计算出传播损失TL′,就可以得出目标回波应发射的声级:

表1 常见的水下目标的目标强度参考值[9]Table 1 Reference values of target intensity of common underwater targets[9]

5 目标回波重构模拟

基于前面的算法分析,我们分别对表2中常见的两类主动声探测信号[10]在指定条件下进行目标回波信号波形的重构模拟。

表2 常见主动声探测信号参数Table 2 Signal parameters of common active acoustic detection

假设某主动声探测系统发射的主动声探测信号为表2中的CW信号,在距离该主动声探测系统100 m处有一潜艇目标,入射方向为正横与首尾之间,两者之间的相对移动速度为20 kn,对该主动声探测系统的目标回波信号进行重构模拟。

首先,已知该主动声探测系统与目标之间的相对移动速度为20 kn,可以计算出重采样频率为198.7 kHz,多普勒频移量为-0.2 kHz。

从表1中可以查出潜艇目标在入射角为正横与首尾之间的目标强度参考标准值为+15 dB。根据经验公式可以计算出30 kHz的主动声探测信号在100 m传播距离下回波信号的传播损失约为40.4 dB。表2中CW信号的声级为180 dB,经过100 m的传播衰减后的声级为139.6 dB,代入公式(15)可得回波信号的声级为154.6 dB。CW信号经过主动声探测系统发出后,在距离主动声探测系统100 m处被回波模拟系统接收到的信号,脉宽为0.005 s。CW信号在多普勒频移量为-0.2 kHz条件下的重构回波信号,脉宽展宽为0.006 s。多普勒频移仿真验证结果如图2所示。

图2 CW信号目标回波重构模拟Fig.2 Reconstruction simulation of target echo of CW signal

图2分别为2种信噪比下接收信号与发射信号的信号幅度-频率曲线图,从图中可以看出接收到的CW信号的中心频率为30 kHz,回波模拟信号经过频移后的中心频率约为29.8 kHz,多普勒频移量约为-0.2 kHz,与计算结果相符。

假设某主动声探测系统发射的主动声探测信号为表2中的LFM信号[10],在距离该主动声探测系统50 m处有一潜艇目标,入射角为正横,两者之间的相对移动速度为10 kn,对该主动声探测系统的目标回波进行重构模拟。

首先,已知该主动声探测系统与目标之间的相对移动速度为10 kn,可以计算出重采样频率为199.3 kHz,多普勒频移量为-0.09 kHz。

从表1中可以查出潜艇目标在入射角为正横时的目标强度参考标准值为+25 dB。根据经验公式可以计算出30 kHz的主动声探测信号在100 m传播距离下回波信号的传播损失约为34 dB。表2中LFM信号的声级为180 dB,经过50 m的传播衰减后的声级为146 dB, 代入公式(15)可得回波信号的声级为171 dB。LFM信号经过主动声探测系统发出后,在距离主动声探测系统50 m处被回波模拟系统接收到的信号,脉宽为0.005 s。LFM信号在多普勒频移量为-0.09 kHz条件下的重构回波信号,脉宽为0.006 s。多普勒频移仿真验证结果如图3所示。

图3 LFM信号目标回波重构模拟Fig.3 Reconstruction simulation of target echo of LFM signal

图3分别为2种信噪比下接收信号与发射信号的信号幅度-频率曲线图,从图中可以看出接收到的LFM信号的频率移为25～30 kHz,回波模拟信号经过频移后的中心频率约为24.91～29.91 kHz,多普勒频移量约为-0.09 kHz,与计算结果相符。

6 结束语

论文在主动声探测回波信号重构方案基础上对主动声探测回波信号重构技术展开验证。首先介绍了回波模型的建立,并验证了利用“波形存储重发法”可以实现对主动声探测回波信号进行多普勒频移模拟。其次,给出了重构回波的过程中时延的模拟方法,介绍了不同水下目标的目标强度参考值。最后通过对不同预设条件下主动声探测信号回波重构仿真,验证了该算法的可行性。