基于板塊元法的魚雷聲散射特性分析

曹 浩, 樊書宏, 周 晶

基于板塊元法的魚雷聲散射特性分析

曹 浩, 樊書宏, 周 晶

(中國船舶集團有限公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

針對新型反魚雷裝備對來襲魚雷聲探測的需求, 開展了魚雷物理結構體的高頻聲散射特性建模及仿真研究。利用板塊元理論, 建立了魚雷目標結構模型, 研究了魚雷聲散射特性分析計算方法, 分析了魚雷目標聲散射強度, 給出了魚雷散射強度隨聲信號入射方位的變化特性。在此基礎上, 分析了魚雷目標聲散射亮點特征, 仿真得到了魚雷目標聲散射亮點的時域及空間分布特性。研究結果可為反魚雷裝備精確探測提供參考。

反魚雷; 聲散射特性; 板塊元; 亮點特征

0 引言

魚雷是海上作戰(zhàn)平臺的重要威脅之一[1], 為了消除魚雷威脅, 需要對其聲散射特性進行深入研究, 以便更好地發(fā)展新型反魚雷技術。目前水下目標聲散射特性的研究多集中于艦艇目標[2], 魚雷目標聲散射特性相關研究的可見資料不多, 且模型較為簡單[4]。

目前對水下目標回聲特性的計算研究方法主要有3類。一是數(shù)值積分法[5], 該類方法從聲學波動方程入手, 可以解算出任意復雜形狀目標的散射聲場, 主要包括有限單元法、邊界元法和板塊元法等; 二是由湯渭霖提出的亮點模型法[8-9], 該方法將目標分解等效為數(shù)個簡單形狀的子模塊, 可以快速解算出目標回聲特性; 三是試驗實測法, 即對實際目標的回聲特性進行精確測量, 以分析得到目標聲散射特性。這些方法中, 有限元和邊界元類算法計算精度較高, 但算法需要求解表面積分方程, 解算速度慢, 一般僅局限于低頻信號分析情況, 難以適用于高頻環(huán)境; 亮點模型法運算速度快, 但計算誤差相對較大, 對于小目標的計算精度欠佳, 難以精確擬合; 試驗實測法會受到環(huán)境的干擾, 且試驗過程復雜、試驗費用高昂。而板塊元法是研究水下目標聲散射特性的重要方法[10], 其基于基爾霍夫(Kirchhoff)近似, 通過面元劃分將目標表面離散化, 能夠最大程度擬合目標, 可以較好地應用于高頻場景, 對于小目標具有較高的計算精度和計算效率。

由于板塊元法不僅兼顧計算精度和速度, 而且可以較好地適用于小目標和高頻信號等應用場景, 因此文中利用板塊元法建立魚雷目標模型, 仿真計算了魚雷目標聲散射特性, 全方位分析了魚雷聲散射強度的空間分布特性, 并在此基礎上, 提取魚雷目標聲散射亮點時域及空間分布特征。

1 基于板塊元法的魚雷目標建模

1.1 板塊元法原理

板塊元法是用若干板塊元平面來擬合目標復雜表面, 通過計算每個面元的散射聲場, 得到目標的近似散射聲場[11]。

將每個面元的散射聲場求和即可得到目標的近似散射聲場

最后可得目標強度為[12]

1.2 目標表面建模及網(wǎng)格劃分

利用UG對典型魚雷目標進行三維建模, 目標長度2.8 m, 直徑324 mm, 為典型的輕型魚雷。與艦艇目標相比, 艦艇結構尺寸大、表面相對平坦, 而魚雷目標結構尺寸小、表面曲率大。因此, 魚雷目標需要劃分的面元更精細, 以便更好擬合目標的表面模型。采用有限元及圣維南原理進行網(wǎng)格劃分[13], 在兼顧計算精度的前提下保證運算速度, 選擇網(wǎng)格類型為三角形, 且對關注區(qū)域進行局部細分。對于魚雷雷體的平滑區(qū)域, 劃分網(wǎng)格的平均尺寸為15 mm, 對于舵面以及其他非光滑平面的交界處, 劃分網(wǎng)格的平均尺寸為3 mm, 共劃分105850個面元。這些都遠高于艦艇目標一般采用的10～50 cm的板塊元網(wǎng)格劃分精度。目標建模及網(wǎng)格劃分示意圖如圖1所示。

圖1 魚雷模型及網(wǎng)格劃分示意圖

將劃分好的網(wǎng)格模型置于全局坐標空間下, 以魚雷目標幾何中心為原點、中軸線為軸建立坐標系, 根據(jù)模型實際尺寸分析計算網(wǎng)格節(jié)點的坐標信息, 并建立網(wǎng)格面與節(jié)點的映射關系。

1.3 面元空間轉換

圖2 空間面元及坐標轉換

面元轉換的流程如下:

3) 構建一次旋轉矩陣

5) 構建二次旋轉矩陣

1.4 面元遮擋判別

利用板塊元法對目標模型的表面進行離散化近似, 僅考慮在聲波某入射方位下有貢獻的聲亮區(qū)面元的聲散射強度之和, 即得到該方位下目標的聲散射強度, 其中定義法向量朝向聲波入射方位的離散面元為聲亮區(qū)面元[14]。但對于復雜目標, 其表面并非簡單的凸光滑面, 會存在面元間的相互遮擋, 而傳統(tǒng)的板塊元法并未考慮這一現(xiàn)象。因此在仿真計算中需要考慮被遮擋的面元, 去除其對目標回波計算的影響。

判斷遮擋需要對聲亮區(qū)的所有面元進行兩兩判別, 且為了減少計算量, 僅對處于聲亮區(qū)的面元進行遮擋判別。圖3為判別聲亮區(qū)面元和面元遮擋關系的示意圖。

圖3 面元遮擋示意圖

首先判斷面元中心點到空間觀測點的向量所在直線是否與面元相交, 如果有交點則判定面元和會發(fā)生遮擋, 否則不會。然后判斷面元中心點到空間觀測點的向量與面元中心點到面元中心點的向量夾角, 如果小于90°, 則判定面元被遮擋, 否則面元被遮擋。

2 魚雷聲散射特性分析

2.1 聲散射特性計算

圖4 面元遮擋判別流程圖

2.2 聲散射亮點空間分布特征分析

對于特定入射探測信號, 利用回波時延相關公式可以分別計算雷體上所有面元對入射信號的聲反射回波信號, 雷體上局部回波信號相對較強的區(qū)域會形成聲散射亮點。通過分析回波信號, 可以提取雷體上聲散射亮點的空間分布特征。

圖5 亮點空間特性提取示意圖

其中

3 仿真計算與分析

3.1 魚雷聲散射強度仿真計算

仿真選取探測頻率為10～100 kHz的聲波信號, 探測點繞魚雷目標幾何中心順時針旋轉360°, 其中0°正對目標模型的頭部端面, 180°正對目標模型的尾部。假設魚雷目標為完全剛性體, 不考慮頭部內(nèi)部精細結構模型和外部硫化橡膠的影響。

根據(jù)以上情況對魚雷目標的全方位聲散射強度進行仿真, 仿真結果如圖6所示。選取典型頻段下的仿真結果如圖7所示。不同頻率下魚雷頭部端面和正橫方向的聲散射強度變化趨勢如圖8和圖9所示。

圖6 多頻段探測下魚雷模型聲散射強度(10～100 kHz)

圖7 典型頻段下魚雷模型聲散射強度

圖8 不同頻率下魚雷頭部端面(0°)方向聲散射強度變化趨勢

從圖6和圖7的仿真結果可以看出, 魚雷目標的聲散射強度在不同探測角度下具有很強的指向性, 其中在0°、90°和270°附近方位上出現(xiàn)峰值,這3處方位位置分別對應目標的頭部端面、左側正橫方向和右側正橫方向(從魚雷目標頭部方向看去), 這與典型圓柱形水下目標的目標強度蝶形圖相吻合[4,18,20]。

圖9 不同頻率下魚雷正橫(90°)方向聲散射強度變化趨勢

根據(jù)圖6的仿真結果得出, 隨著探測信號頻率的增加, 魚雷聲散射強度的指向性有所增強; 由圖8的仿真結果得出, 魚雷頭部端面方向(0°)的聲散射強度隨探測頻率的增加而增大, 與文獻[4]中給出的研究結論相一致, 但魚雷聲散射強度的最大值仍出現(xiàn)于正橫方向。對于正橫方向, 如圖9所示, 聲散射強度隨著探測頻率的不同呈現(xiàn)出一定變化, 這也與文獻[21]中給出的水中目標聲散射特性研究的相關結論一致。

綜上所述, 探測方位對魚雷的聲散射強度具有很大影響, 探測頻率對魚雷的聲散射強度存在影響, 魚雷聲散射強度的最大值出現(xiàn)在正橫方向。

3.2 魚雷亮點特征仿真結果與分析

綜合考慮計算精度和計算速度的情況下, 結合3.1節(jié)相關結論對魚雷亮點特征進行仿真, 為了使仿真計算所構建的魚雷亮點特征能夠在時域和空域中有效分辨出來, 文中選取仿真探測信號為短單脈沖信號。分別選取方位角為0°、60°、90°和150°共4個典型探測方位下目標空域亮點的分布情況, 如圖10所示, 其中為了清晰直觀地顯示出亮點特征, 圖中結果未顯示較小強度的回波。

分析圖10仿真結果可得:

1) 在一定方位角下, 魚雷目標存在亮點特征, 且隨著方位角的改變, 目標亮點的位置也會發(fā)生變化;

圖10 魚雷目標亮點空間分布

2) 在0°方位角時, 觀測點正對魚雷頭部端面, 只存在一個亮點, 且亮點來自于頭部端面, 與該方位角下的觀測特征相吻合;

3) 在60°方位角時, 魚雷頭部朝向觀測點, 因此在頭部出現(xiàn)了較強的亮點, 同時由圖10(b)可得, 目標的體段和尾部也出現(xiàn)了亮點特征, 且尾部其中一個亮點分布于轉向舵面處;

4) 在90°方位角時, 觀測點正對魚雷正橫方向。從圖10(c)可以看出, 在尾部方向舵附近回波強度最強, 此外目標體段和頭部也存在較強回波, 符合該方位角下的觀測特征;

5) 在120°方位角時, 存在2處較強的回波密集區(qū)域, 可視為聲散射亮點。從分布圖可以看出, 亮點主要分布于魚雷頭部和尾部, 且尾部亮點的范圍更大;

6) 綜合分析各個方位角的仿真結果, 當方位角分別頭尾兩端向中間正橫方向變化時, 目標頭部的亮點會逐漸向體段移動。

4 結束語

文中基于板塊元法對魚雷目標的聲散射強度進行了仿真計算, 得出了魚雷的聲散射強度隨聲信號入射方位的變化特性。并在此基礎上, 分析了魚雷目標聲散射亮點特征, 仿真得到了魚雷目標聲散射亮點的時域及空間分布特性。仿真結果表明, 基于板塊元的仿真分析方法能夠有效運用于魚雷目標聲散射特性的計算, 其結果可以反映魚雷聲散射強度的變化及聲散射亮點的空間分布特征。研究結果可對水下新型反魚雷裝備有效探測和魚雷目標跟蹤提供參考。

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Analysis of Acoustic Scattering Characteristics of a Torpedo Based on Planar Elements Method

CAO Hao, FAN Shu-hong, ZHOU Jing

(The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an 710077, China)

To meet the demand for new anti-torpedo equipment for acoustic detection of incoming torpedoes, modeling and simulation of high-frequency acoustic scattering characteristics of torpedo physical structures are performed. A structural model of the torpedo target is established based on the planar element method. The analysis and calculation methods of the acoustic scattering characteristics of the torpedo are studied, and the acoustic scattering strength of the target is determined. In addition, the variation in the scattering strength of the torpedo with the direction of the acoustic signal is investigated. On this basis, the highlight features of the torpedo target are analyzed, and the temporal and spatial distribution of the highlight is obtained using simulation. The research results provide a reference for the accurate detection of anti-torpedo equipment.

anti-torpedo; acoustic scattering characteristics; planar element method; highlight feature

曹浩, 樊書宏, 周晶. 基于板塊元法的魚雷聲散射特性分析[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2022, 30(2): 184-189.

TJ631.2;U666.7

A

2096-3920(2022)02-0184-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.02.007

2021-06-08;

2021-07-20.

水下測控技術重點實驗室基金項目(6142407200207).

曹 浩(1997-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為聲自導信號處理技術.

(責任編輯: 許 妍)