航空声呐仿真系统设计

（2）
其中 r 为距目标水平距离，km；α 为海水吸收系数，
dB/km，α = 0.05 f 1.4 ； kL 为近场传播异常，dB，
它与频率、海况和海底的类型有关。
当 R ≤ r ≤ 8R 时，传播损失 TL 近似为：
TL
= 15lg r
+αr
+
α
T
(
r H
−1) + 5lg H
+ 60 − kL
目标信息存 储/输出
仿真结束
图 3 航空声呐仿真系统运行流程图
图 4 探测到的目标亮点
表 2 精测结果
精测 时间 00:02:13
距离 （m） 1852
距离 （n mile）
1000
方位 （º）
90
速度 （m/s）
2.7
00:01:52 1919
1035
48
2.7
00:01:11 2015
1088
353.8
（3）
其中，αT 为浅海衰减系数，它与频率、海况和海底
的类型有关。
当与目标距离 r>8R 时，传播损失 TL 近似为：
TL
= 10 lg r
+αr
+ αT
(r H
−1) +10 lg H
+ 64.5 − kL
（4）
2.2 混响模型
Chapman 和 Harris 等人得到了计算海面反向散
射强度的经验公式[3]，该经验公式给出了海面反向
仿真系统中，吊放声呐、声呐浮标根据需要分 别工作，并在启动对应的子系统后对目标、任务系 统进行设定，通过仿真，完成对目标的探测、搜索 和定位。系统具有可操作性、易维护性和可靠性。 系统运行流程如图 3 所示。
启动仿 真系统
使用流程如下： z 系统启动后，自动进入目标与环境仿真界面， 在该界面下可以通过人工设置或使用声呐装备、目 标特性、水声环境等数据库和模型完成目标和环境 仿真参数的设置； z 启动吊声或浮标仿真，进入吊声或浮标仿真界 面； z 设置相应的工作参数后开始仿真。
参考文献：
[1] 尤立克 R J. 水声原理[M]. 哈尔滨: 哈尔滨传播工程学 院出版社, 1990.
[2] PAUL C ETTER. 水声建模与仿真[M]. 北京: 电子工业 出版社, 2005.
[3] WAITE A D.实用声呐工程[M].北京: 电子工业出版 社,2004.
[4] 刘孟庵, 连立民. 水声工程[M]. 杭州: 浙江科学技术出 版社, 2005.
4 系统功能验证
对于上述系统，设置相应工作参数进行仿真。 预设目标各参数值如表 1 所示。图 4 所示为仿真界 面上探测到的目标亮点，表 2 为对目标进行精测得 到的精测结果，最上一行是最近一次的精测结果。 如表所示，仿真结果基本与目标预设值一致。
表 1 目标参数预设值
序号 目标距离（m/s） 目标速度（kn） 目标方位(º)
2.7
（下转第 16 页）
13
杨晓斌 等：Wigner-Vill分布在舰船调制特征提取中的应用研究
幅度归一化
归一化幅度
图 9 中解调谱线谱较噪声分量幅度相差小，即 信噪比低，尤其是 60 Hz 调制频率不易分辨。而图 10 显示 WVD 零频切片解调具有很好的噪声抑制特 性，所得到的 30 Hz 和 60 Hz 对应的线谱非常清晰， 较传统的解调方法有很大的改善。
2 仿真建模
与实际的物理过程不同，本系统所处理的声呐 信号是根据目标信息、海洋环境信息等模拟产生 的。海洋是非常复杂的水声信道，不同海况、不同 海区及海底海面类型都会对信号传播带来不同的 影响，因此在对声呐信号建模时需要考虑各种不同 的海洋参数对声传播的影响。 2.1 传播损失模型
海洋中声传播损失依赖于海底、海水介质、声 速剖面、海深等很多物理参数。
NL=−17lgf+6S+55
（9）
式中 f 为频率（kHz），S 为海况等级[4]。 2.5 接收信号输出信噪比
对于被动工作模式而言，输出信噪比为：
SNR=SL−TL−（NL−DI）
（10）
对于主动工作模式而言，输出信噪比为：
SNR=SL−2TL+TS−max（（NL−DI），RL）（11）
3 仿真系统的运行及使用
11
张晶晶 等：航空声呐仿真系统设计
1.2.2 吊放声呐仿真模块 吊放声呐仿真模块主要包括参数设定/读取模
块、信号生成模块、信号处理模块、显示处理模块。 参数设定/读取模块用于完成吊放声呐各类性能参 数、工作参数的设定，如工作方式、工作频率、信 号类型、脉冲宽度、工作量程、发射功率等；信号 生成模块根据目标的运动参数，结合人工设定或从 数据库中读取的目标信息、海洋环境信息等模拟吊 放声呐入水开机后接收到的数字信号；信号处理模 块按照实际装备的信号处理方式对接收到的声信 号进行处理，对目标的方位、距离、径向速度等参 数实施探测，探测结果送显示处理模块。 1.2.3 声呐浮标仿真模块
2012年第 2 期
声学与电子工程
总第 106 期
航空声呐仿真系统设计
张晶晶 乔斌 凌震莹 张雷 （第七一五研究所，杭州，310012）
摘要 在充分考虑吊放声呐和声呐浮标系统工作特性的基础上，设计了一套航空声呐仿真系统方案。该 系统能够在不同的工作环境下对不同的目标进行仿真，模拟实际环境下吊放声呐和声呐浮标对目标的探测过 程。
散射强度随频率、风速和掠射角的变化关系：
SS
=
3.3β
lg
θ 30
− 42.4 lg β
+ 2.6
β = 158(vf ) 1/3 −0.58
（5）
式中：v 是风速（kn），由海况决定；f 是频率（Hz）； θ = tg−1(sd / r) 是掠射角（º），sd 是浮标或吊声的 工作深度， r 是距离。
[4] 吴正国，夏立，尹为民. 现代信号处理技术[M]. 武汉: 武汉大学出版社，2003.
（上接第 13 页）
5 结论
本文建立的仿真系统充分考虑了实际装备的 工作情况，对各模块进行了仿真建模研究，实现了 预期的设计目标。仿真系统融合了系统仿真技术、 网络技术、水声信号处理技术，软件系统具有可移 植性、可扩展性，具有较好的应用价值。
声呐浮标仿真模块主要包括参数设定/读取模 块、信号生成模块、信号处理模块、显示处理模块。
参数设定/读取模块用于完成声呐浮标各类性 能参数、工作参数的设定，包括浮标类型（被动全 向、被动定向、主动全向）、处理方式（LOFAR、 DIFAR、RANGER）设定；信号生成模块根据目标 的运动参数，结合人工设定或从数据库中读取的目 标信息、海洋环境信息等模拟产生声呐浮标入水开 机后接收到的数字信号；信号处理模块按照实际装 备的信号处理方式对接收到的声信号进行处理，对 目标的方位、距离、径向速度等参数实施探测，探 测结果送显示处理模块。
关键词 吊放声呐；声呐浮标；系统仿真
航空声呐的作战效能、目标发现能力、目标探 测精度等各种战术指标的评估以及航空反潜战术 的推演等需要一个完整的航空反潜仿真平台。航空 声呐仿真系统作为航空反潜仿真平台的一个重要 组成部分，主要完成吊放声呐、声呐浮标各种工作 参数的模拟、仿真，并在不同的工作环境下对不同 目标进行仿真，模拟实际环境下航空声呐对目标的 探测、搜索并为后续鱼雷等火力攻击提供目标指 示。本文给出一种航空声呐仿真系统方案。
来自百度文库
参考文献：
[1] Robert J Urick. 水声原理[M]. 洪申译. 3 版. 哈尔滨: 哈 尔滨船舶工程学院出版社, 1990.
[2] 吴国清. 周期性局部平稳过程双重谱图分析和测量[J]. 声学学报，1980，5(2)：100-109.
[3] 吴国清，李靖. 舰船噪声识别(Ⅲ)-双重谱和平均功率谱 的特征提取和模板图[J]. 声学学报，1999：24(2)：191-196.
系统可以单机运行，也可以通过网络与航空搜 潜战术系统、潜艇仿真系统、航空攻潜战术系统互 联，分别实现搜潜方案和搜潜结果、目标信息和搜 潜信息、搜潜结果的传输。 1.2 系统设计
系统运行于航空声呐仿真处理机上，硬件主要 包括主控板、阵列信号处理板、液晶显示器、键盘、 鼠标等，系统组成框图如图 1 所示。
系统的仿真软件主要包括目标与环境仿真模 块（吊放声呐和声呐浮标共用）、吊放声呐仿真模 块、声呐浮标仿真模块。系统总体结构框图如图 2 所示。
图 2 系统总体结构框图
吊放声呐仿真模块和声呐浮标仿真模块分时 实现，通过各自的显示控制程序能够对两类反潜系 统的各种工作参数进行设定，两个模块均能够根据 已设定的参数对目标进行模拟探测，并计算出目标 的方位、距离、速度等参数（具体目标的定位参数 与系统的工作参数有关）。 1.2.1 目标与环境仿真模块
海底散射强度与海底底质和掠射角有关。可用 下面函数近似表示其依赖关系：
Sb = Sb1 +10 lg sin2 θ
（6）
式中： Sb1 的数值由海底底质决定；θ 是掠射角。
混响面积
A = cτ Φr 2
（7）
其中： c 是声速，τ 是发射脉冲宽度， Φ 为等效波 束宽度， r 为距离。
Φ = 10 lg λ + 9.2 2πl
取某实测舰船辐射噪声时间长度为 10 s，样本 信号采样率 44100 Hz，对信号分别进行直接解调 和 Wigner-Vill 分布零频切片解调。图 12 中显示的 线谱特征显然较图 11 有很大改善。由图 12 看出有 三条明显的线谱，而图 11 只能分辨出两条线谱， 且信噪比低，将图 12 中线谱的频率除以 2，则其 中的第 1 根线谱和第 3 根线谱分别对应着图 11 中 的两根线谱，频率分别为 5.9 Hz 和 17.7 Hz。上述 结果证明了 Wigner-Vill 分布零频切片解调对于实 际舰船辐射噪声分析依然适用。由图 12 结果，我 们可推测该舰船为三叶桨，其轴频为 5.9 Hz，叶频 为 17.7 Hz。
图 1 系统硬件组成框图
1 系统概述与设计
1.1 系统概述 系统对吊放声呐和声呐浮标的实际工作全过
程进行了模拟，考虑了实际使用情况的所有复杂因 素，能够在不同的工作环境下对不同的目标进行仿 真，模拟航空声呐对目标的探测过程。本系统的仿 真结果及统计分析可以为实际作战提供重要的战 术指导，同时也可以通过此仿真环境对实际作战的 有关过程及数据进行仿真分析，来对作战效果进行 验证和检验。
1
2010
2.7
353
2
1920
2.7
4.5
3
1850
2.7
9.0
设定吊放声纳、声纳浮 标类型
设定吊放声 纳工作参数
目标数 据库
海洋环境 数据库
目标运动 参数设定
设定声纳浮 标工作参数
吊放声纳 信号处理
吊放声纳 显示处理
目标及环境 参数设定/读
取
目标运动 仿真
信号生成
声纳浮标 信号处理
声纳浮标 显示处理
定义距离参数
R = [1/ 3(H + L)]1/2
（1）
其中 H 是海水深度，m；L 是浅海表面混合层深度， m。
根据 Marsh 和 Schulkin 的半经验公式[1,2]可以得 到传播损失的近似表达如下。
当目标距离 r<R 时，传播损失 TL 近似为：
TL = 20 lg r + α r + 60 − kL
（8）
其中 λ 为信号波长， l 为基阵孔径。
12
张晶晶 等：航空声呐仿真系统设计
2.3 水声目标特性模型 水声目标辐射噪声仿真模型主要建立典型潜
艇目标的辐射噪声特性随不同工况变化的特性曲 线，仿真的特性主要包括：辐射噪声的连续谱谱级、 线谱特征等。
水声目标回波特性仿真模型主要建立典型潜 艇目标的目标强度及其空间分布特性等。 2.4 海洋环境噪声
1
0.5
0
0
10
20
30
40
50
频 率 (HZ)
图 11 舰船辐射噪声直接解调谱
1
0.5
0
0
10
20
30
40
50
频 率 (Hz)
图 12 舰船辐射噪声 Wigner-Vill 分布零频切片解调谱
4 结论
舰船辐射噪声的 Wigner-Vill 分布零频切片更 好地揭示了信号的调制特性，仿真和实验数据分析 验证了其具有较好的噪声抑制特性，更容易提取解 调谱图中的关联舰船辐射噪声的轴频、叶频等信息 的线谱，有助于提高舰船的识别性能。
目标与环境仿真模块由目标/环境参数设定模 块、目标运动轨迹仿真模块、显示处理模块组成。 其中，目标/环境参数设定模块用来设定海洋环境参 数、潜艇的目标声特征和运动参数，包括目标所处 区域海底/海面参数、环境噪声、目标强度/辐射噪 声谱级、目标运动方向/速度等；目标运动轨迹仿真 模块用于生成目标位置；显示处理模块用于对目标 及鱼雷的运动轨迹进行显示处理。目标与环境仿真 模块供吊放声呐和声呐浮标共用，根据该模块设置 的海洋环境参数和目标参数在阵元阈对吊放声呐 或声呐浮标的原始声信号进行仿真。