收发分置声纳浅海近程混响信号建模研究

　　早期的混响信号建模大多建立在单元散射单元理论基础上只针对海底界面建模[1]，在模型基础上对混响信号自相关函数进行了分析[2]，换能器指向性建模方法[3]也得到了进一步的研究，文献[4]仿真了运动声纳的混响信号，文献[5]研究了一种基于HODGKISS 单元散射理论的海洋混响的阵列模型。近年来的研究[6- 7]通常先估计混响的时变强度，然后在瞬时混响振幅服从瑞利分布及相位服从均匀分布的假设下产生时变随机混响信号，而相关设备参数(如：指向性、束宽等因素)、海面因素等均未在模型中得到体现。本文在单元散射理论的基础上，通过模拟海面、海底双层界面的混响形成物理过程进行建模。模型中考虑声纳设备参数及环境因素对混响建模的影响，根据实际情况分别建立并实现了收发分置单接收和多接收声纳的混响信号模型，并对混响信号进行统计分析与检验。

　　1 模型的建立

　　模型的建立要考虑多种因素影响，包括海面运动引起的多卜勒效应、海面和海底不平整程度对混响信号的振幅、频率及相位相关参数的影响、发射和接收设备参数等。本文首先研究收发分置单接收基阵的建模问题，并在实现单发单收的基础上，进一步完成多接收模型的建立。

　　1.1 单接收模型的建立

　　单接收模型示意如图1所示，虚线表示发射信号，实线表示散射信号。由于是浅海近程混响，不考虑信号的多途反射，发射信号到达散射单元后经过一次散射后到达接收点的所有散射信号迭加得到模型的仿真混响信号。

　　图2(a)表示发射信号经散射单元散射后到接收基阵，信号在接收点迭加。混响信号用公式可表示为：

　　式中：a(ti)是相应于第i散射体的散射波的随机幅度，丨a(ti)丨模值服从瑞利分布，相角服从均匀分布(0~2π)。函数v(t-ti)表示单个散射信号的形状。信号发射到海面过程后，海面波浪运动会引起信号频率的多卜勒频移，此处假设频移服从高斯分布。对于设备参数中的指向性设定，本文不考虑复杂的指向性旁瓣，只考虑发射及接收设备主瓣束宽。因为是浅海建模，水深将有一定限制，而发射、接收设备坐标则可以设定在深度范围内任意位置处。模型中角度的定义如图3所示,α是方位角，θ是俯仰角，分别以X和Z轴为正方向，方位角范围在-180°~180°，俯仰角范围在-90°~90°。

　　信号自发射声纳发出经过海面，海底的散射单元后散射到接收声纳，在此过程中，要考虑传播距离引起的衰减，海面运动引起的频率展宽及海面和海底散射信号振幅的瑞利分布和相位均匀分布规律。这里要说明的是，对于海面和海底都将考虑振幅的改变，即通过散射单元后振幅将按瑞利分布重新分配，而频率的展宽只应用于海面情况，经过散射单元散射的信号相位分布则是在0~2π内均匀分布的。