基于亮點模型的潛艇目標回聲過渡特性分析

徐 瑜, 苑秉成, 唐 波

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基于亮點模型的潛艇目標回聲過渡特性分析

徐 瑜, 苑秉成, 唐 波

(海軍工程大學 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033)

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

潛艇; 亮點模型; 回聲強度; 近場; 遠場; 過渡特性

0 引言

目標回波信號是主動自導系統獲取目標特征信息的主要來源。水下目標回波特性的研究以往主要集中在遠場。在遠場條件下, 目標可以近似被看作是一個點或一組點, 目標散射聲場可以看作是點源散射場。然而當魚雷距離目標較近時, 把擴展目標進行這樣的簡化, 對潛艇目標回波描述是不充分的。因此, 研究潛艇目標近、遠場過渡特性對于主動聲納探潛、探測和水聲對抗具有實際意義。

李建魯等人定義了描述目標近場回聲特性的物理量——回聲強度[1-3], 采用板塊元算法計算不同距離情況下的回聲強度值, 從而分析目標的近、遠場過渡規律。理論分析和試驗研究都證明, 在魚雷自導頻率下, 目標回波可近似看成是目標亮點回波相干疊加的結果。

本文基于亮點模型計算了不同距離情況下的回聲強度, 分析了潛艇的近遠場過渡特性, 并與板塊元算法計算回聲強度值分析目標過渡特性進行了對比。

1 目標回波的亮點模型

理論分析和試驗研究都證明, 在魚雷自導頻率下, 任何一個復雜目標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發出的波, 這個散射點就是亮點[4], 它可以是真實的亮點, 也可以是某個等效的亮點。這樣任何一個復雜目標都可以等效成若干個散射亮點的組合。每個散射亮點產生一個亮點回波, 總的回波是這些亮點回波相干迭加的結果。亮點及其強度分布主要由目標外形、表面曲率和材質決定。

亮點目標模型就是把目標看作一組可產生回波的亮點, 對每個亮點采用線性目標模型, 每個亮點的傳遞函數由3個參數表征: 幅度、時延和相位跳變組成, 將這些亮點的回波疊加得到總的回波。單個亮點的傳遞函數為

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

若忽略傳播損失和混響、噪聲的影響可近似為

2 簡單形狀目標亮點強度的計算

對任意凸形物體而言, 其目標強度為

對于潛艇上的固定亮點, 可以認為棱角反射, 其目標強度可以按照椎頂的目標強度計算

有限長柱體的目標強度

對于形狀比較復雜的物體, 可采用板塊元算法計算目標強度[5-6]。

3 潛艇目標建模與分析

3.1 潛艇目標建模

為方便計算, 本文將潛艇目標模擬為幾個簡單形狀目標的組合, 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 潛艇目標亮點分布

實際的潛艇目標, 由于其表面結構和信號方位的關系, 其亮點突出的鏡反射亮點或強亮點主要分布于艇艏、艇體、艦橋和艇艉這些潛艇的大面積部位表面; 其弱亮點與亮點背景則主要分布于這些大面積部位的過渡區表面、小部件棱角以及不確定部位的彈性弱亮點所產生的回波形成。一般潛艇目標大約有3~6個亮點, 為更好模擬潛艇的亮點回波, 亮點數取為5個, 表征了潛艇聲目標強度最大的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, 分別計算各亮點的亮點參數。潛艇目標亮點分布示意圖見圖1。

圖1 潛艇目標亮點分布示意圖

3.3 數值計算與分析

3.3.1 回聲強度的定義與計算

目標強度是一個遠場參數, 它不適用于近場問題。因為在聲學的近場中, 聲壓和聲強隨距離和方位強烈起伏。因此根據近場中一點的聲壓無法推算遠場中的聲壓, 需要一個近場參數描述回聲的強度。為了解決這一問題, 上海交通大學李建魯、范軍等人定義了一個物理量回聲強度[1-3], 即

容易看出, 回聲強度既適合于近場又適合于遠場, 當收發點從近場區域逐步移到遠場區時, 回聲強度平滑過渡到目標強度, 因此回聲強度可以用于描述目標過渡規律。

經過反變換得到回波信號

則基于亮點模型的目標回聲強度為

3.3.2 仿真結果與分析

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

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

從圖中還可以看出, 潛艇目標散射場存在明顯的近場區和遠場區, 當過渡到遠場時, 回聲強度與目標強度等同, 且在正橫情況下的目標強度要遠高于艇艏艉情況下的目標強度; 此外, 在正橫情況下目標回聲從近場向遠場過渡的臨界距離明顯高于艇艏艉情況下的臨界距離, 主要是因為正橫情況下的散射截面大于艏艉情況下的散射截面。通過計算可知, 基于亮點回波計算回聲強度比板塊元計算回聲強度省時、高效。

圖2 艇艏照射時回聲強度值隨距離變化曲線(q=0°)

圖3 正橫照射時回聲強度值隨距離變化曲線(q=90°)

4 結束語

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

[1] 李建魯, 范軍, 湯渭霖. 水下簡單形狀目標回聲的近遠場過渡特性[J]. 上海交通大學學報, 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. 水下目標近場回聲特性及其聲圖像[D]. 上海: 上海交通大學, 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. 水下復雜形狀目標回聲的過渡特性[J]. 上海交通大學學報, 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, 聲納目標回波的亮點模型[J]. 聲學學報, 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. 一種改進的板塊元目標回聲計算方法[J]. 海軍工程大學學報, 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.

[6] Gordon W B. Far Field Approximations of the Kirchhoff- Helmholtz Representation of Scattered Fields[J]. IEEE Tran- sactions on Antennas and Propagation, 1975, 23(5): 864-876.

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, 主要研究方向為軍用目標特性與制導技術.

(責任編輯: 楊力軍)