基于平面陣的潛艇回波亮點結(jié)構(gòu)仿真研究?

潘 明 鄧 偉

（1.海裝駐上海地區(qū)第九軍事代表室 上海 201206）（2.91388部隊94分隊 湛江 524022）

1 引言

潛艇、深潛器、魚雷、水雷等目標(biāo)都有較為復(fù)雜的外形結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外很多學(xué)者對它們的目標(biāo)特性進行了較為深入的研究。國內(nèi)上海交通大學(xué)范軍教授在前人研究的基礎(chǔ)上提出了板塊元建模方法。該方法采用成熟的3D建模軟件對潛艇、深潛器、魚雷、水雷等水下目標(biāo)進行幾何建模，然后用精細(xì)的網(wǎng)格把表面劃分為板塊元，計算每個板塊的散射函數(shù)，再積分得到整個目標(biāo)的散射函數(shù)。該方法建立的模型可以計算潛艇、深潛器、魚雷、水雷等復(fù)雜目標(biāo)的目標(biāo)強度，預(yù)報瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)回波波形。該方法計算精度比較高，計算速度比直接數(shù)值積分法快很多倍。因此在水下復(fù)雜外形結(jié)構(gòu)的目標(biāo)強度計算方面得到了較為廣泛的應(yīng)用。

魚雷是一種常見的水中兵器，作為主戰(zhàn)武器被世界各國海軍所裝備，主要用于打擊敵方的大中型水面艦艇和潛艇，其雷身形狀為圓柱形，頭部為半圓形，以減少魚雷的航行阻力。魚雷尺寸分大、中、小三種，其中以533mm直徑、324mm直徑最為常見。魚雷武器發(fā)射方式多樣化，既可以從水面艦艇、潛艇上發(fā)射，也可以從飛機上發(fā)射。魚雷按照制導(dǎo)方式可以分為自控魚雷、自導(dǎo)魚雷、線導(dǎo)魚雷和復(fù)合制導(dǎo)魚雷。其中自導(dǎo)魚雷，就是通過自身的聲自導(dǎo)系統(tǒng)獲取目標(biāo)的回波信息，解算出目標(biāo)的距離、速度、方位、尺度大小等參數(shù)，然后選擇最優(yōu)方式對目標(biāo)進行攻擊。靶場海上試驗中主要采用潛艇靶標(biāo)模擬潛艇回波特性驗證考核魚雷攻擊水下潛艇的性能，而魚雷自導(dǎo)基陣一般采用平面陣布陣，因此研究潛艇平面陣回波聲亮點結(jié)構(gòu)具有很重要的應(yīng)用價值，對實際工程應(yīng)用及水下靶標(biāo)等效性評估方面有著重要的指導(dǎo)意義。

2 潛艇平面陣回波亮點結(jié)構(gòu)研究方法

魚雷自導(dǎo)基陣是魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)的重要組成部分，安裝在魚雷頭部，主要根據(jù)魚雷雷頭的外形進行布陣。從世界各國裝備的魚雷武器來看，自導(dǎo)基陣主要有平面陣與圓柱面陣兩種布陣形式。由于圓柱面陣制作工藝較為復(fù)雜，自噪聲影響也較大，因此在魚雷自導(dǎo)基陣中應(yīng)用較少，大多數(shù)魚雷自導(dǎo)基陣采用平面陣布局方式。因此本文只研究潛艇平面陣下回波聲亮點結(jié)構(gòu)，圖1是常見的六種魚雷自導(dǎo)平面基陣配置圖。

圖1 魚雷自導(dǎo)平面基陣配置圖

圖2 平面接收陣列坐標(biāo)示意圖

圖2是平面接收陣列坐標(biāo)示意圖，整個平面陣由M×N個換能器組成，x軸方向上的陣元間距為dx，y軸方向上陣元間距為dy，α、β分別表示波束u沿x軸方向上的俯仰角和沿y軸方向上的水平偏角。所有基元位于z=0平面上，它們的坐標(biāo)為

波束方向向量u的表達(dá)式為

圖2平面陣在頻率上形成的時域波束可以表示為

其中，第（m，n）號換能器信號從時間上可以表示為Sm，n（t），波束方向的單位矢量用u表示，t時刻能量強度用 b（t，u）表示，旁瓣能量的大小由ωm，n進行控制，τ（u，m，n）表示時延參數(shù)，在近距離情況下，由于目標(biāo)距離各個換能器的距離存在差異，且這種差異是不能忽略的，因此各個換能器形成的波束u存在時間上的差別。ux表示波束u在x軸上的坐標(biāo)值，uy表示波束u在y軸方向上的坐標(biāo)值，第（m，n）號換能器的坐標(biāo)可以寫成（xm，yn），則時延參數(shù)τ（u，m，n）表達(dá)式為

其中，c表示聲波在水中的傳播速度，b（t，u）是空間變量α、β和時間t的函數(shù)，從中可以提取出目標(biāo)的三維信息。

3 潛艇平面陣回波亮點結(jié)構(gòu)仿真

魚雷自導(dǎo)基陣采用直線陣時，魚雷只能在單平面內(nèi)搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，由于波束在垂直方向上的能量相同，因此是無法有效區(qū)分垂直方向的攻擊目標(biāo)的。為在垂直面內(nèi)能夠測定目標(biāo)的俯仰角，同時提高分辨多目標(biāo)的能力，魚雷自導(dǎo)基陣必須采用平面陣，且在垂直層面的陣列波束越多，對目標(biāo)的分辨能力越強。目前平面陣已廣泛應(yīng)用于超聲成像、魚雷自導(dǎo)等領(lǐng)域。

圖3所示是Benchmark潛艇模型復(fù)雜目標(biāo)與平面陣位置關(guān)系。圖4所示為平面陣所形成波束照射潛艇目標(biāo)視圖。采用半波長布陣的40×40平面陣接收目標(biāo)回波信號。聲源位于平面陣的中心，中心頻率為f0=30kHz，采樣頻率為fs=120kHz，目標(biāo)以45°傾斜方位角朝向平面陣，對40×40平面陣接收到的目標(biāo)回波信號做波束形成運算。得到Benchmark潛艇平面陣回波亮點結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖3 平面陣與Benchmark潛艇目標(biāo)位置關(guān)系

圖4 平面陣所形成波束照射潛艇目標(biāo)視圖

圖5 平面陣獲取的Benchmark潛艇回波聲圖像

由圖5平面陣獲取的Benchmark潛艇回波聲圖像成像中，可以明顯地看出有3個亮點，具體對應(yīng)的位置是Benchmark潛艇模型的頭部、圍殼和尾部。其中頭部、尾部亮點在同一水平面內(nèi)，而圍殼有一定的俯仰角，而且頭部亮點和圍殼亮點在位置上相距更近，這與實際的目標(biāo)模型結(jié)構(gòu)是相匹配的。

4 潛艇回波信號分析

尺度特征是潛艇目標(biāo)回波的重要特征，主要表現(xiàn)為三個方面：目標(biāo)回波的時間展寬，目標(biāo)回波的亮點起伏，目標(biāo)回波空間方位分布。這三個方面對水下目標(biāo)的尺度識別非常重要。下面主要從不同觀察角內(nèi)觀察Benchmark潛艇回波之間的差異性。

仿真距離設(shè)置300m，信號形式為CW、LFM，信號脈寬模擬魚雷近程信號取10ms，以Benchmark潛艇為研究對象，獲得潛艇回波仿真預(yù)報結(jié)果如圖6、7、8所示。

圖6 60°觀察角下潛艇回波仿真預(yù)報

圖7 90°觀察角下潛艇回波仿真預(yù)報

圖8 120°觀察角下潛艇回波仿真預(yù)報

5 結(jié)語

本文研究了平面陣下Benchmark潛艇的回波特性，得到了Benchmark潛艇回波聲亮點圖像，從中可以發(fā)現(xiàn)Benchmark潛艇的回波亮點圖像與目標(biāo)模型的結(jié)構(gòu)是匹配的；對不同觀察角下Benchmark潛艇回波信號進行了仿真預(yù)報，發(fā)現(xiàn)在有些觀察角度下獲得的潛艇回波結(jié)構(gòu)差異性很明顯，尤其是120°觀察角下，這對于實際工程應(yīng)用及水下靶標(biāo)等效性評估中有著一定的指導(dǎo)意義。潛艇屬于機動作戰(zhàn)平臺，基本處于運動狀態(tài)，因此下一步將重點研究運動狀態(tài)下潛艇回波強度的影響因素以及與靜止?fàn)顟B(tài)下的回波特性的差異性分析。