水下目标的声纳回波数据仿真

　　1 引言

　　21世纪是海洋世纪，海洋对各国的发展起着越来越重要的作用。水声对抗技术是建设现代化、信息化海上军事力量的关键技术之一，对于维护国家海洋权利，建设和保障安全、稳定的海洋发展环境有着重要的作用[1，2]。

　　主动声纳通过发射声波“照射”目标，而后接收水中目标的反射回波，实现对水下静态小目标的探测。目标回波是目标在入射声波激励下产生的，携带有目标的特征信息，可以等效为一系列散射亮点的叠加[3]。

　　对目标回波的声纳数据进行仿真模拟，可以更深入研究目标特性，仿真数据在一定程度上能够满足某些应用场合的研究需要，避免进行昂贵、复杂的实验而取得实验回波数据。

　　典型的水下静态小目标具有圆柱壳体和球冠形头部的结构。本文针对该结构特征，讨论了建立基于亮点模型的目标回波信号仿真模型，以及舰船进行走航测量时声纳数据的动态模型。计算仿真数据时还考虑了水声环境的噪声和混响，，更真实的模拟试验环境，并用湖海试实测数据与仿真结果进行了对比。结果表明，该模型具有一定的可行性，仿真数据效果良好，可以为声纳信号处理、水下目标识别等方面的研究提供支持。

　　2 亮点模型

　　理论分析和实验研究证明，在高频情况下，目标回波是由若干个子波迭加而成的，每个子波可以看作是从某个散射点发出的波，这个散射点就是亮点[3]。单个亮点的传递函数可以归纳为

　　其中，A(r，ω)是幅度反射因子，通常是频率的函数，对窄带信号可以取中心频率值; τ是时延，由等效散射中心相对某个参考点的声程ξ决定，τ=2ξ/C，C 是声速; φ是回波形成时的相位跳变。从工程应用的角度，可以将目标看作一个线性时不变系统，回波就是系统对入射声波的响应。根据线性迭加原理，目标可以模型化为多个亮点的迭加，总的传递函数可以表示为

　　目标模型就是由一组不同方位上的Am，τm，φm(m=1. . . N)三个参数组成。

　　根据亮点形成的机理，可以分为几何亮点和弹性亮点[3 -5]: 几何亮点由目标的几何形状决定，与材料无关，是目标回波中最基本的组成部分。最重要的是凸光滑表面上的镜反射亮点，其次是边缘或棱角的反射亮点。几何亮点可用几何声学和物理声学理论很好地预测。当棱角或突点处于声影区中，或是突点位于光滑曲面上时，在实际中可以忽略。弹性亮点是指当入射声波频率与目标的本征频率相吻合时，目标产生共振向周围介质辐射声波。它是根据波传播的声程确定的亮点，其共振散射频率取决于目标的性质，是水下目标的一个重要特征[6 -8]。