总第174期
2008年第12期
舰船电子工程
ShipElectronicEngineeringVol.28No.12
174
3
主动声纳的低截获性数字仿真研究
戴军旗1) 唐劲松1) 苏广东1) 吴 杰2)
)
(海军工程大学电子工程学院1) 武汉 430033)(海军航空工程学院研究生管理大队2 烟台 2001)
摘 要 在现代海战中,舰艇面临着越来越严峻的敌方侦察声纳的威胁。低截获是一项非常诱人的技术。低截获声纳通过选择合适的发射信号,在保持探测能力的同时,降低被敌方侦察声纳截获的概率。采用数字仿真的形式,分析浅海侦察声纳信号能量的变化,研究主动声纳的低截获性。仿真结果表明在高斯噪声背景下,主动声纳实现低截获性相当困难。
关键词 低截获(LPI);侦察声纳;探测能力中图分类号 TN929.3
StudyonDigitalSimulationonLowProbabilityof
InterceptionofActiveSonar
DaiJunqi1 TangJingsong1 SuGuangdong1 WuJie2
)
)
)
)
(CollegeofElectronicEngineering,NavalUniv.ofEngineering1),Wuhan 430033)
(GraduateStudentsπBrigadeofNAEI2),Yantai 2001)
Abstract Navalshipsfaceincreasinglyseriousthreatsfromhostilescoutingsonarsinmodernoceanicbattlefields.Lowprobabilityofinterception(LPI)isaveryfascinatingtechnology.Lowprobabilityofinterception(LPI)sonarselectsappro2priatetransmittingsignalsandreducestheprobabilityofbeinginterceptedbyhostilescoutingsonarwhileitmaintainsdetec2tioncapability.Thispaperadoptsdigitalsimulation,analyzesenergyattenuationofthesignalofscoutingsonarinshallowwaterandinvestigatestheLPIcapabilityofactivesonar.SimulationevidenceshowsthatitishardtorealizethepurposeofLPIforactivesonarinthegaussiannoisebackground.
Keywords lowprobabilityofinterception(LPI),scoutingsonar,detectioncapabilityClassNumber TN929.3
1 引言
随着安静型潜艇技术的发展,主动声纳重新受到重视。主动声纳的使用在增加了对潜艇目标发现概率的同时,也存在被敌方侦察声纳截获的风险。为了提高主动声纳的隐蔽性,雷达使用的低截
获(LPI)技术被引入到声纳界。LPI理论的探索始于20世纪70年代末,1983年英国伦敦大学J.RForest发表了“低截获概率雷达技术”[1]一文,首次引入LPI雷达方程。目前,LPI技术在雷达界已
经用于实际装备。低截获主动声纳可定性地理解为“声纳探测到敌方目标的同时,敌方截获到声纳
[2]
信号概率最小”。
90年代初,一些发达国家已将低截获技术逐步引入到主动声纳研究领域中。2004年,美国康涅狄格大学PeterWillett等人对低截获主动声纳性能进行了分析。其初步结论是由于受水声信道影响,声纳大时间带宽积难以增大,在高斯噪声背景下,声纳低截获性难以实现[3]。
本文[3]分析非常理想,没有考虑到水声信道多
3
收稿日期:2008年7月22日,修回日期:2008年8月14日
作者简介:戴军旗,男,硕士研究生,研究方向:水声信号处理。唐劲松,男,教授。
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途等因素。为了进一步分析低截获声纳被敌方侦察声纳截获概率,本文采用数字仿真的方法对声纳低截获性进行了分析。其中浅海声信道建模采用3.1 MMPE模型简介
MMPE模型的程序模块的可执行文件名为“MMPE2DBBV2”,运行时要调用七个重要的ASC迈阿密大学Smith和Tappert教授开发的蒙特里-迈阿密抛物方程(Monterey-MiamiParabolicEquation,简称MMPE)模型[4]。
仿真的主要步骤是:采用水声信道建模得到常用低截获信号-相位编码信号在浅海传播的波形,该波形加上海洋背景噪声得到侦察声纳接收的信号。通过人工检测的方法,判别主动声纳信号的有无。仿真结果表明,在海洋高斯噪声背景下,低截获主动声纳难以实现。
2 低截获概率声纳信号
满足低截获概率特性的声纳信号特点是其模糊函数一般为图钉型,在时频域具有完全覆盖。相位编码信号是常用低截获波形,本文采用相位编码信号作为低截获概率声纳信号开展研究。
数字相位编码调制是利用载波相位的变化来表达数字信号信息的一种调制方法,也叫相移键
控。常用的相位编码调制信号有二相码(2PSK)和四相码(4PSK)。
在二相码中,通常用两个相反的相位“00
”或1800”来表示数字信息“1”或者“0”。因此,二相码(2PSK)可以表示为
S2PSK(t)=Acos(ωt+φ
)(1)
其中的φ由数字码“1”或“0”来决定是“00”还是1800
”。四相码与二相码基本是一样的,只不过四相码采用4个正交的相位来表示4个不同的数字信息。
常用的二相编码信号有m序列、L序列、双素数序列、巴克码序列等[5]。本文仿真采用m序列的相位编码信号。
3 浅海水声信道模型
本文仿真试验选用的水声信道传播模型为蒙特里-迈阿密抛物方程(MMPE)模型,它是由Smith和Tappert开发。MMPE的前身是迈阿密大学抛物方程(UniversityofMiamiParabolicE2quation,简称UMPE),两者的近似方法和数值算法基本上相似,最主要的变化是-步进傅利叶算法的中心步进方案,该方案改进了UMPE的距离步进计算的精度。
Ⅱ码输入文档。主输入文档“PEFILES.INP”定义其它六个输入文档,并且确定基本参数,如整个距离和深度、距离步长和参考声速。其它六个输入文档可以输入水柱环境参数、两层底质以及声源特性参数。对于环境数据,可以输入声速剖面、主要水柱海底地形、沉积层和更深层。如果只希望双层底质,更深层将比最大计算深度更深。除此之外,可以输入其它依距离变化的参数,如声速、声速梯度、切变声速、切变衰减、压缩衰减以及密度。声源数据包括中心频率、带宽、带宽内的频点数以及声源深度、阵列长度和俯仰角。这种模型可以采用两种声源:点源和垂直线阵源。MMPE模型的输出数据是一个PE域函数矩阵,对应于每一个离散频率的距离、深度网格。关于怎样执行MMPE模型的详细说明,可以访问网站:http://www.oalib.njit.edu/pe.html。
3.2 浅海信道模型的建立
浅海信道采用简单的150m深度的Pekeris模型,水层声速为1500m/s,密度
3图1 声源在7m处传播损失图
为1.0g/cm;
底层声速为
1600m/s,密度为1.2g/cm3。发射声源采用长度为1m的线性圆柱阵源,深度分别为7m,水平传播距离为10km。图1为中心频率fc=7kHz时,声源处于7m深度的传播损失图。
4 低截获性分析及仿真试验
如图2所示,整个信号仿真步骤如下:首先建立主动声纳发射系统模型,计算出发射的声源级;声纳发射系统发射给定声源级的低截获波形(本文采用相位编码信号)通过声传播模型,得到侦察声纳基阵接收的主动声纳信号;该信号加入海洋背景噪声就是侦察声纳接收的信号。侦察声纳检测模型对接收到的信号进行检测,本文采用人工判读的方法进行检测。
““ 176戴军旗等:主动声纳的低截获性数字仿真研究总第174期
图2 侦察声纳模型
4.1 参数分析
按照侦察声纳模型,建立声纳方程,相关参数如下:
由于信号检测性能仅与信号能量有关,而与信号波形无关,为了保持主动声纳的探测性能,要求低截获信号能量必须与窄脉冲信号能量相等。据此可以计算出低截获信号的声源级和相应的声压幅度。
假定主动声纳发射窄脉冲信号,脉宽T1=0.25s,声源级SL1=215dB,声信号能量为E1,声压信号幅度峰值为A1;假设低截获信号时间T2=1s,声压信号幅度峰值为A2,我们有如下关系[6]:
SL=103lgA
2
2
(2)
A2/A1=
T1/T2(3)
根据式(2)、
(3)推导,可以得到A1=431010pa/m,A2=231010μpa/m,SL2=209dB。发射的CW信号和相位编码信号及其频谱如图3所示。
图3 CW信号和相位编码信号及其频谱图
首先计算主动声纳在浅海信道传播的波形。假定发射声源深度为7m,接收源深度50m,水平距离10km。声源为f(t)的声信号在浅海中传播后的声场可表示为
∞
p(t)=
∫F(ω)
H(ω,r,zjωt
1,z2)e
-dω(4)
-
∞
其中F(ω
)为f(t)的频谱,H(ω)为声信道传递函数,采用PE计算得到。
相位编码信号通过声传播模型后的波形如图
4所示。
然后模拟海洋背景噪声。假定海洋背景噪声为高斯噪声,中心频率fc=7kHz,三级海况时噪声谱级NLf=50dB[7],噪声带级[8]c
为:
NL=NLfc+103logB=77dB
(5)
4.2 仿真结果
不考虑侦察声纳的指向性,采用以上仿真步骤分别计算主动声纳发射CW波和相位编码信号时
侦察声纳接收到的声纳信号,两者分别如图6(a)、(b)所示:
图6 仿真结果
从图6可以明显看到,即使不考虑侦察声纳的指向性,侦察声纳很容易从海洋背景噪声中检测出主动声纳发射的信号。
在以上仿真中,相位编码信号声纳的脉宽为
1s,对于2s信号我们也进行了仿真。可以想象,在
海洋背景噪声中检测它也是非常容易的。从以上初步的仿真结果中可以看出实现低截获声纳相当困难。这一结论与国外的理论分析结果一致[3],但我们仿真研究考虑信号在实际水声信道传播,与实
际情形更为接近,结论更可信。
5 结语
本文分别采用窄脉冲信号和相位编码信号作为主动声纳发射信号进行仿真研究,可以看出:与CW波相比,采用相位编码信号被截获可能性有所
(下转第204页)
μ 204闫道广等:舰船机电仪表现场校验方案研究总第174期
的特殊性,检定工作的开展不少程度都需要到舰艇上提供现场校准服务,而舰艇高盐、高湿、温度漂移大等恶劣环境条件已不能满足国家相关计量检定规程的要求,而每次都要按偏离要求的程序又非常麻烦,为此,应呼吁有关方面制定舰艇仪器仪表现场校准规范,针对舰艇装备情况和技术现状,摸清仪器仪表的校准需求,根据舰艇实际环境条件,明确现场条件下开展校准工作的技术要求,将舰艇现场开展仪器仪表的检定工作进一步规范。3.2 不断深化计量保障纵深,在验收环节把好计
量关
舰船仪表现场校验的一个难点就是对舰艇仪器仪表的现场拆装,要求船员有一定的机械作业基础。而有些仪表则因设计上的缺陷,在非修理期间根本无法拆卸,使仪表的现场校验根本无法实施。为此,舰船建造方应严格按照相关规定要求,为仪器仪表预留测试接口。舰船使用方应把好舰船验收环节的关口,按照相关规定要求,对新造舰艇验收和舰艇修理完工交验时安排计量技术机构参与,对装备、检测设备进行外观检查和功能性检查,核实合格证标识、有效期,必要时进行抽检,核查并收集装备、检测设备的校准/检定证书以及新装备的计量保障资料,监督新购舰船和维修后舰船的强制检定情况。
3.3 开展在线测试、系统级测试方法研究
随着高新技术在舰艇装备上的不断应用,舰艇
(上接第176页)
降低。然而,当海洋背景为高斯噪声时,由于受到时间带宽积的,声纳要实现真正意义上的低截获还是相当困难的,发展低截获声纳技术应采取科学、谨慎的态度。
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sonar[C].ProcofIEEEaerospaceconference,2004:
装备配置的显示仪表逐步由单块仪表发展为测试系统,如何开展系统级测试,确保测试系统的准确指示,是今后的一个研究方向。鉴于舰艇装备的复杂性,不少显示仪表因不易拆卸而不能校准,另外为保证舰艇的在航率,一些显示仪表不便拆卸,所以开展在线测试方法研究,是计量机构面临的又一大课题。
4 结语
嵌入式一体化的结构设计和便携式小型化方案设计是舰船机电系统仪表现场校准必须遵循的设计理念,除此,现场校验更应充分考虑舰船现场环境的复杂性,综合考虑舰船机电系统所涉及的压力、温度等多种仪器仪表、传感器、变送器的检定需求,构成一套便携性强的综合测试系统。加强现场校验方案的研究对于保证舰船动力系统各相关电子仪器的准确可靠地运行、方便舰船机电系统仪表的使用维护有着十分重要的作用,间接地对于确保舰船的航行安全、保障舰只的作战使用,满足舰船定期检测和维修的需要,都有着十分重要的作用。
参考文献
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