水下目标的前向散射探测及性能分析

图 3 Fig.3
前向散射信号检测结果。 （a）单个水听器的匹配滤波器输 The results of forward scattering signal detection.
出， （ b）10 个水听器的匹配滤波器输出 (a) the output of matched filter for single hydrophone.(b) the output of matched filter for all ten hydrophones
根据巴宾奈特原理，前向散射目标强度比其它 方向上的目标强度高出 15dB 左右， 当目标接近或穿 过发射源和接收机之间的连接线时可能实现对目标
Pd Ad S d (t tc )
S d (t ) (t Td )e it
2
(7)
2
前向散射探测系统性能
对于运动物体，回波信号的多普勒频移可以用 [2] 下式估计 f d 2V cos cos( / 2) (1) 当物体运动方向垂直于基线时，δ=0o ，此时回 波信号的多普勒频移最大，但仍然要小于单基地情 况下的多普勒频移 2V/λ。物体的前向散射信号占据 着一定的扇区，当物体向靠近基线附近运动时，接 收点接收到由前向散射主瓣区域散射的信号，其观 测角度
Lei Bo, Yang Kun-de, Niu Ting-ting, Zhang Tong-wei
( Institute of Acoustic Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi¡an, 710072)
1 引 言
前向散射声纳是与收发合置、收发分置探测方 式都不相同的另一种探测方式，只有在目标接近或 穿过发射源和接收机之间的连接线时才能探测到目 [1] 标。研究发现 ，当目标靠近基线（收发连线）时， 物体对声场产生扰动，在物体前方分布的声场产生 散射作用，在该扇区内，对声场的扰动进行处理， 可以探测出目标的存在。本文首先对浅海信道中的 物体散射声场进行建模分析，提出前向散射探测的 思想，然后分析前向散射探测系统的性能以及检测 方法，仿真实验中，在背景噪声环境下对单个水听 器和水听器阵的处理结果进行比较，说明了方法的 可行性。
[2]
M. Cherniakov, R.S.A.R. Abudullah, P. Jancovic, M. Salous, V. Chapursky. Automatic ground target classification using forward scattering radar[C]. IEE Proc.-Radar Sonar Navig., 2006, Vol. 153(5):427-437
T0 L V 2d R V d R lV
(5)
物体在基线附近匀速运动， 回波信号带宽为[-fdmax, fdmax]。脉冲压缩以后，系统增益为
P BT d R l 2
(6)
如果物体偏离基线，目标强度减弱，此时应该 考虑用前向散射旁瓣进行探测，目标强度对应旁瓣 的强度。对于简单的目标，假设切面为矩形，前向 [3] 散射信号近似表示为
图 1 为信道中存在运动球体时引起的声场起 伏，球体在靠近基线附近垂直基线运动，此时，声 场的起伏可以看作是待检测的信号，该信号的在穿 过基线的时刻强度最大，如果能从包含直达波和噪 声的声场起伏中提取出物体运动引起的声场起伏， 那么便可以检测出物体的存在。
3
物体前向散射探测
前向散射总声场分布是前向散射波和直达波的 总和，因此对于前向散射信号的检测，受到直达波 的强干扰，检测方法如图 2 所示。接收信号通过带 通滤波器后进行幅度检测，提取出前向散射信号， 此时的前向散射信号比噪声弱很多，需要采用匹配 滤波器对各个水听器的信号进行匹配滤波，输出为 匹配滤波器输出的总和，用来提高输出信噪比。输 出信号进入后置处理系统，用来分析目标特性和模 式识别。
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000
距离 /m
强度 /dB
-60.9 -61 -61.1 -61.2 -1000 -31.97 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000
f d max 2V sin 2V V l
5
结 论
[3]
V. A. Zverev, P. I. Korotin, A. L. Matveev, et.al. Experimental Studies of Sound Diffraction by Moving Inhomogeneities under Shallow-Water Conditions[J]. Acoustical Physics. 2001, Vol47(2): 184-193.
的探测，可以对双基地声纳在大分置角的情况下的 探测区域进行补充，提高探测能力。散射声场在水 平面内能量很强，占据着一定的扇区，当物体穿过 基线时，前向散射信号对声场产生扰动。基于虚源 方法，文章对水下大目标体散射声场进行建模分 析，讨论了前向散射系统的探测性能，提出了前向 散射信号的检测方法。仿真表明，基于该方法的水 听器阵可以实现噪声背景下的信号检测。
v V cos , l ls cos 。k 为波数，在波导中
存在多阶模态， 当距离较远时， 高阶模态衰减较大， 近似于平面波传播，式（7）近似成立。
-36.46
强度 /dB
/(2l )
因此，散射信号能够具有的最大多普勒频移
(2) (3)
-36.48 -36.5 -1000
声 学 技 术 Technical Acoustics
水下目标的前向散射探测及性能分析
雷波, 杨坤德，牛婷婷，张同伟
（西北工业大学声学工程研究所，西安，710072）
Forward scattering detection of underwater target and its performance analysis
而物体的位移由下式表示
距离 /m
强 度 /dB
L 2d R l d R
因此，物体的观测时间（-3dB 宽度）为
-31.98 -31.99 -1000
(4)
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000
距离 /m
图 1 前向散射声场幅度起伏 Fig.1 the field fluctutation of forward scattering
基金项目 ： 国家自然科学基金（10774119, 10734030） ，声场声信息国家重点实验室基金（200808） 作者简介 ： 雷波(1982.4-)，男，陕西高陵人，博士研究生，研究方向为散射声场计算，散射信号检测; 通信作者 ：雷波，lei.bo.thunder@.
雷波等：水下目标的前向散射探测及性能分析
0
50
100
150
200 时间 /s
250
300
350
400
（b）
假设前向散射声纳的基线长度为 20km， 物体的 长度为 50m， 运动速度为 5m/s， 垂直穿过基线中心， 即 δ=0o。声源的频率为 500Hz。根据式（3） ，主瓣 上散射信号的最大多普勒频移为 0.1Hz，也就是说 需要提高散射信号长度才能提高匹配滤波后的增 益。假设观测时间由距离基线 1km 开始，也就是说 有部分信号位于前向散射的旁瓣区域。水听器阵采 用 10 元垂直阵，间隔为 1.5m，假设到达的信号为 近似看作是平面波，噪声为高斯白噪声，信噪比为 -27dB，散射信号比直达波弱 40dB。图 3 为经过系 统处理后的结果。由图 3 可以看出，采用单个水听 器接收信号，匹配滤波后，由于噪声干扰的作用， 输出有多个旁瓣，系统虚警概率很高。而如果采用 10 个水听器接收，则旁瓣大幅度降低，散射信号被 检测出来，物体穿越了基线，如图 3（b）所示。
Ad 为信号的幅度，正比于入射信号的强度。tc 为物体穿过基线的时间，函数 Ф(x)=sin(πx)/ πx。Td 为散射信号长度，γ 表示信号的多普勒变化速率， 用下式表示：
2h kv 2 klv 2h (8) h d d / d d d d R T T R 为基线长度， 其中 ， Td
参考文献:
[1]
雷波, 杨坤德, 牛婷婷, 张同伟. 水下目标的前向散射 探测[J]. 电声技术. 2009. 待发表. LEI Bo, YANG Kun-de ， NIU Ting-ting ， ZHANG Tong-wei. Forward Scattering Detection of Underwater Target[J].Audio Engineering, 2009; Accepted.
1 0.9 0.8 0.7
归一化输出
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 50 100 150 200 时间 /s 250 300 350 400
（a）
1 0.9 0.8 0.7
归一化输出
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
图2
前向散射信号检测方法框图
0
Fig. 2 The sketch of forward scattering detection method