一种潜艇回波简化亮点模型仿真

　　1概述

　　随着水下声学和水声对抗技术的不断发展，对鱼雷的抗干扰能力也不断提出了新的要求。潜艇目标回波是反潜声自导鱼雷进行水下声信号检测、估计和识别的基础，对潜艇目标进行数学理论建模具有重要的现实意义。

　　潜艇目标回波的建模方法主要有线性目标模型和亮点目标模型。运用线性目标模型时存在的问题主要是如何在较宽频带范围找到各自频率点的目标传递函数;而运用亮点目标模型则不存在这样的问题，如果采用窄带信号，目标传递函数取中心频率附近的值即可，不需要考虑整个宽频带内各自频率点的值。根据理论研究[1]，频率较高时，潜艇目标回波主要由若干个子回波相干叠加形成，其中每个子回波都可认为是从某个亮点发出。这样，任何一个目标回波都可以看成是这些亮点回波相干叠加形成。亮点对回波的贡献主要可以用幅度因子、时延和相位跳变三个参量进行描述[2-3]。即单个亮点的传递函数可写成

　　式中，Ai为单个亮点回波的幅度，它与目标距离r和声波入射方向，即照射角θ和俯仰角ψ有关;τi表示该亮点的时延;ω表示信号频率;φi为由该单个亮点反射声波时所引入的随机相位。

　　传统的潜艇目标模型常常是将潜艇目标简化为一个单亮点。这种潜艇模型对目标回波描述不够充分，无法描述潜艇目标体积不同部分的反射情况和遮蔽情况;另外有些研究者采用了6个亮点的目标回波模型[4]，这种模型与单亮点模型相比，确实能进一步反映目标体积各个部分的反射情况和前后有遮蔽的效应，使目标回波的脉宽延伸情况和幅度起伏特性得到更真实的描述;但在计算或处理数据时却显得非常繁琐。综合上述情况，笔者根据潜艇目标回波的机理，提出一种三亮点目标的简化模型，并对该简化模型进行仿真实验。

　　2亮点简化模型与回波分析

　　水下目标的亮点形成机理主要有以下三种情况[5]：一个是镜反射亮点，当声波以一定角度入射到潜艇的舰体、指挥塔等光滑部位表面，同时，它们的几何尺寸与入射声波波长相比较大时，就会发生较强的反射，而且这类亮点在很大的范围内都很强;第二种是棱角散射[6]亮点，当潜艇的舰鼻舷和螺旋桨等部位的棱线与波束相垂直，并且棱线几何长度大于入射声波波长时，也会产生亮点，这些亮点的强度主要与入射声波的方位角有关，大小中等;第三种是弹性类亮点，是指入射声波沿壳体表面绕行形成的亮点，文献[5]研究表明这类回波的强度较小。

　　根据以上关于潜艇目标亮点形成原理和亮点强度的粗略分析，建立这样一个潜艇亮点模型：潜艇的亮点由3个刚性球体代表，如图1所示。刚性球不同半径代表不同目标反射强度，同时，不同的刚性球分别表征潜艇回声目标强度最大的3个部位：艇艏、舰桥和艇艉。其中代表舰桥的刚性球半径最大，艇艉其次，艇艏较小。为简化计算，舰桥直径取10m，艇艏和艇直径取7m。