水下目標(biāo)空間尺度回波特征對(duì)體目標(biāo)模擬的影響

謝志強(qiáng)，鄧 偉，潘 明

(中國人民解放軍 91388部隊(duì)93分隊(duì)， 廣東 湛江 524022)

水下目標(biāo)空間尺度回波特征對(duì)體目標(biāo)模擬的影響

謝志強(qiáng)，鄧 偉，潘 明

(中國人民解放軍 91388部隊(duì)93分隊(duì)， 廣東 湛江 524022)

為了研究水下目標(biāo)空間尺度回波特征對(duì)魚雷近距離目標(biāo)模擬識(shí)別的影響，采用三維數(shù)字建模軟件UG，依據(jù)現(xiàn)有典型水下目標(biāo)尺寸，建立了四種不同比例尺寸的水下目標(biāo)三維模型及水下尺度目標(biāo)等效三維模型，結(jié)合成熟的板塊元方法通過模擬魚雷近程自導(dǎo)信號(hào)，獲得了不同空間尺度目標(biāo)模型的回波特征。對(duì)不同空間尺度目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行分析，可對(duì)魚雷目標(biāo)識(shí)別技術(shù)提供理論依據(jù)，對(duì)改進(jìn)水下目標(biāo)空間尺度特性模擬具有重要的借鑒和指導(dǎo)作用。

板塊元方法；目標(biāo)識(shí)別；近程回波；空間尺度特性模擬

近年來隨著潛艇隱身技術(shù)的成熟和減振降噪技術(shù)應(yīng)用，潛艇的回波強(qiáng)度和噪聲取得了突破性進(jìn)展，這使得被動(dòng)聲吶和魚雷被動(dòng)自導(dǎo)反潛幾乎喪失了優(yōu)勢(shì)，只能考慮采用主動(dòng)聲自導(dǎo)方式。但消聲技術(shù)的使用也使?jié)撏У哪繕?biāo)強(qiáng)度有較大的降低，從而大大影響到魚雷自導(dǎo)的有效作用距離和識(shí)別概率。與此同時(shí)，隨著誘餌技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，出現(xiàn)了可以很好地模擬潛艇的聲學(xué)特征、機(jī)動(dòng)特征及尺度特征等自航式尺度聲誘餌，這進(jìn)一步增大了魚雷捕獲及識(shí)別目標(biāo)真、假的難度。魚雷在反潛方面具有舉足輕重的地位，采用魚雷導(dǎo)引彈道下目標(biāo)回聲特性[1-2]，預(yù)報(bào)魚雷對(duì)潛艇目標(biāo)實(shí)施準(zhǔn)確探測(cè)、定位、跟蹤以及最終命中目標(biāo)，關(guān)鍵是在魚雷末程對(duì)抗聲誘餌、正確識(shí)別潛艇目標(biāo)及其要害部位。

目前點(diǎn)源或線尺度模擬目標(biāo)難以有效考核魚雷是否能正確識(shí)別潛艇目標(biāo)及其要害部位，采用實(shí)際潛艇又受安全因素的影響較大，因此采用水下無人實(shí)體目標(biāo)用于考核魚雷對(duì)潛艇目標(biāo)及其要害部位的識(shí)別是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。在進(jìn)行水下無人實(shí)體目標(biāo)的建設(shè)過程中，需要充分考慮建設(shè)目標(biāo)的外形結(jié)構(gòu)以及尺寸選型，避免因建設(shè)目標(biāo)尺度過小無法滿足魚雷近程識(shí)別所需的尺度要求，又避免因建設(shè)目標(biāo)尺度太大而增加經(jīng)費(fèi)及保障難度。

魚雷近程對(duì)目標(biāo)尺度識(shí)別所需水下目標(biāo)空間尺度要求，可以通過水下目標(biāo)空間尺度回波特性[1]仿真預(yù)報(bào)解決。

1 水下目標(biāo)空間尺度建模

水下無人實(shí)體目標(biāo)主要是模擬水下潛艇的聲學(xué)特性，本文選取標(biāo)準(zhǔn)的Benchmark潛艇模型作為研究對(duì)象，參照國內(nèi)外典型發(fā)展模式，利用3D建模軟件[3]建立了四種不同外形比例尺寸(15 m、30 m、50 m、62 m)Benchmark潛艇三維數(shù)字模型及水下尺度目標(biāo)等效模型(按照潛艇亮點(diǎn)模型[4]進(jìn)行建立)尺寸，見圖1～3。

圖1 Benchmark潛艇尺寸圖

圖2 不同比例模型示意圖

圖3 水下尺度目標(biāo)等效模型

2 目標(biāo)回波特征分析

目標(biāo)回波是入射波和目標(biāo)相互作用產(chǎn)生的，即目標(biāo)回波是目標(biāo)對(duì)入射波的調(diào)制結(jié)果。一般地，從波形及其他特征來說，回波與入射波是有差別的。人們利用這種差別可以檢測(cè)目標(biāo)和識(shí)別目標(biāo)。

2.1 目標(biāo)回波主要特征

目標(biāo)回波主要有如下特征[5]：多普勒頻移特征、目標(biāo)結(jié)構(gòu)和外形特征、調(diào)制效應(yīng)、頻域上的共振峰或目標(biāo)極點(diǎn)、目標(biāo)參量的漸變特征、距離延伸或持續(xù)時(shí)間的擴(kuò)展。人們充分利用目標(biāo)這些主要特征可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和分類。

2.2 目標(biāo)回波的貢獻(xiàn)

目標(biāo)回波與入射信號(hào)相比，回波是一個(gè)被拖長(zhǎng)了的信號(hào)，其持續(xù)時(shí)間取決于目標(biāo)沿徑向距離方向上的長(zhǎng)度。當(dāng)水下目標(biāo)的回波是由所有沿目標(biāo)分布的散射體和反射體產(chǎn)生時(shí)，則目標(biāo)整個(gè)面積或體積對(duì)回波有貢獻(xiàn)。若入射方向?yàn)棣罷，目標(biāo)徑向距離延伸為lT，則回波時(shí)間擴(kuò)展量為

TL=2lTcosαT/c

(1)

這種回波拖長(zhǎng)是由復(fù)雜目標(biāo)上許多散射體對(duì)入射波的散射形成的。

2.3 目標(biāo)尺度估計(jì)

目標(biāo)尺度估計(jì)是建立在目標(biāo)參數(shù)估計(jì)基礎(chǔ)上的。數(shù)字信號(hào)處理和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得對(duì)目標(biāo)不同部位回波的時(shí)延、方位的精確估計(jì)算法得以實(shí)現(xiàn)，為目標(biāo)尺度識(shí)別奠定了基礎(chǔ)。

目標(biāo)尺度估計(jì)的理論基礎(chǔ)是物理學(xué)。目標(biāo)尺度估計(jì)的方法很多，對(duì)于不同的尺度估計(jì)目標(biāo)，應(yīng)用的方法也有很大的區(qū)別。一類是為了識(shí)別目標(biāo)的真假；另一類是為了命中目標(biāo)的要害部位等。

2.4 潛艇目標(biāo)回波特征分析

潛艇目標(biāo)回波中主要表現(xiàn)為三個(gè)重要的尺度特征：目標(biāo)回波的時(shí)間展寬、目標(biāo)回波的亮點(diǎn)起伏、目標(biāo)回波的空間方位分布。這三個(gè)特征是目標(biāo)尺度識(shí)別賴以依靠的重要特征。

魚雷利用目標(biāo)回波上的差異性能夠把兩個(gè)或兩個(gè)以上目標(biāo)加以區(qū)分。本文主要采用板塊元方法[6]研究目標(biāo)空間尺度回波差異的不同對(duì)魚雷目標(biāo)識(shí)別能力的影響。

3 目標(biāo)空間尺度模型回波仿真

水下目標(biāo)回波與魚雷來襲方位密切相關(guān)，水下潛艇目標(biāo)具有對(duì)稱性，因此只研究0°～180°方位角的目標(biāo)回波，魚雷不同弦角攻擊目標(biāo)潛艇示意圖見圖4。為了更好地分析各個(gè)方位角的目標(biāo)回波，本文中只選取0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°七個(gè)方位角度進(jìn)行研究，分別對(duì)不同比例潛艇模型(15 m、30 m、50 m、62 m)進(jìn)行回波仿真[7]，其仿真結(jié)果分別見如圖5～圖11所示，圖中右側(cè)標(biāo)注了潛艇模型的縱向尺寸。水下尺度目標(biāo)等效模型0° ～180° CW-20ms入射目標(biāo)回波信號(hào)如圖12所示。

圖4 魚雷不同弦角攻擊目標(biāo)潛艇示意圖

1) 模擬魚雷信號(hào)形式及信號(hào)入射狀態(tài)

頭部0°入射，信號(hào)形式：CW信號(hào)；脈寬：20 ms。

圖5 不同尺寸模型0°入射CW-20 ms目標(biāo)回波信號(hào)

分析總結(jié)：當(dāng)從目標(biāo)頭部入射時(shí)，不同尺寸模型的回波信號(hào)包絡(luò)具有很大差異，小尺寸模型回波信號(hào)包絡(luò)間隔很小甚至出現(xiàn)重疊，大尺寸模型回波信號(hào)包絡(luò)時(shí)延長(zhǎng)，隨著尺寸增大，其時(shí)延間隔有相應(yīng)增大趨勢(shì)。

2) 模擬魚雷信號(hào)形式及信號(hào)入射狀態(tài)

頭部30°入射，信號(hào)形式：CW信號(hào)；脈寬：20 ms。

分析總結(jié)：從目標(biāo)弦角30°入射時(shí)，不同尺寸模型的回波信號(hào)包絡(luò)差異性不大，隨著尺寸的增大，回波信號(hào)包絡(luò)長(zhǎng)度有較小的增大。

3) 模擬魚雷信號(hào)形式及信號(hào)入射狀態(tài)

頭部60°入射，信號(hào)形式：CW信號(hào)；脈寬：20 ms。

分析總結(jié)：從目標(biāo)弦角60°入射時(shí)，不同尺寸模型的回波包絡(luò)寬度沒有明顯差異，回波信號(hào)包絡(luò)起始時(shí)刻隨著尺寸的增大，回波信號(hào)包絡(luò)起始時(shí)刻延后。

4) 模擬魚雷信號(hào)形式及信號(hào)入射狀態(tài)

頭部90°入射，信號(hào)形式：CW信號(hào)；脈寬：20 ms。

圖6 不同尺寸模型30°入射CW-20 ms目標(biāo)回波信號(hào)

圖7 不同尺寸模型60°入射CW-20 ms目標(biāo)回波信號(hào)

分析總結(jié)：從目標(biāo)弦角90° 入射時(shí)，不同尺寸模型的回波包絡(luò)寬度沒有明顯差異，回波信號(hào)包絡(luò)起始時(shí)刻隨著尺寸的增大，回波信號(hào)包絡(luò)起始時(shí)刻較目標(biāo)弦角60° 入射延后要小。

5) 模擬魚雷信號(hào)形式及信號(hào)入射狀態(tài)

頭部120°入射，信號(hào)形式：CW信號(hào)；脈寬：20 ms。

分析總結(jié)：從目標(biāo)弦角120°入射時(shí)，不同尺寸模型的回波包絡(luò)寬度沒有明顯差異，回波信號(hào)包絡(luò)起始時(shí)刻隨著尺寸的增大，回波信號(hào)包絡(luò)起始時(shí)刻同目標(biāo)弦角60°入射相差不大。

圖8 不同尺寸模型90°入射CW信號(hào)20 ms目標(biāo)回波信號(hào)

圖9 不同尺寸模型120°CW-20 ms入射目標(biāo)回波信號(hào)

6) 模擬魚雷信號(hào)形式及信號(hào)入射狀態(tài)

頭部150°入射，信號(hào)形式：CW信號(hào)；脈寬：20 ms。

分析總結(jié)：從目標(biāo)弦角150°入射時(shí)，不同尺寸模型的回波信號(hào)包絡(luò)具有較大差異，小尺寸模型回波信號(hào)包絡(luò)間隔很小甚至出現(xiàn)重疊，大尺寸模型回波信號(hào)包絡(luò)時(shí)延長(zhǎng)，隨著尺寸增大，其回波包絡(luò)寬度有增大趨勢(shì)。

7) 模擬魚雷信號(hào)形式及信號(hào)入射狀態(tài)

頭部180°入射，信號(hào)形式：CW信號(hào)；脈寬：20 ms。

分析總結(jié)：從目標(biāo)弦角180°入射時(shí)，不同尺寸模型的回波包絡(luò)寬度沒有明顯差異，回波信號(hào)包絡(luò)起始時(shí)刻隨著尺寸的增大，回波信號(hào)包絡(luò)起始時(shí)刻有較小的時(shí)延。

8) 模擬魚雷信號(hào)形式對(duì)水下尺度目標(biāo)等效模型回波仿真

以頭部為起始0°點(diǎn)，開始從0° ～180°每隔30°遞增入射，信號(hào)形式：CW信號(hào)；脈寬：20 ms。

圖10 不同尺寸模型150°CW-20 ms入射目標(biāo)回波信號(hào)

圖11 不同尺寸模型180° CW-20 ms入射目標(biāo)回波信號(hào)

分析總結(jié)：對(duì)水下尺度目標(biāo)等效模型從目標(biāo)弦角0° ～180°每隔30°遞增入射信號(hào)，其回波信號(hào)包絡(luò)同水下潛艇模型回波信號(hào)包絡(luò)有較大差別，水下尺度目標(biāo)等效模型回波信號(hào)包絡(luò)分段數(shù)量多，其回波信號(hào)包絡(luò)總寬度長(zhǎng)。要讓水下尺度目標(biāo)等效模型其回波信號(hào)能夠逼真地模擬水下潛艇回波信號(hào)需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過回波預(yù)報(bào)和水下目標(biāo)亮點(diǎn)模型驗(yàn)?zāi)8-10]逐漸優(yōu)化逼近。

圖12 水下尺度目標(biāo)等效模型0° ～180° CW-20 ms入射目標(biāo)回波信號(hào)

4 結(jié)論

通過研究不同比例潛艇模型仿真結(jié)果可知，不同縮比模型在0°附近(正對(duì)頭部)及150°入射時(shí)回波信號(hào)差異比較大，分析引起這種現(xiàn)象的原因是由于模型的外形結(jié)構(gòu)所造成，在0°附近(正對(duì)頭部)時(shí)可以近似為球體反射，在150°是由于艇體與尾部結(jié)合部位所引起，在其它方位角時(shí)不同縮比模型的回波信號(hào)從時(shí)域上分析差異性不大。因此，在建立水下無人實(shí)體目標(biāo)替代真實(shí)的潛艇作為考核目標(biāo)時(shí)，對(duì)于非智能魚雷考核時(shí)目標(biāo)的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要，而對(duì)于智能魚雷考核時(shí)目標(biāo)的尺寸大小至為關(guān)鍵。

本文采用魚雷近程自導(dǎo)信號(hào)從不同入射角對(duì)目標(biāo)進(jìn)行入射，對(duì)其回波特征分別進(jìn)行了分析，對(duì)于水下無人實(shí)體目標(biāo)的建設(shè)的外形結(jié)構(gòu)以及尺寸選型具有重要意義，避免了因尺寸選取過小而達(dá)不到魚雷考核戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)，又為在滿足魚雷考核要求的前提下盡可能選取小的尺寸提供了理論基礎(chǔ)。

[1] 鄧偉，王斌，童韞哲.目標(biāo)亮點(diǎn)回波精細(xì)特征在魚雷自導(dǎo)中的應(yīng)用[J].聲學(xué)技術(shù),2014,33(5)：17-20.

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[3] 范軍，萬琳，湯渭霖.基于3DS MAX建模的水中目標(biāo)強(qiáng)度計(jì)算[J].聲學(xué)技術(shù)，2000，19(4):203-207.

[4] 湯渭霖.聲吶目標(biāo)回波的亮點(diǎn)模型[J].聲學(xué)學(xué)報(bào),1994,19(2):93-100.

[5] 周德善，李志舜，朱邦元.魚雷自導(dǎo)技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

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[8] 白峻，申曉紅，王海燕，等.水下小尺度目標(biāo)寬帶亮點(diǎn)回波建模及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].魚雷技術(shù)，2008,16(5):42-45.

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(責(zé)任編輯周江川)

InfluenceonEchoFeatureofUnderwaterTargetsSpaceDimensionstoTargetSimulateRecognition

XIE Zhiqiang, DENG Wei, PAN Ming

(The No. 91388thTroop of PLA, Zhanjiang 524022, China)

In order to study the influence on echo feature of underwater targets space dimensions to torpedo target simulate recognition in distance, four different scale underwater target 3D model and underwater scale target equivalent dimensions 3D model were established by 3D digital modeling software UG. The echoes feature of different space dimension targets was obtained by the plate element method and simulating short-range torpedo homing signal, and otherness of these echoes was used by torpedo for target recognition. The results provide theoretical for torpedo target recognition technology and for for improving the design of underwater target space dimension.

the planar element method; target recognition; near-field echo; echo feature of space dimension

2017-06-04；

2017-07-10

謝志強(qiáng)(1979—)，男，碩士研究生,工程師，主要從事水下目標(biāo)特性模擬技術(shù)研究。

裝備理論與裝備技術(shù)

10.11809/scbgxb2017.11.005

本文引用格式：謝志強(qiáng)，鄧偉，潘明. 水下目標(biāo)空間尺度回波特征對(duì)體目標(biāo)模擬的影響[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(11):21-25.

formatXIE Zhiqiang, DENG Wei, PAN Ming.Influence on Echo Feature of Underwater Targets Space Dimensions to Target Simulate Recognition[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):21-25.

TJ610.1

A

2096-2304(2017)11-0021-05