魚雷面尺度靶標模型的創建及工程實現方案*

武鶴龍 蔣楚鷗

(91388部隊第93分隊 湛江 524022)

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魚雷面尺度靶標模型的創建及工程實現方案*

武鶴龍 蔣楚鷗

(91388部隊第93分隊 湛江 524022)

論文用分布在縱橫雙維尺度的、具有不同加權系數的聲反射亮點模擬潛艇目標的面尺度特性,基于模擬目標潛艇的聲反射特性和聲傳播原理,構建了面尺度靶標模型,并詳細闡述了幾種不同類型的典型面尺度靶標在工程應用中的實現方案。為尺度靶標的進一步發展提供了有力的理論依據。

面尺度; 靶標; 模型; 工程方案

Class Number TN95

1 引言

目前,國內多數水下靶標模擬的是潛艇點目標,或是只模擬橫向潛艇艇體的線性尺度靶標,而忽略了縱向維度的圍殼尺度對聲信號的反射特性。在高頻情況下,任何一種目標的回波都是由若干個子波回波疊加而成。每個子波可以看做是目標某個散射點發出的波,這個散射點就是亮點(high light)。一般情況下,潛艇目標的反射回波由幾個主要的強反射子回波組成,主要的反射子回波一般為艇體、圍殼體大面積光滑部分的回波,圍殼和艇體相接處及艇首艇尾突出處的棱角反射回波。圍殼體的聲反射特性對回波信號的各項參數,特別是目標的橫向、縱向維度的方位走向具有相當程度的影響。本文就用具有不同加權系數的雙維聲反射亮點模擬潛艇目標的面尺度特性,構建面尺度靶標模型,并詳細闡述幾種不同類型的典型面尺度靶標在實際工程應用中的實現方案。

2 魚雷面尺度靶標建模

對于潛艇等較大型的魚雷目標來說,由于其具有一定的尺度,產生的反射回波信號源于一個在距離和方位上有一定分布的延展體。這個延展體可以近似等效于在空間上有一定分布的若干個“點”目標之和,對于尺度靶標來說,叫做點源,或亮點。面尺度靶標模型模擬的是潛艇目標橫向、縱向雙維尺度上的聲反射特性。

潛艇的主要構成是橫向橢球形的艇體和縱向橢柱形圍殼,形成縱橫垂直交叉的主體外形結構,在魚雷入射聲信號大面積覆蓋時,潛艇聲目標回波信號強亮點主要集中在曲率較大、外形陡峭的艇體和圍殼的軸向區域,所以其回波特性可用縱橫雙維的面尺度靶標亮點表征。如圖1所示。

圖1 面尺度靶標雙維亮點回波模型示意圖

在圖1中,在雙維面尺度靶標上建立由橫向艇體部分和縱向圍殼部分構成的X-Y平面坐標系,根據實際的潛艇回波信號測量以及潛艇目標的表面結構和信號反射等信息得知,聲源亮點有強反射亮點和弱散射亮點之分,其中,艇體和圍殼的雙層結構、突出部位、棱角、彈性材料等產生的是強度較弱的回波信號,屬于弱散射亮點,而分布在艇體和圍殼的軸向區域的突出或顯要部位則屬于強反射亮點之列。其亮點突出的鏡反射亮點或強亮點主要分布于艇體艏部、前部、中部、后部、艉部和圍殼這些大面積且突出顯要的部位[1],根據實測的潛艇回波信號,其強反射亮點的個數約為2～11個,這主要取決于測量點和潛艇的相對方位以及潛艇的結構材料。結合實測結果與潛艇的突出顯要部位來考慮,模擬潛艇目標的面尺度靶標可設置6個強反射亮點,分別模擬潛艇目標橫向艇體的艏部、前部、中部、后部、艉部以及縱向圍殼的大面積反射區域[2]。由于對魚雷和聲納的探測而言,弱亮點的散射信號強度小,結構不易識別,難以從環境噪聲中較準確的分辨,所以,面尺度靶標主要模擬的是潛艇目標的強亮點反射特性,而其尺度特性則是由橫縱雙維的強亮點結構來模擬。實際情況下,圍殼的位置一般在距離艇艏1/3至2/5處,因此,縱向亮點的位置應該參照設置。

面尺度聲靶供靶過程中,魚雷的應答信號受水聲環境等因素影響,主要發生多普勒頻移、時間的延遲和壓縮展寬、幅度的衰減等變化[3]。假定魚雷發射脈沖信號為f(t),則信號到達亮點i時為

(1)

式(1)中τi1表示入射過程的時間延遲,ωi1表示入射過程的頻率變化(多普勒頻移),TL表示聲傳播損失,一般包括波陣面擴展衰減和聲吸收衰減兩部分[4]。

R0與海區深度有關,一般為10倍海深[5]。

亮點i反射的聲波經過時間τ2到達魚雷,假設亮點i的目標強度為TSi,則魚雷接收到目標亮點i的反射回波信號為

(2)

式(2)中τi2表示亮點i反射過程的時間延遲,ωi2表示反射過程回波信號的頻率變化(多普勒頻移)[6]。

面尺度靶標回波為其所有亮點回波的疊加,因此總的回波為

·f(t+τi1+τi2)·ej(ωi1+ωi2)

(3)

當然,橫向亮點和縱向亮點的回波信號可以依照上式分開來算,即先各自算出橫向N個亮點和縱向M個亮點的回波信號,再將兩部分矢量疊加,即可得到總的回波信號[7]。

3 魚雷面尺度靶標工程實現方案

在水下靶標系統研究中,要實現潛艇橫向艇體和徑向圍殼的雙維面尺度模擬,主要解決的問題是如何用若干個收發換能器以一定的布局方式形成面尺度基陣。

3.1 換能器布局方案

1) 橫向尺度和徑向尺度均用N收N發的換能器布局模式。

如圖2所示。在此種模式下,用特定位置的一對收發換能器模擬該位置的一個亮點,第i個亮點的接收換能器收到信號,那么該亮點的發射換能器以才系統解算的時間延遲、按照一定的頻率、強度轉發信號。

2) 橫向尺度用一收N發模式,徑向尺度用N收N發模式。

如圖3所示。此種模式下,橫向任何一個接收換能器收到魚雷信號后,各個發射換能器都將根據信號入射的位置角度以一定的時間間隔轉發信號。縱向仍按照N收N發的方式布局。

圖2 N收N發的換能器布局模式

圖3 橫向尺度一收N發徑向尺度N收N發模式示意圖

具體的布陣方案分固定靶標和活動靶標兩種情況予以設計實現[8]。

3.2 固定面尺度靶標布局方案

固定面尺度靶標布局可用船載或其它平臺吊裝多路換能器,換能器的布局要根據之前的模式設定。根據N收N發的換能器布局模式布陣的方案如圖4所示。

圖4 N收N發模式固定面尺度靶標布局方案

1收N發模式的固定面尺度靶標布局同理。

3.3 活動面尺度靶標布局方案

活動面尺度靶標布局是在活動平臺上搭建,諸如艦船、靶雷。

船拖拖曳活動靶標布局如圖5所示。各個亮點換能器按照圖示分布在主副拖纜上,為取得良好穩定的面尺度特性,船拖拖曳靶標的橫向艇體部分用一條零浮力的主拖纜模擬,主拖纜上按照相應的方式布局特種收發換能器,構成尺度亮點。圍殼體則用距主拖纜一定距離的具有正浮力的副拖纜模擬,副拖纜末端布有一個模擬縱向亮點的零浮力發射換能器。在主拖纜的前端安裝有姿態控制段[9]。主、副拖纜前端均與拖線相連,由于主、副拖纜距離和浮力的不同,可使分布在其上的零浮力換能器上下分開一定的距離,所以,能夠較好地模擬面尺度特性。

圖5 船拖拖曳活動靶標布局示意圖

靶雷拖曳活動靶標布局如圖6所示。主拖纜采用零浮力拖曳電纜,副拖纜為尾部帶一浮球的正浮力拖曳電纜,分叉纜為一零浮力小型拖曳電纜,拖纜前端與雷尾部拖曳裝置相連,主拖纜分布有一定數量的零浮力收發換能器,用來模擬潛艇的橫向尺度特性。與船拖拖曳靶標不同的是靶雷的縱向圍殼體的亮點模擬方式。正浮力副拖纜的末端系有一浮球,在距離副拖纜一定距離的位置接有零浮力的分叉纜,按照圍殼在艇體首艉的位置比例,在分叉纜的相應位置布有模擬縱向分布亮點的零浮力換能器。靶雷航行過程中,浮球和正浮力的副拖纜使得連接在其上的分叉纜上升到一定高度,由于主拖纜和分叉纜均為零浮力,上下維持了一定距離,從而實現了面尺度靶標橫縱雙維尺度的模擬[10]。靶雷拖曳活動面尺度靶標與船拖形式相比,較為復雜,如何方便高效的將靶雷面尺度靶標發射展開以及迅速形成穩定面尺度基陣,需要在技術總體實現上慎重考慮。

圖6 靶雷拖曳活動靶標布局示意圖

4 結語

假定隨著現代水中兵器的的迅速發展,魚雷等武器裝備的試驗鑒定日益頻繁,新式的軍用裝備亟需具有水聲對抗、尺度模擬等先進技術功能的現代水下靶標進行高質量的供靶保障。本文詳細闡述了面尺度靶標的概念作用,建立了面尺度靶標的模型,并提出了幾種典型面尺度靶標的工程實現方案,為尺度靶標的進一步研究和發展提供了有效的依據和借鑒。

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[9] 張振華,朱錫,馮剛,等.潛艇艇體結構生命力評估體系研究[J].船舶工程,2004(5).

[10] 蔣楚鷗,蘇建軍,向小梅.潛艇目標尺度模型在水下靶標中的應用研究[C]//2009年全國水聲學學術交流暨水聲學分會換屆改選會議論文集,2009.

Creation and Enginerring Solution of Torpedo Surface-scale Model

WU Helong JIANG Chuou

(Unit 93, No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)

In this paper, two-dimensional distribution of the vertical and horizontal scales, highlights simulate submarine acoustic reflection characteristics of the target surface with a different scale weighting factor based on the principles of sound propagation characteristics of acoustic reflex simulated target submarines, surface constructed scale target model and elaborated several different types of typical target surface scale implementation in engineering applications, The results provides a strong theoretical basis for the further development of target scale.

surface-scale, target, modeling, engeneering solutions

2014年10月13日,

2014年11月21日

武鶴龍,男,助理工程師,研究方向:水下靶標。

TN95

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.025