基于改進板塊元法的標準潛艇收發分置目標強度分析

馮雪磊, 李曉偉, 李 錦, 陳南若

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基于改進板塊元法的標準潛艇收發分置目標強度分析

馮雪磊, 李曉偉, 李 錦, 陳南若

(中國船舶科學研究中心 深海載人裝備國家重點實驗室, 江蘇 無錫, 214082)

收發分置目標強度是雙基地和多基地聲吶的重要參數, 文中采用改進板塊元方法分析了具有復雜結構的標準潛艇收發分置目標強度。首先, 將收發合置的改進板塊元方法推廣到收發分置的情形, 推導并驗證收發分置的改進板塊元方法; 然后, 在考慮二次散射和遮擋的情況下, 分析包含外殼、內殼和肋板的雙殼體標準潛艇的中高頻收發分置目標強度; 最后, 分析了收發分置目標強度的統計特性。結果表明: 1) 改進板塊元方法在分置角不大時具有較好的準確度, 避免了坐標變換導致的大量計算, 提高了計算的穩定性; 2) 對于雙殼體標準潛艇, 在多數情況下潛艇外殼的一次散射是目標強度的主要貢獻, 而外殼的二次散射較小, 當入射方向和散射方向關于艏部或者艉部對稱時, 由于鏡面反射, 肋板和內殼的貢獻較大; 3) 文中計算頻率目標強度的統計特性隨分置角變化不大。文中的研究可為水中兵器多基地和雙基地聲吶設計提供依據。

標準潛艇; 板塊元; 收發分置聲吶; 目標強度

0 引言

收發分置的雙基地或多基地主動聲吶已經成為現代水下平臺聲吶探測技術的研究熱點[1-2], 這是因為收發分置聲吶不僅具有傳統主動聲吶高效探測的優勢, 而且由于發射基地遠離水下平臺, 因而具有隱蔽探測的優勢。目標潛艇的聲學散射特性和目標強度對于分析收發分置聲吶的探潛性能具有重要意義。針對雙殼體潛艇目標強度的分析研究已有很多, 但是通常情況下多考慮收發合置的情形[3-5], 而對于潛艇收發分置目標強度的研究則只考慮單殼體的情形[6-7]。此外, 目標潛艇的朝向通常是未知的, 因此研究目標潛艇不同朝向時的收發分置目標強度及其統計特性, 可以為雙基地聲吶提供更多設計支撐。

有多種通用的數值計算方法可處理聲學散射問題[8-9], 例如有限元方法、邊界元方法等都可在很大的頻率范圍內獲得較為精確的計算結果。但是為了獲得較高的計算精度, 通常需要對潛艇模型劃分較為密集的網格, 且頻率越高網格越密集[10]。因此, 對于中高頻的大型潛艇模型而言, 這些方法需要大量的計算資源。板塊元方法基于高頻局部平面波近似, 可以有效提高中高頻聲學散射問題的計算效率[11], 并經試驗驗證具有較高的計算精度[12]。此后提出的收發合置改進板塊元方法[13-14]不僅解決了原板塊元算法可能出現的計算不穩定的問題, 而且實現了全局坐標系下的計算, 進一步提高了計算效率。文中基于改進板塊元法研究標準潛艇的收發分置目標強度, 以期為水下武器多基地和雙基地聲吶設計提供依據。

1 收發分置板塊元方法

1.1 一次散射

1.2 二次散射

1.3 改進板塊元法

求解散射波的關鍵在于計算式(4)、式(7)和式(8)中的積分。在原板塊元方法中, 通常需對每一個板塊進行坐標變換, 在局部坐標系中進行計算, 這樣增加了大量的坐標變化計算。而改進板塊元方法利用Gordon積分算法[13], 可以在全局坐標系中進行計算, 省去了坐標變換, 而且提高了算法的穩定性。全局坐標系下Gordon積分公式

1.4 收發分置板塊元方法驗證

為驗證收發分置板塊元方法的準確性, 以剛硬邊界的球為例, 采用改進板塊元法計算其收發分置目標強度, 并與Rayleigh簡正級數解對比。取剛硬球半徑與標準潛艇模型的整體結構半徑相同, 即3.75 m。參照文獻[16]和[17], 取板塊元最大尺寸150 mm, 并取板塊元最大尺寸50 mm作為對比。圖3為收發分置板塊元方法驗證結果。由圖可知, 隨著分置角增大, 板塊元方法與理論值的偏差越來越大。當分置角小于60o時, 板塊元方法與理論值符合較好, 偏差小于1 dB, 此時板塊元方法的精度較高; 當分置角小于120o時, 板塊元方法與理論值最大偏差為2 dB左右, 此時板塊元方法有一定的誤差, 但是仍然以這一范圍分置角的目標強度作為參考; 當分置角大于120o時, 板塊元方法與理論值不符, 因此不再計算這一范圍分置角的目標強度。

板塊元方法與理論值不符之處主要在于正向散射區域, 在這一區域, 散射聲波和入射聲波反向疊加后形成陰影區。另外, 板塊元最大尺寸分別為150 mm和50 mm時得到的結果極為接近, 即圖3中黑色實線和黑色虛線幾乎重合, 兩者相差不超過0.2 dB, 考慮到計算速度和計算開銷, 分析計算時板塊元最大尺寸取為150 mm。

2 潛艇模型和計算設定

參考文獻[6]可知以下參數。

且

式中,為頻率;

3 結果與分析

進一步分析內殼和外殼對目標強度的貢獻, 如圖7所示。圖中為收發合置時的情形, 對于收發分置的情形也有類似結果。圖中黑色實線為外殼的一次散射, 黑色虛線為外殼的二次散射, 灰色實線為內殼的一次散射, 灰色虛線為內殼的二次散射。其中內殼的散射考慮了聲線穿透外殼時的損耗。由圖可見, 大部分情形下, 外殼的一次散射是目標強度的主要貢獻。外殼的二次散射均在?20 dB左右, 最大值不超過0 dB, 因此外殼的二次散射貢獻較小, 在準確性要求不高的情況下可以忽略。內殼的散射由于穿過外殼時的吸聲材料的損耗, 對目標強度的貢獻相對外殼較小, 特別是30 kHz時, 由于穿透外殼造成的損耗, 內殼的散射遠小于外殼。但是在艏部方向、正橫方向和艉部方向內殼散射較大, 特別是艏部方向和艉部方向內殼的貢獻要大于外殼散射。另外, 在很多情形下內殼的二次散射大于一次散射, 這主要是由于內殼和肋板之間有較強的相互作用[12]。

圖8和圖9分別為特定概率對應的目標強度上側分位數, 及特定目標強度上側分位數對應的概率。由圖可見, 不同分置角對應的目標強度上側分位數變化不大, 相對而言, 分置角較大時的目標強度上側分位數略高于分置角較小時, 表明分置角較大時目標強度取得較大值的概率稍大, 從目標強度的角度而言有利于探測。值得注意的是, 當分置角很大而使接收基地處于聲影區時, 聲吶受到直達波的強烈干擾, 此時反而不利于探測, 因此分置角的選擇要權衡各方面因素。

4 結束語

文中首先將收發合置的改進板塊元方法推廣到收發分置的情形, 推導了考慮二次散射的收發分置改進板塊元方法, 并采用剛硬球驗證其準確性。改進板塊元方法在全局坐標系中進行計算, 避免了坐標變換導致的大量計算, 并且可以提高計算的穩定性。收發分置的改進板塊元方法在分置角較大時誤差較大, 因此板塊元方法適用于分置角不大的情形。然后在考慮二次散射和遮擋的情況下, 分析具有復雜結構的潛艇目標的中高頻目標強度, 包括外殼、內殼和肋板。大多數情形下, 外殼的一次散射對整體目標強度起主要貢獻, 外殼二次散射相對較小, 在準確度要求不高的情況下可以忽略; 而當入射方向和散射方向關于艏部或者艉部對稱時, 由于鏡面反射, 肋板和內殼散射對目標強度的貢獻較大。最后, 分析了收發分置目標強度的統計特性。總體而言, 收發分置目標強度的統計特性隨分置角變化不大。

由于板塊元方法分析收發分置目標強度時, 分置角不宜取得過大, 因此研究中高頻大分置角目標強度的計算方法可能是未來的一個研究方向。此外, 板塊元方法未考慮殼體的共振散射, 因此進一步的工作可以考慮板塊元方法與艇體振動相耦合的情況。

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(責任編輯: 楊力軍)

Analysis on Bistatic Target Strength of Benchmark Submarine Based on Improved Planar Element Method

FENG Xue-lei, LI Xiao-wei, LI Jin, CHEN Nan-ruo

(State Key Laboratory of Deep-Sea Manned Vehicles, China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China)

Bistatic target strength is an important parameter of bistatic or multistatic sonar. This paper uses an improved bistatic planar element method to analyze benchmark submarine. Firstly, by applying the improved monostatic planar element method to bistatic case, an improved bistatic planar element method is derived and then compared with analytic method. Secondly, the target strength of the benchmark submarine containing external hull, internal hull and rib plates is analyzed considering secondary scattering and occlusion. Thirdly, the statistical characteristics of the bistatic target strength are analyzed. The results indicate that: 1) the improved bistatic planar element method has high accuracy when the bistatic angle is not very large, and it can avoid huge amount of calculation due to coordinate conversion and improve computational stability; 2) for the double-hull benchmark submarine, the primary scattering of the external hull contributes mainly to the target strength in most cases, while the secondary scattering of the external hull is much weaker, and when the incident and scattering directions are symmetrical about the stern or stem direction, the scattering of the internal hull and rib plates contributes a lot due to the mirror reflection; and 3) the statistical characteristics of the bistatic target strength vary slightly with the bistatic angle. This work may provide a reference for the design of bistatic or multistatic sonar for undersea weapons.

benchmark submarine; planar element method; bistatic sonar; target strength

馮雪磊, 李曉偉, 李錦, 等. 基于改進板塊元法的標準潛艇收發分置目標強度分析[J]. 水下無人系統學報, 2018, 26(3): 234-241.

TJ6; TB566

A

2096-3920(2018)03-0234-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.03.008

2017-11-25;

2018-01-30.

國家自然科學基金(11772304).

馮雪磊(1989-), 男, 博士, 工程師, 主要研究方向為聲學換能器設計.