基于板塊元的水面艦船遠(yuǎn)場(chǎng)聲目標(biāo)強(qiáng)度預(yù)報(bào)方法

王汝夯，李冰，魏強(qiáng)

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基于板塊元的水面艦船遠(yuǎn)場(chǎng)聲目標(biāo)強(qiáng)度預(yù)報(bào)方法

王汝夯，李冰，魏強(qiáng)

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064)

提出了一種基于板塊元的水面艦船水下遠(yuǎn)場(chǎng)聲目標(biāo)強(qiáng)度數(shù)值預(yù)報(bào)方法，首先根據(jù)水面艦船水下船體及附體的型線進(jìn)行等效建模，采用板塊元方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立了水面艦船特有的復(fù)雜附體二次反射、海面散射效應(yīng)的數(shù)值模型，將各板塊元的聲散射視為一種“濾波”，各板塊元的散射聲傳輸函數(shù)具有不同幅度、相位、時(shí)延，將其疊加之和進(jìn)行反傅氏變換后，獲得水面艦船波形級(jí)的遠(yuǎn)場(chǎng)聲目標(biāo)強(qiáng)度及方位分布特征。通過(guò)分析比較典型聲吶探測(cè)信號(hào)下水面艦船的聲目標(biāo)強(qiáng)度，驗(yàn)證了該方法的有效性，為優(yōu)化與控制水面艦船目標(biāo)強(qiáng)度，分析水面艦艇水聲對(duì)抗的作戰(zhàn)效能提供了物理依據(jù)。

聲目標(biāo)強(qiáng)度；水面艦船；預(yù)報(bào)方法；板塊元

0 引言

水面艦船的水下船體部分通常具有不同于水下目標(biāo)的較強(qiáng)目標(biāo)回聲，易被對(duì)方主動(dòng)聲吶探測(cè)，從而受到水中高精度、遠(yuǎn)距離、大航深、低噪聲強(qiáng)威力的現(xiàn)代精確制導(dǎo)武器攻擊的嚴(yán)重威脅。水面艦船遠(yuǎn)場(chǎng)聲目標(biāo)強(qiáng)度的分析與預(yù)報(bào)，是控制降低水面艦船回聲目標(biāo)強(qiáng)度的物理基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)于提高水面艦船聲隱身能力具有重要應(yīng)用價(jià)值和意義，日益受到關(guān)注。從上世紀(jì)60年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)水中聲目標(biāo)強(qiáng)度進(jìn)行了大量的研究[1-6]，但研究對(duì)象以水下目標(biāo)為主，對(duì)水面艦船水下聲目標(biāo)強(qiáng)度的研究頗少提及。

目前，主要采用三種方法，一是基于亮點(diǎn)模型的部件強(qiáng)度法[1-3]，這種方法將水下目標(biāo)近似為若干簡(jiǎn)單的形狀或亮點(diǎn)，計(jì)算簡(jiǎn)單，物理概念清晰，但由于船體的凸曲面特征，回波亮點(diǎn)在不同入射角度下會(huì)出現(xiàn)漂移，而且目標(biāo)模型較為粗略，不能反映真實(shí)的目標(biāo)回波構(gòu)成；二是數(shù)值方法[4]，采用Kirchhoff積分法直接數(shù)值積分，實(shí)際只能對(duì)少數(shù)規(guī)則形狀的目標(biāo)，如平板、圓柱、球體等得到計(jì)算解；三是新近發(fā)展提出的板塊元方法[5,6]，用若干平面板元近似目標(biāo)曲面，將求散射聲場(chǎng)的面積分轉(zhuǎn)化為數(shù)值運(yùn)算，提高了計(jì)算速度，但目前相關(guān)研究?jī)H針對(duì)潛艇目標(biāo)，而水面艦船包含不同型線的多種附體結(jié)構(gòu)和不規(guī)則的船體曲面，且存在海面的二次散射等因素，其水下聲目標(biāo)強(qiáng)度將更為復(fù)雜。

本文從工程應(yīng)用出發(fā)，將工程建模方法和板塊元理論相結(jié)合，提出基于板塊元理論的水面艦船遠(yuǎn)場(chǎng)聲目標(biāo)強(qiáng)度預(yù)報(bào)方法，將水面艦船的水下船體部分劃分為若干滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件的板塊元，精確逼近目標(biāo)外形，同時(shí)考慮附體的遮擋和海面二次散射的影響，通過(guò)將復(fù)雜船體回波的積分運(yùn)算簡(jiǎn)化為各板塊元散射特性疊加計(jì)算，以提高計(jì)算效率和預(yù)報(bào)精度，適用于水面艦船水下聲目標(biāo)強(qiáng)度的分析計(jì)算。

1 基于板塊元的聲目標(biāo)強(qiáng)度

目標(biāo)強(qiáng)度的定義為距離目標(biāo)聲學(xué)中心1 m處由目標(biāo)反射的聲強(qiáng)與在同一方向上由遠(yuǎn)處聲源的入射聲強(qiáng)之比的對(duì)數(shù)。目標(biāo)強(qiáng)度與目標(biāo)的大小、形狀和聲學(xué)性質(zhì)有關(guān)，并隨入射聲波的入射方向、頻率和波形而發(fā)生改變。

Freedman利用Kirchohoff近似方法給出了水中剛性靜止目標(biāo)的遠(yuǎn)場(chǎng)反向散射強(qiáng)度表達(dá)式[7]：

根據(jù)板塊元散射理論，假設(shè)定義板塊元是平面內(nèi)的一個(gè)平面多邊形，這里取為三角形板塊，定義，，可推得聲場(chǎng)的勢(shì)函數(shù)為

由此，可定義單個(gè)板塊元的傳輸函數(shù)為

(4)

2 水面艦船聲目標(biāo)強(qiáng)度預(yù)報(bào)方法

水面艦船與潛艇聲目標(biāo)強(qiáng)度計(jì)算的最大不同是，(1) 外掛附體的數(shù)量更多、外形更復(fù)雜；(2) 必須考慮附體與船體之間的遮擋與二次散射因素；(3) 水面艦船的聲目標(biāo)強(qiáng)度受海面的影響更大。因此，水面艦船聲目標(biāo)強(qiáng)度預(yù)報(bào)方法的關(guān)鍵是目標(biāo)幾何建模和水面的反射特性。

2.1 幾何建模

根據(jù)水面艦船水下船體及附體的型線信息，建立三維空間坐標(biāo)系，選取水線與艏部前端的交點(diǎn)為原點(diǎn)，船尾方向?yàn)?，向下為+。對(duì)水面艦船水下船體結(jié)構(gòu)采用部件分解的方法分為若干部件，如外形平滑的船體、減搖鰭、舭龍骨、尾軸(架)、螺旋槳、尾舵、艏部尖劈等，繼而對(duì)上述外形復(fù)雜的附體進(jìn)行等效簡(jiǎn)化，如將尾軸等效為多個(gè)圓臺(tái)和圓柱體的組合，螺旋槳等效為圓盤面，舭龍骨和減搖鰭等效為與外形尺寸一致的梯形。

借助計(jì)算機(jī)三維輔助設(shè)計(jì)軟件(如ANSYS、Foran、Patran、Catia等)將典型肋位的型線利用數(shù)值曲面擬合方法建立水面艦船水下船體曲面，繼而按照附體的實(shí)際線型進(jìn)行建模并根據(jù)附體結(jié)構(gòu)的布置方案進(jìn)行定位，這樣保證了船體結(jié)構(gòu)幾何形狀的光滑和連續(xù)，同時(shí)提高了聲目標(biāo)強(qiáng)度預(yù)報(bào)方法的建模效率和工程應(yīng)用性。

2.2 板塊元?jiǎng)澐?/p>

將水下船體結(jié)構(gòu)三維模型的各個(gè)目標(biāo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到水面艦船聲目標(biāo)強(qiáng)度的板塊元模型，如圖1所示，為保證板塊元的各個(gè)端點(diǎn)在同一平面，取三角形板塊元，并將任意一個(gè)板塊元標(biāo)記為，其逆時(shí)針?lè)植嫉娜齻€(gè)端點(diǎn)坐標(biāo)表示為、、。

2.3 遮擋與二次散射

利用空間幾何知識(shí)求解板塊元模型的等效中心、面積、法向、相互遮擋等信息，任意板塊元的等效中心記為，三條邊長(zhǎng)分別，三角形半周長(zhǎng)，則板塊元的面積，其法向量遵從右手法則，，表示向量的外積。

建立板塊元模型的遮擋與二次散射的邏輯判斷關(guān)系，海洋界面作為邊界納入二次反射判斷，遮擋的判斷邏輯可以理解為板塊1是否可被入射聲波照亮，并判斷任意板塊2是否在入射波與板塊1矢量路徑上，即

判斷二次散射，按照幾何聲學(xué)理論反射定律，聲線在板塊1產(chǎn)生第一次反射后，是否存在板塊2被反射波繼續(xù)照亮，若且，則求出板塊1的反射聲波向量，判斷該聲線與板塊2的交點(diǎn)是否在板塊2內(nèi)部，若是繼續(xù)計(jì)算二次散射的回波。

(a) 遮擋判別

(b) 二次散射

圖2 遮擋和二次散射示意圖

Fig. 2 Schematic diagram of shading and secondary scattering

2.4 海面的散射強(qiáng)度

對(duì)于水面艦船的水下聲目標(biāo)強(qiáng)度特征，海面散射效應(yīng)是其區(qū)別于潛艇的一個(gè)顯著不同，由于海浪的隨機(jī)不平整性，海面成為一個(gè)有效的、具有一定粗糙度的聲散射體，如圖3所示。不平整海面聲散射是造成水面艦船聲目標(biāo)強(qiáng)度特征中背景亮帶的主要原因[8]。

海面的聲散射組成可分為三部分：

(1) 粗糙的海面作為散射面，直接形成散射回波，形成范圍較大的背景雜波；

(2) 海面作為反射面，對(duì)艦船殼體反射的回波進(jìn)行二次反射；

(3) 海面的散射信號(hào)經(jīng)艦船殼體的二次反射形成的散射信號(hào)。

海面散射信號(hào)的第1分量可將海面近似為滿足一定統(tǒng)計(jì)特性的散射面而進(jìn)行直接計(jì)算；第2分量考慮海面與板塊元之間的二次反射，并進(jìn)行判斷和計(jì)算，第3分量的量級(jí)很小，對(duì)全船總目標(biāo)強(qiáng)度的影響可忽略不計(jì)。

海面的散射特性與入射信號(hào)頻率、入射角度、海面不平整度等因素有關(guān)。本文利用基于小斜率近似的散射系數(shù)計(jì)算方法[9]對(duì)具有高斯分布粗糙海面的散射系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

海面的平均反射系數(shù)為

(6)

3 實(shí)例計(jì)算

以某水面船舶為目標(biāo)建模，船長(zhǎng)為75 m，船寬為12.8 m，其三維模型及坐標(biāo)系如圖1所示。

選取四種典型的聲吶探測(cè)信號(hào)為入射聲波，相關(guān)參數(shù)如表1所示，其中信號(hào)1和信號(hào)3為單頻填充脈沖信號(hào)，信號(hào)2和信號(hào)4為線性調(diào)頻脈沖信號(hào)。

表1 入射聲波的參數(shù)

根據(jù)2.2節(jié)的板塊元?jiǎng)澐衷瓌t，將水面船的目標(biāo)強(qiáng)度模型進(jìn)行板塊元?jiǎng)澐?，板塊元的尺度范圍m。

圖5給出了艦船正橫(90°)方向下四種探測(cè)聲脈沖的回波信號(hào)?？梢钥闯觯捎谛盘?hào)1和信號(hào)3為單頻填充脈沖，其回波的尺度分辨率低，因此在時(shí)域上對(duì)目標(biāo)回波亮點(diǎn)的分辨能力弱于具有一定頻帶寬度的信號(hào)2和信號(hào)4。比較不同脈寬的回波信號(hào)，因?yàn)槎堂}沖不能同時(shí)覆蓋所有目標(biāo)亮點(diǎn)，目標(biāo)亮點(diǎn)之間的延時(shí)使回波脈沖不能完全重疊，因此反映出的目標(biāo)亮點(diǎn)信息更豐富一些。

圖6給出了表1中四種探測(cè)脈沖下，水面艦船水下目標(biāo)強(qiáng)度的方位分布特性。水面艦船的水下聲目標(biāo)強(qiáng)度特征呈現(xiàn)出與潛艇類似的“蝴蝶”形分布，不同在于船艉部的目標(biāo)強(qiáng)度比潛艇更加突出，分析原因主要是水面艦船的船艉安裝有尾軸架、尾軸、尾舵、螺旋槳等多種尺度較大的附體。

另外可見(jiàn)，寬帶調(diào)頻信號(hào)(圖6(b)、圖6(d))的目標(biāo)強(qiáng)度比單頻填充信號(hào)(圖6(a)、圖6(c))的強(qiáng)度方位分布更平滑穩(wěn)定，這種聲目標(biāo)強(qiáng)度隨觀察方位變化而變化的現(xiàn)象，也稱為目標(biāo)強(qiáng)度的“閃爍”，是由聲波的干涉作用而產(chǎn)生的，由于線性調(diào)頻脈沖信號(hào)具有時(shí)變的載頻和更為豐富的頻率分量，聲波干涉被“平滑”了，同時(shí)也驗(yàn)證了水面艦艇和潛艇在水下聲目標(biāo)強(qiáng)度測(cè)試中的“閃爍”現(xiàn)象。

(a) 信號(hào)1 (b) 信號(hào)2

(c) 信號(hào)3 (d) 信號(hào)4

圖6 水面艦船聲目標(biāo)強(qiáng)度的方位分布特性

Fig.6 Bearing characteristics of acoustic target strength of surface ship

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于板塊元理論的水面艦船遠(yuǎn)場(chǎng)聲目標(biāo)強(qiáng)度預(yù)報(bào)方法，可得到任意入射角度和海況下水面艦船目標(biāo)回聲的波形級(jí)信號(hào)，能較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)水面艦船水下聲目標(biāo)強(qiáng)度和方位分布特性，為優(yōu)化與控制水面艦船的聲目標(biāo)強(qiáng)度，分析水面艦艇水聲對(duì)抗的作戰(zhàn)效能，提供了物理基礎(chǔ)，所提出的上述數(shù)值預(yù)報(bào)方法使用較簡(jiǎn)便，結(jié)果直觀。

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A method for predicting far-field target strength of surface ship based on planar elements theory

WANG Ru-hang, LI Bing, WEI Qiang

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, Hubei,China)

A far-field target strength (TS) predicting method of surface ship based on planar elements theory is proposed. First, the equivalent 3D models of the underwater hull and appendages are prepared according to the designed form, and then partitioned to mesh by using planar element theory, then the numerical models of the surface scattering and secondary scattering between appendages are established, and the scattering signal of each planar element is described as a transfer function including amplitude, phase and time delay; finally the far-field TS of surface ship in wave level and its distribution characteristics are achieved by inverse Fourier transforming the plus of the transfer function of each planar element. The availability of the present method is verified via comparing TS of surface ship in different incident directions. As a result, a reliable predicting method for optimizing and controlling the TS of surface ship and for analyzing the operational efficiency of underwater acoustic countermeasure of surface ship is provided.

acoustic target strength; surface ship; prediction method; planar elements model

TP391.9

A

1000-3630(2015)-01-0006-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.01.002

2013-11-01;

2014-02-14

王汝夯(1982－), 男, 河北冀州人, 博士, 工程師, 研究方向?yàn)樗媾灤曤[身。

王汝夯, E-mail: wangruhang@126.com