- 1 -
中国科技论文在线
潜艇的 UWB 脉冲回波及其多亮点特征提取
研究#
冯西安，郑玉峰，张杨梅*
基金项目：博士点基金（20106102110011）
作者简介：冯西安（1962-），男，教授，博士研究生导师，中国电子学会高级会员。长期从事阵列信号处
理、现代谱分析、水下目标识别、鱼雷自导、水声对抗与反对抗等方面的研究工作
（西北工业大学航海学院，陕西 西安 710072） 5
摘要：超宽带（UWB）脉冲的时延和距离分辨率高，可分辨并精确测量体积目标的多个散
射点，使目标特性更加突出，有利于水下目标探测和精确估计。本文研究了 UWB 脉冲作用
时潜艇的回波及其多亮点特征提取问题，建立了潜艇目标的超宽带 UWB 脉冲回波模型及其
目标多亮点的任意离散阵阵列信号模型。采用短脉冲切割法和任意离散阵波束形成法实现了10
潜艇目标多亮点子回波的分割和空间谱估计，有效提取了潜艇目标模型所产生的三维多亮点
结构特征。
关键词：水声探测；UWB 窄脉冲；潜艇回波；三维多亮点模型；多亮点特征提取
中图分类号：TB566
15
Submarine Echo and its Multiple-Highlight Characteristics
Estimation with UWB Pulse
FENG Xi'an, ZHENG Yufeng, ZHANG Yangmei
(School of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi'an Shanxi, 710072)
Abstract: The UWB pulse, which has high time-delay resolution and range resolution, could 20
distinguish and measure multiple scatterers of volume target accurately, and makes the target’s
characteristics more distinctly. This paper studied the submarine echo of UWB pulse and its
multi-highlight feature extraction, established a submarine echo model of UWB pulse, and its
array signal model of arbitrary discrete array. By using the short pulse cutting method and
arbitrary discrete array beamforming method, the submarine target multi-highlight echo’s 25
segmentation and spatial spectral estimation were implemented, and the 3d multi-highlight
structural features were extracted effectively.
Key words: Underwater acoustic detection; UWB narrow pulse; Submarine Echo; 3d
multi-highlight model; Multi-highlight feature extraction
30
0 引言
在水下目标探测中，潜艇的结构复杂，目标的回波散射特性也十分复杂。但总的来说，
这些回波成分可以分为镜反射波、表面不规则性引起的散射波、压缩波和切变波、蠕波和弯
曲波、共振散射波等 5 类[1,2]。在这些散射波中，前两类是由潜艇本身的几何形状引起的，
属于几何反射波，与潜艇的材料没有关系，它们构成了潜艇反射回波的主体部分，对于目标35
外形识别以及几何亮点结构的探测具有极其重要的意义。后三类回波成分属于弹性散射波
[3]，是由于潜艇不是完全刚性而使声波透入其内引起的，它们在潜艇壳体内传播，受潜艇本
身材料声阻抗的影响，与潜艇的弹性有关。潜艇的目标回波是由几何散射波和弹性散射波叠
加形成的，潜艇目标可以看成是由少数几个强镜像反射体以及许许多多随机散射体构成的复
杂散射体[3-6]。 40
这些不同位置的散射体引起的各亮点回波的强度和相位等信息不同。由水下等离子体声
- 2 -
中国科技论文在线
源产生的超宽带（UWB）脉冲，其时延或距离分辨率高，可分辨、精确测量体积目标的多
个散射点，采用 UWB 脉冲可以得到潜艇比较精细的多亮点结构模型。
1 潜艇目标的 UWB 脉冲回波模型
潜艇主要由艇体、舰桥、艇艏和艇艉组成，每一部分都有多个亮点，潜艇的多亮点模型45
由各部分亮点组成。建立观测坐标系 xOyz ，如图 1 所示。当已知潜艇中心到观测点的距离
R 、潜艇中心的水平方位角 0 、俯仰角 0 、敌舷角为 、横滚角为以及潜艇各部分的位
置和几何尺寸后，就可以求得潜艇每一组成部分的多亮点坐标或极坐标，进一步建立潜艇的
回波模型。
φ0观测点O
z
y
θ0
v
海底
T S
水平轴线l垂直轴线v
O1(xo1,yo1,zo1)
h
2b2
O2(xo2,yo2,zo2)
O3(xo3,yo3,zo3)
O4(xo4,yo4,zo4)
R
γ
η
2a12b1 l2
l3
l4
横向轴线t
a3
右侧x
海面
Q
水平轴平移l’
50
图 1 潜艇在观测坐标系中的位置和结构
Fig. 1 Position and structure of submarine in coordinate system
建立潜艇坐标系 vtlO1 ，l 为潜艇水平轴或纵轴，v 为垂直轴线，t 为指向艇体右侧的横
向轴线，在这个坐标系中，容易得到潜艇各部分的曲面方程或曲线方程。
艇体部分的曲面方程为椭球面方程，纵向长半轴为 1a ，垂直和横向的短半轴长度为 1b 。55
舰桥部分的曲面方程是椭圆柱面方程，中心为 )0,0,( 22 lO ，高度为h，椭圆柱的长半轴 2b ，
短半轴为 2a 。艇艏部分为球面方程，球心坐标 )0,0,( 33 lO ，球形的半径为 3a 。艇艉是圆方
程，圆心坐标是 )0,0,( 44 lO ，圆半径为 4a 。用网格线对这些曲面和曲线进行划分，可得到
亮点在潜艇坐标系 vtlO1 中的坐标位置。
设潜艇坐标系的坐标轴单位向量分别为 kzjyixl lll
、 kzjyix vvv
和60
kzjyixt ttt
，这三个单位向量由水平方位角 0 、俯仰角 0 、敌舷角 、横滚角确
定。求解时需要分为右舷和左舷两种情况。知道了单位向量 l
、
和 t
，就可以通过坐标
系转换，将坐标系 vtlO1 中的亮点坐标 ),,( ijijij tvl 转换为坐标系 xOyz 中的坐标 ),,( ijijij zyx
或极坐标 ),,( ijijijr 。
设潜艇艇体、舰桥、艇艏、艇艉上亮点个数分别为 11 NM 、 22 NM 、 33 NM 、 4M65
个，则艇体、舰桥、艇艏、艇艉的多亮点回波模型分别为
- 3 -
中国科技论文在线
1 1M
1
N
1
1111 )(),()(
i j
ijijij tste (1)
2 2M
1
N
1
2222 )(),()(
i j
ijijij tste
(2)
3 3M
1
N
1
3333 )(),()(
i j
ijijij tste (3)
4
1
4444 )(),()(
M
j
jjj tste (4) 70
式中，时延为 c/2 ijrij＝ ，而 ijijijr ,, 是艇体、舰桥、艇艏、艇艉上多亮点在 xOyz 中的
极坐标，由坐标系转换关系得到。 ),( ijij 是随方位角 ),( ijij 变化的反射系数， )(ts 是
UWB 脉冲。
由于艇体、舰桥、艇艏正面对背面的遮蔽，只能观测到正面的一部分亮点，并且随观测
角度不同，所能观测到的亮点也不同，所以亮点个数M1和N1选择的约束关系为75
0 ijij OPn
，其中 ijOP 是原点到亮点的向量， ijn
代表椭球曲面、椭圆柱面、半球面各自
的法向量。
潜艇多亮点回波模型是艇体、舰桥、艇艏和艇艉四个部分多亮点回波的迭加，即
)()()()()( 4321 tetetetete (5)
考虑到潜艇各个部分之间的遮盖，在不同的敌舷角和横滚角情况下，潜艇多亮点回波由不同80
的部分组成。在正横方向，潜艇多亮点回波是四个部分的迭加；在潜艇正前方，是艇体、舰
桥和艇艏三部分的迭加；在潜艇正后方，是艇体、舰桥和艇艉三部分的迭加。横滚角会导致
艇体和舰桥的相互遮盖，实现时，可根据实际情况予以考虑。
反射系数的计算比较复杂，反射系数与反射体的材料、反射面面积、反射面曲率、是否
采用消声技术、收发位置、声波频率、信号波形等多种因素有关[3,6]，模型中仅考虑反射系85
数与收发位置或入射角及反射角的关系。
2 多亮点回波的阵列信号模型
任意形离散阵的 M 个阵元坐标分别为 ),,( smsmsm zyx 。目标各个亮点的极坐标表示为
dir ii ,...,2,1),,,( i ，其中 i 为亮点的方位角， i 为俯仰角。方位角和俯仰角的取值范
围分别为 )9090( oo， ， ),90(-90 oo 。当 为正时，亮点处于右舷，为负数时，亮点90
处于左舷方向。当为正时，亮点处于海底方向，为负数时，亮点处于海面方向。
设 UWB 脉冲为 )(ts ，第 i 个亮点的散射系数为 ),( ii ，在远场假设时，第m 个阵元
接收到的回波信号为
Mmtsttstx
d
i
miii
d
i
miiim ,...,1,)(),()(),()()(
11
(6)
式中，时延差为 95
]coscossincossin[
1
iismismiismmi zyx
c
(7)
- 4 -
中国科技论文在线
3 潜艇多亮点结构特征的提取
采用计算机仿真时，可用矩形脉冲、三角形脉冲、升余弦脉冲、高斯脉冲、sinc 脉冲模
拟水下等离子体声源的 CWB 窄脉冲。
仿真参数设置：发射高斯脉冲 UWB 脉冲，信号脉宽 10ms，目标到鱼雷的距离 300 米，100
方位角 10°，俯仰角 5°，敌舷角 65°，横滚角 5°。潜艇各个组成部分几何参数：艇体长
半轴 50 米，短半轴 5 米，艇体亮点个数 320 个；舰桥长半轴 10 米，短半轴 3 米，高 5 米，
舰桥亮点个数 22 个；艇艏位置 40 米，艇艏半圆球的半径由艇体长半轴 1a 、短半轴 1b 和
艇艏的位置 3l 所决定，亮点个数 22 个；艇尾位置距艇中心 50 米，半径 4 米，亮点个数 1
个。 105
采用平面阵波束形成进行平面目标的空间谱分析，其中水平阵元个数 501 M ，垂直
阵元个数 502 M ，总阵元数 250021 MMM 。
图 2 是发射信号波形及阵列某一个阵元接收的矩形平面目标的回波。从图上可以看到，
发射信号是一个长度为 10ms 的 UWB 脉冲，回波多个亮点反射子波的叠加，它们有明显的
时间扩展。采用 UWB 脉冲，能够清楚分辨出潜艇的多亮点散射特性。 110
0 1
0
(a)发射信号
时间 (s)
幅
度
(V
)
0 1
0
1
(b)回波
时间 (s)
幅
度
(V
)
图 2 高斯脉冲及潜艇回波 图 3 潜艇的空间谱及其等高线图
Fig. 2 The emision UWB pulse and Fig. 3 Submarine space spectrum and its contour
the echo of submarine map
对潜艇回波进行切割，用 5050 阵元平面阵波束形成求短脉冲的空间谱及空间谱的等115
高线图，如图 3 所示。空间谱较好地分辨出了潜艇各个组成部分的多个亮点，描述了这些亮
点的方位和俯仰角信息，勾画出了潜艇的多亮点结构轮廓。波束形成所得到的空间谱及空间
谱的等高线图与潜艇的亮点分布接近，能够有效地提取了潜艇的多亮点结构特征。
4 结论
潜艇目标是多亮点结构，采用超宽带窄脉冲容易得到精细的多亮点结构。本文建立了潜120
艇目标的 UWB 脉冲回波模型，并建立了这种回波的任意离散阵阵列信号模型，比较精细地
描述了目标多亮点分布特性。用短脉冲切割法和任意离散阵波束形成法实现了三维亮点结构
特征提取，得到了潜艇三维亮点结构特征。
[参考文献] (References)
[1] 汤渭霖. 声呐目标回波的亮点模型[J]. 声学学报, 1994, 第 19 卷第 2 期, -100. 125
[2] 范军, 刘涛, 汤渭霖. 水下目标壳体的镜反射亮点回波结构[J]. 声学技术. 2002 年, 第 21 卷第 4 期，
-170.
[3] 赵日昌. 潜艇反射亮区与声入射方位的关系[J]. 舰船科学技术.1994 年第 5 期, -30.
[4] Brill D,Gaunaurd. G. Backscattering of sound pulse by elastics body underwater[J]. Appl. Acoustics, 1991,
- 5 -
中国科技论文在线
:87-107. 130
[5] 丁永泉，易红. 宽频带水声信号目标回波建模与仿真研究[J]. 鱼雷技术. 2006 年 6 月, 第 14 卷第 2 期，
-40.
[6] 王明洲, 黄晓文, 郝重阳. 基于声学亮点特征的水下目标回波模型[J]. 系统仿真学报. 2003 年, 第 15 卷
第 1 期，-25.
135
