基于亮點(diǎn)模型的潛艇目標(biāo)回聲過渡特性分析

徐 瑜, 苑秉成, 唐 波

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基于亮點(diǎn)模型的潛艇目標(biāo)回聲過渡特性分析

徐 瑜, 苑秉成, 唐 波

(海軍工程大學(xué) 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033)

研究潛艇目標(biāo)回聲的近、遠(yuǎn)場過渡特性對于主動聲納探潛、探測和水聲對抗具有實(shí)際意義。計(jì)算目標(biāo)回聲強(qiáng)度隨距離變化曲線是分析目標(biāo)回聲近、遠(yuǎn)場過渡特性的一種有效方法。理論分析和試驗(yàn)研究均表明, 在魚雷自導(dǎo)頻率下, 目標(biāo)回波可近似看成是目標(biāo)亮點(diǎn)回波相干疊加的結(jié)果。該文提出了一種基于亮點(diǎn)模型的潛艇目標(biāo)回聲過渡特性分析方法, 通過亮點(diǎn)模型計(jì)算不同距離情況下的潛艇目標(biāo)的回聲強(qiáng)度值, 進(jìn)而分析潛艇目標(biāo)回聲的近、遠(yuǎn)場過渡特性, 并與板塊元算法計(jì)算回聲強(qiáng)度值分析潛艇目標(biāo)過渡特性進(jìn)行了對比。仿真結(jié)果表明, 該方法簡單, 高效。

潛艇; 亮點(diǎn)模型; 回聲強(qiáng)度; 近場; 遠(yuǎn)場; 過渡特性

0 引言

目標(biāo)回波信號是主動自導(dǎo)系統(tǒng)獲取目標(biāo)特征信息的主要來源。水下目標(biāo)回波特性的研究以往主要集中在遠(yuǎn)場。在遠(yuǎn)場條件下, 目標(biāo)可以近似被看作是一個點(diǎn)或一組點(diǎn), 目標(biāo)散射聲場可以看作是點(diǎn)源散射場。然而當(dāng)魚雷距離目標(biāo)較近時(shí), 把擴(kuò)展目標(biāo)進(jìn)行這樣的簡化, 對潛艇目標(biāo)回波描述是不充分的。因此, 研究潛艇目標(biāo)近、遠(yuǎn)場過渡特性對于主動聲納探潛、探測和水聲對抗具有實(shí)際意義。

李建魯?shù)热硕x了描述目標(biāo)近場回聲特性的物理量——回聲強(qiáng)度[1-3], 采用板塊元算法計(jì)算不同距離情況下的回聲強(qiáng)度值, 從而分析目標(biāo)的近、遠(yuǎn)場過渡規(guī)律。理論分析和試驗(yàn)研究都證明, 在魚雷自導(dǎo)頻率下, 目標(biāo)回波可近似看成是目標(biāo)亮點(diǎn)回波相干疊加的結(jié)果。

本文基于亮點(diǎn)模型計(jì)算了不同距離情況下的回聲強(qiáng)度, 分析了潛艇的近遠(yuǎn)場過渡特性, 并與板塊元算法計(jì)算回聲強(qiáng)度值分析目標(biāo)過渡特性進(jìn)行了對比。

1 目標(biāo)回波的亮點(diǎn)模型

理論分析和試驗(yàn)研究都證明, 在魚雷自導(dǎo)頻率下, 任何一個復(fù)雜目標(biāo)的回波都是由若干個子回波迭加而成的, 每個子回波可以看作是從某個散射點(diǎn)發(fā)出的波, 這個散射點(diǎn)就是亮點(diǎn)[4], 它可以是真實(shí)的亮點(diǎn), 也可以是某個等效的亮點(diǎn)。這樣任何一個復(fù)雜目標(biāo)都可以等效成若干個散射亮點(diǎn)的組合。每個散射亮點(diǎn)產(chǎn)生一個亮點(diǎn)回波, 總的回波是這些亮點(diǎn)回波相干迭加的結(jié)果。亮點(diǎn)及其強(qiáng)度分布主要由目標(biāo)外形、表面曲率和材質(zhì)決定。

亮點(diǎn)目標(biāo)模型就是把目標(biāo)看作一組可產(chǎn)生回波的亮點(diǎn), 對每個亮點(diǎn)采用線性目標(biāo)模型, 每個亮點(diǎn)的傳遞函數(shù)由3個參數(shù)表征: 幅度、時(shí)延和相位跳變組成, 將這些亮點(diǎn)的回波疊加得到總的回波。單個亮點(diǎn)的傳遞函數(shù)為

各類亮點(diǎn)的傳遞函數(shù)都有如式(2)的形式。對于復(fù)雜目標(biāo)可以分解成若干個簡單幾何形狀的子目標(biāo), 每一個子目標(biāo)又可能包含若干個亮點(diǎn)。因此復(fù)雜目標(biāo)可以模型化為多個亮點(diǎn)的迭加, 按線性迭加原理得到總的傳遞函數(shù)

若忽略傳播損失和混響、噪聲的影響可近似為

2 簡單形狀目標(biāo)亮點(diǎn)強(qiáng)度的計(jì)算

對任意凸形物體而言, 其目標(biāo)強(qiáng)度為

對于潛艇上的固定亮點(diǎn), 可以認(rèn)為棱角反射, 其目標(biāo)強(qiáng)度可以按照椎頂?shù)哪繕?biāo)強(qiáng)度計(jì)算

有限長柱體的目標(biāo)強(qiáng)度

對于形狀比較復(fù)雜的物體, 可采用板塊元算法計(jì)算目標(biāo)強(qiáng)度[5-6]。

3 潛艇目標(biāo)建模與分析

3.1 潛艇目標(biāo)建模

為方便計(jì)算, 本文將潛艇目標(biāo)模擬為幾個簡單形狀目標(biāo)的組合, 用半橢球體近似模擬艇艏和艉; 圓柱體模擬前艇體、艇舯和后艇體; 橢圓柱體來模擬艦橋。設(shè)艇體直徑為10 m, 前端半橢球體的長度為10 m, 中段圓柱體的長度為80 m, 后端半橢球體的長度為15 m。艦橋中心位于距艇艏頂點(diǎn)35 m處, 其長半軸為5 m, 短半軸為3 m, 高度為6 m。

3.2 潛艇目標(biāo)亮點(diǎn)分布

實(shí)際的潛艇目標(biāo), 由于其表面結(jié)構(gòu)和信號方位的關(guān)系, 其亮點(diǎn)突出的鏡反射亮點(diǎn)或強(qiáng)亮點(diǎn)主要分布于艇艏、艇體、艦橋和艇艉這些潛艇的大面積部位表面; 其弱亮點(diǎn)與亮點(diǎn)背景則主要分布于這些大面積部位的過渡區(qū)表面、小部件棱角以及不確定部位的彈性弱亮點(diǎn)所產(chǎn)生的回波形成。一般潛艇目標(biāo)大約有3~6個亮點(diǎn), 為更好模擬潛艇的亮點(diǎn)回波, 亮點(diǎn)數(shù)取為5個, 表征了潛艇聲目標(biāo)強(qiáng)度最大的5個部位: 艇艏, 前艇體, 艦橋, 后艇體和艇艉。為便于計(jì)算可用半橢球體近似模擬艇艏、艉; 圓柱體模擬前艇體、后艇體; 橢圓柱體來模擬艦橋, 分別計(jì)算各亮點(diǎn)的亮點(diǎn)參數(shù)。潛艇目標(biāo)亮點(diǎn)分布示意圖見圖1。

圖1 潛艇目標(biāo)亮點(diǎn)分布示意圖

3.3 數(shù)值計(jì)算與分析

3.3.1 回聲強(qiáng)度的定義與計(jì)算

目標(biāo)強(qiáng)度是一個遠(yuǎn)場參數(shù), 它不適用于近場問題。因?yàn)樵诼晫W(xué)的近場中, 聲壓和聲強(qiáng)隨距離和方位強(qiáng)烈起伏。因此根據(jù)近場中一點(diǎn)的聲壓無法推算遠(yuǎn)場中的聲壓, 需要一個近場參數(shù)描述回聲的強(qiáng)度。為了解決這一問題, 上海交通大學(xué)李建魯、范軍等人定義了一個物理量回聲強(qiáng)度[1-3], 即

容易看出, 回聲強(qiáng)度既適合于近場又適合于遠(yuǎn)場, 當(dāng)收發(fā)點(diǎn)從近場區(qū)域逐步移到遠(yuǎn)場區(qū)時(shí), 回聲強(qiáng)度平滑過渡到目標(biāo)強(qiáng)度, 因此回聲強(qiáng)度可以用于描述目標(biāo)過渡規(guī)律。

經(jīng)過反變換得到回波信號

則基于亮點(diǎn)模型的目標(biāo)回聲強(qiáng)度為

3.3.2 仿真結(jié)果與分析

利用上述步驟分別分析艇艏和正橫照射的情況下, 潛艇目標(biāo)近遠(yuǎn)場過渡特性, 計(jì)算頻率為20 kHz, 仿真圖中實(shí)線和虛線分別為基于亮點(diǎn)回波和采用板塊元算法計(jì)算的回聲強(qiáng)度隨距離變化曲線。

圖2和圖3 分別給出了艇艏和正橫照射情況時(shí), 回聲強(qiáng)度隨距離變化的曲線。從圖中可看出, 基于亮點(diǎn)回波計(jì)算的回聲強(qiáng)度曲線變化規(guī)律與板塊元計(jì)算的回聲強(qiáng)度曲線變化規(guī)律較為吻合。

從圖中還可以看出, 潛艇目標(biāo)散射場存在明顯的近場區(qū)和遠(yuǎn)場區(qū), 當(dāng)過渡到遠(yuǎn)場時(shí), 回聲強(qiáng)度與目標(biāo)強(qiáng)度等同, 且在正橫情況下的目標(biāo)強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于艇艏艉情況下的目標(biāo)強(qiáng)度; 此外, 在正橫情況下目標(biāo)回聲從近場向遠(yuǎn)場過渡的臨界距離明顯高于艇艏艉情況下的臨界距離, 主要是因?yàn)檎龣M情況下的散射截面大于艏艉情況下的散射截面。通過計(jì)算可知, 基于亮點(diǎn)回波計(jì)算回聲強(qiáng)度比板塊元計(jì)算回聲強(qiáng)度省時(shí)、高效。

圖2 艇艏照射時(shí)回聲強(qiáng)度值隨距離變化曲線(q=0°)

圖3 正橫照射時(shí)回聲強(qiáng)度值隨距離變化曲線(q=90°)

4 結(jié)束語

研究潛艇目標(biāo)回聲的近、遠(yuǎn)場過渡特性對于主動聲納探潛、探測和水聲對抗具有實(shí)際意義。上海交通大學(xué)李建魯、范軍等人定義了一個物理量回聲強(qiáng)度, 并采用板塊元算法計(jì)算得出目標(biāo)回聲強(qiáng)度隨距離變化曲線, 分析目標(biāo)的近、遠(yuǎn)場過渡特性。采用板塊元算法分析目標(biāo)的近、遠(yuǎn)場過渡特性, 雖然計(jì)算結(jié)果較為精確, 但耗時(shí)較長。由于復(fù)雜目標(biāo)可以分解成若干個簡單幾何形狀的子目標(biāo), 目標(biāo)回波可以模型化為多個亮點(diǎn)的迭加。因此, 本文提出的基于亮點(diǎn)回波計(jì)算目標(biāo)回聲強(qiáng)度來分析目標(biāo)過渡特性的方法, 經(jīng)仿真計(jì)算分析表明簡單且高效。

[1] 李建魯, 范軍, 湯渭霖. 水下簡單形狀目標(biāo)回聲的近遠(yuǎn)場過渡特性[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2001, 35(12): 1846-1850. Li Jian-lu, Fan Jun, Tang Wei-lin. Transition from Near Field to Far Field of Echoes from Simple Shape Targets in Water[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2001, 35(12): 1846-1850.

[2] 李建魯. 水下目標(biāo)近場回聲特性及其聲圖像[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2001.

Li Jian-lu. Study on Near Field Echo Characteristics and Acoustic Imagines of Underwater Targets[D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University, 2001.

[3] 范軍, 李建魯, 劉濤, 等. 水下復(fù)雜形狀目標(biāo)回聲的過渡特性[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 36(2): 161-164. Fan Jun, Li Jian-lu, Liu Tao, et al. Transition Characteristics of Echoes from Complex Shape Targets in Water[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2002, 36(2): 161-164.

[4] 湯渭霖, 聲納目標(biāo)回波的亮點(diǎn)模型[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào), 1994, 19(2): 92-100. Tang Wei-lin. Highlight Model of Echoes from Sonar Tar- gets[J]. Journal of Acoustics, 1994, 19(2): 92-100.

[5] 劉成元, 張明敏, 程廣利. 一種改進(jìn)的板塊元目標(biāo)回聲計(jì)算方法[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 20(1): 25-31. Liu Cheng-yuan, Zhang Ming-min, Cheng Guang-li. Impro- ved Planar Element Method for Computing Target Echo[J]. Journal of Naval University of Engineering, 2008, 20(1): 25-31.

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Analysis on Transition Characteristics of Echoes from Submarine Based on Highlight Model

XU Yu, YUAN Bing-cheng, TANG Bo

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Transition characteristics of echoes from submarine are essential in studying submarine detection and acoustic countermeasure. Calculating echo strength from an underwater target versus distance is an effective method for analyzing transition characteristics of echoes from underwater targets. Theoretical analyses and experiments have shown that under high frequency, echo from any complex target can be considered a coherent superposition of waves from highlights. A novel algorithm is presented in this paper based on a highlight model to calculate the submarine echo strength in different distance, and to analyze the transition characteristics of echoes from a submarine. Simulation results show that the proposed method is simpler and more efficient compared with the planar element method.

submarine; highlight model; echo strength; near field; far field; transition characteristic

TB566; O427.2

A

1673-1948(2012)02-0153-04

2010-12-27;

2011-05-11.

徐 瑜(1983-), 男, 在讀博士, 主要研究方向?yàn)檐娪媚繕?biāo)特性與制導(dǎo)技術(shù).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)