Page 45 - 《应用声学》2024年第1期

第 43 卷 第 1 期 陈茁等： 波束开角对多普勒测频结果的影响 41

单质点回波模型下，频谱的伸缩仅与波束轴线
0 引言 方向的多普勒频移 f d 有关，在水底椭圆回波模型
下，频移不是固定值，存在一定范围的频率扩展。黎
多普勒测速声呐广泛应用于水文测验、海洋监
美琪 [2] 提出宽带信号可等效为单频点信号的幅度
测、环境保护等领域。多普勒测速原理基于多普勒
加权叠加，信号幅值受到环境因素的影响，与倾角 θ
效应，对于存在相对运动的声源和接收点，接收的回
和频率 f 有关，接收信号由所有条带区域对应的宽
波信号将引入多普勒频移，测频偏差是测速偏差的
带回波信号叠加得到
主要来源之一。已有信号机理方面的偏差分析文献
K I
[
{
大多基于单质点回波模型，从相位编码信号的特性 s(t) = ∑ ∑ A(θ, f)a i cos 2π f 0 + f d k
出发，研究填充系数、编码长度等对测频偏差的影 k=−K i=−I
响。如黎美琪等 [1−2] 证明了单质点回波模型下测频 ( f d k )] }
+ i∆f 1 + t , (1)
偏差与宽带信号频谱特性有关，主要聚焦发射信号 f 0
频谱不对称的影响，利用差分 Blackman 码调制发 其中，k 表示椭圆不同的条带区域，i 表示宽带信号
射编码信号有效降低了测频偏差。对水底椭圆散射 不同的谱线。不同深度、波束开角得到的椭圆模型
模型主要是开展模型准确度和回波信号特性研究， 具有不同的中心位置和面积。各条带区域对应的多
刘德铸 [3] 提出了利用水底椭圆散射模型构造回波 普勒频移f d k 与波束方位有关f d k = f d sin θ k / sin θ，
信号，通过仿真和典型试验数据瞬时值与包络值的 θ k 为不同条带区域位置向量 (x k , 0, z k ) 与 z 轴正向
频数统计函数的相似性证明了模型的准确，未分析 夹角。
模型对回波信号频谱结构的影响。黄雄飞等 [4] 推导 O x
α
了水底回波信号自相关函数的表达式，其形状与发 y Ψ
射信号自相关函数基本一致，但相对发射信号有一 z θ
定的展宽或压缩，缺少该模型对回波信号测速性能
的影响研究。 H 
本文在上述文献基础上，基于水底椭圆散射模 ϕ x  x 
型，分析了声学宽带测速底回波信号的频谱特性，以
及声学波束开角对宽带回波信号测频性能的影响， H
得到了波束开角对测频偏差的影响机理，对宽带声
图 1 水底照射条带划分示意图
学多普勒测速偏差研究具有重要价值。
Fig. 1 Diagram of underwater irradiation strip division

1 波束开角对测频偏差产生影响的原因 发射的重复编码信号频点幅值 [6] 计算方法见
式(2)：
现有的多普勒声呐水底回波研究模型分为两 [ ]
L−1
∑
种：单质点回波模型和椭圆回波模型，由于单质点回 a i = T b sin c(i∆fT b )e −jπi∆fT b z n e −j2πi∆fnT b
波模型是一种理想化模型，忽略了波束开角，难以 n=0
[ ]
R−1
反映回波信号幅度变化细节，本文以水底椭圆散射 ∑ −j2πmi∆fT /R
× e , (2)
模型为基础进行分析。具有一定波束开角的波束照 m=0
射在水底，水底投影近似看作椭圆，散射点均匀分 其中，T b 为码元宽度，z n 为宽带信号编码序列，R 为
布在椭圆平面，将椭圆划分为 2K + 1 个条带区域， 编码重复次数，T 为信号长度，∆f = f 0 /(QL) 为谱
K 为正整数，区域间隔与波长成比例。波束到达水 线间距，Q 为填充系数，L 为编码长度。接收信号的
底的垂直深度 H、波束宽度 Ψ、波束入射角θ 均为已 幅值加权 A(θ, f)主要由两部分组成，方位对频点的
知量，椭圆长轴与 x 轴的夹角为 0 ，椭圆的几何中 加权a 和吸收对频点的加权a ′ [7] 。
◦
′
k i
心x 0 、波束中心与椭圆交点x 、长轴 a和短轴b可由 考虑方位对频点的加权 a ，散射体均匀分布在
′
′
0 k
已知量计算，水底散射点分布和条带划分如图 1 所 椭圆截面，椭圆分割成多个条带，各条带散射体数
示 [4−5] 。 目占比表述散射体分布 N k = n k /N，N 为总散射体