潛艇與多亮點靶標回波展寬和亮點起伏特性研究*

向小梅　蔣楚鷗

(91388部隊　湛江　524022)

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潛艇與多亮點靶標回波展寬和亮點起伏特性研究*

向小梅蔣楚鷗

(91388部隊湛江524022)

摘要論文主要研究了多亮點水下靶標與潛艇聲發射回波展寬和亮點起伏問題。針對多亮點靶標與潛艇實現聲反射回波的不同機理,提出一種潛艇與靶標回波的計算方法,針對典型的三種多亮點靶標模型及潛艇的回波展寬和亮點起伏進行了仿真計算和對比分析。

關鍵詞多亮點水下靶標; 潛艇; 回波展寬; 亮點起伏

Characteristic of Back-scattering Spread and Highlights Fluctuation between Submarine and Multi-highlights Simulator

XIANG XiaomeiJIANG Chuou

(No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang524022)

AbstractThe characteristic of back-scattering spread and highlights fluctuation between submarine and multi-highlights simulator are discussed. A calculation method for the back-scattering is put forward based on the different acoustic back-scattering mechanisms of the underwater multi-highlight simulator and submarine. The calculation simulation and comparison analysis are given aiming at the back-scattering spread and highlights fluctuation of three typical multi-highlight simulators and submarine.

Key Wordsmulti-highlight simulator, submarine, back-scattering spread, highlights fluctuation

Class NumberU674

1引言

國內近年來發展了多型多亮點水下靶標,其基本原理都是通過水平布放的若干個模擬聲反射亮點,來模擬潛艇目標的橫向空間尺度反射特征,潛艇回波是艇體表面直接反射魚雷尋的信號而形成,而多亮點水下靶標模擬回波是通過收發換能器的接收—處理—轉發的方式來實現的,因此潛艇與水下靶標的回波會存在一定差別,本文主要從回波展寬、亮點起伏這兩個方面的特征對兩者進行對比研究。

2潛艇與多亮點靶標回波計算方法

2.1潛艇回波計算方法

潛艇回波可以近似為若干個等效反射亮點的回波疊加而成,每個等效反射亮點可由三維位置坐標Ti={xi,yi,zi}和反射系數Ai等四個參數進行描述,計算等效反射亮點回波需要考慮時延、傳播衰減、兩者相對運動帶來的多普勒效應以及位置變化等因素。

(1)

解方程可得到t1,由余弦定理可計算出魚雷在0時刻向TiR坐標方向運動的相對速度VSTiR和目標亮點i在t1時刻向S坐標方向運動的相對速度VTiRS,令魚雷發射脈沖為s0(t),則亮點i接收信號為:

(2)

式中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。

圖1　魚雷與潛艇第i個亮點相對運動示意圖

亮點反射的聲波經過時間t2到達魚雷,此時魚雷的坐標移動到SR,由余弦定理可計算出目標亮點在t1時刻向SR坐標方向運動的相對速度VTiRSR和魚雷在t1+t2時刻向TiR坐標方向運動的相對速度VSRTiR。

亮點的目標強度為TS=20·log(Ai),為亮點反射系數,則魚雷接收到目標亮點反射回波信號為

(3)

將所有等效反射亮點回波進行線性疊加可得到潛艇回波。

2.2多亮點靶標回波計算方法

(4)

圖2　魚雷與靶標第i個亮點收發單元運動示意圖

求解方程得到t1,由余弦定理計算出魚雷在0時刻向TRiR坐標方向運動的相對速度VSTRiR,以及亮點接收單元在t1時刻向S坐標方向運動的相對速度VTRiRS。

令魚雷發射脈沖信號為,亮點接收單元的接收信號為,靶標在應答時一般會對接收信號做應答延遲、多普勒頻移及目標強度處理后再由發射單元進行轉發,假定亮點發射單元的應答延遲為τ,多普勒速度為Δv,目標強度為TS,則靶標亮點發射單元轉發回波信號為

(5)

此時亮點發射單元的坐標為TSiS,轉發聲波經過時間t2到達魚雷,此時魚雷的坐標為SR,由余弦定理計算出亮點發射單元在t1+τ時刻向SR坐標方向運動的相對速度VTSiSSR,以及魚雷在t1+τ+t2時刻向TSiS坐標方向運動的相對速度VSRTSiS。則魚雷接收到水下靶標亮點發射單元轉發回波信號為

(6)

將所有模擬反射亮點回波進行線性疊加可得到水下靶標回波。

3多亮點靶標對潛艇模型的近似方法

多亮點靶標采用若干個等效反射點來近似模擬潛艇的多亮點反射特征,通常情況下潛艇等效反射亮點集的數量要大于靶標模擬亮點的數量,且亮點的分布會隨魚雷相對潛艇的攻擊角度發生變化,因此靶標各個亮點的反射強度要隨潛艇等效反射亮點集進行相應的變化,本文采用分區相干疊加計算靶標各亮點反射強度來逼近潛艇模型。

圖3　潛艇亮點及水下靶標的等效點源示意圖

如圖3所示為潛艇亮點及水下靶標的等效點源示意圖,根據靶標模擬亮點的位置將潛艇劃分為若干段,每個亮點對應一段,對段內的潛艇等效反射亮點根據魚雷的方位角、距離以及尋的信號頻率進行相干疊加得到對應靶標模擬亮點的反射強度。

4潛艇回波與多亮點靶標回波仿真分析

假設多亮點靶標按N收N發、帶延時補償1收N發和不帶延時補償1收N發三種模式工作,本文針對這三種靶標與潛艇,主要從目標回波展寬和亮點起伏特性分布兩個方面進行對比分析。

令水下靶標亮點數八個,長度90m等間距分布,其中N收N發靶標的各收發單元間距為1m,1收N發模式靶標的接收單元位于坐標原點;目標以8節航速沿x軸正向運動,魚雷以45節航速向目標中心點進行攻擊,魚雷攻擊方位角為α,距離為R。

4.1目標回波展寬對比分析

令魚雷的距離為600m,方位角從0°～180°變化,每10°計算一次回波,如圖4所示為四種目標回波展寬隨魚雷方位角的變化曲線。

圖4　三種靶標與潛艇波形展寬仿真計算圖

從中可以看出:N收N發靶標與帶延時補償的1收N發靶標可以在具有一定應答延時的情況下,基本無損失的模擬潛艇目標回波展寬特征,而無延時補償的1收N發靶標則回波展寬相對較短,存在一定損失。

4.2亮點起伏特性分析

圖5、圖6所示為魚雷距離600m時,不同方位角回波仿真結果;圖7、圖8所示為魚雷方位角40°時,不同距離回波仿真結果。

圖5　尋的信號波形圖(方位角20°)

圖6　尋的信號波形圖(方位角60°)

圖7　尋的信號波形圖(R=400m)

圖8　尋的信號波形圖(R=800m)

從中可以看出:靶標可以模擬出回波的亮點起伏特征,但與潛艇回波比較,亮點起伏特征仍然存在較為明顯的區別。

5結語

本文研究了潛艇與多亮點水下靶標回波展寬和亮點起伏特性,給出了潛艇與靶標回波的計算方法,對三種典型模式的多亮點水下靶標與潛艇的回波情況進行了仿真和對比分析。從回波展寬和亮點起伏特性角度來說,N收N發靶標與帶延時補償的1收N發靶標可以在具有一定應答延時的情況下,基本無損失地模擬潛艇目標的回波展寬特征,而無延時補償的1收N發靶標在回波展寬模擬上有一定的損失,模擬逼真度相對偏低;三種靶標在亮點起伏上均不能與潛艇達到完全一致,但考慮到亮點起伏的無規則性,且在魚雷端并無先驗知識,因此在某種程度上可以定性地認為對亮點起伏特征的模擬是等效的。

參 考 文 獻

[1] 孫昕,范威,范軍.單層殼體潛艇回波亮點聲圖像仿真和試驗驗證[J].海軍工程大學學報,2012,24(6):26-31.

[2] 卜考英,范軍.基于多波束系統的水下目標近程回波亮點聲圖像[J].聲學技術,2007,26(4):570-573.

[3] 姜永珉.潛艇亮點統計建模技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2001.

[4] 蔣楚鷗,顧頡.潛艇多亮點目標模型研究[J].2008魚雷自導引信技術研討會論文集,2008:138.

[5] 陳景東.水下目標特征提取與分類技術研究[D].西安:西北工業大學,1995.

[6] 蔣楚鷗,向小梅.多亮點水下靶標與理想目標成像差別研究[J].聲學技術,2014,33(5):92-95.

[7] 蔣楚鷗,向小梅.多亮點水下靶標回波與理想水下目標回波的頻率差別分析[J].聲學技術,2013(5):345-347.

[8] 徐瑜,趙軍,苑秉成.基于方位走向的潛艇亮點分布特征提取與仿真[J].魚雷技術,2012,20(6):419-423.

[9] 易紅,周殿寶,陳春玉.聲自導魚雷進行尺度目標識別的試驗方法研究[J].魚雷技術,2005,13(4):50-53.

[10] 張江,蔣興周,陳喜.基于方位起伏方差的目標識別方法[J].海軍工程大學學報,2005,17(3):91-96.

中圖分類號U674

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.02.035

作者簡介:向小梅,女,碩士,工程師,研究方向:水聲信號處理。蔣楚鷗,男,碩士,高級工程師,研究方向:水聲信號處理。

*收稿日期:2015年8月4日,修回日期:2015年9月18日