運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下Benchmark潛艇回波特性仿真研究?

潘明 鄧偉

（91388部隊(duì)94分隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

魚(yú)雷是水下最具威脅力的主戰(zhàn)武器之一，聲自導(dǎo)魚(yú)雷是現(xiàn)代魚(yú)雷發(fā)展的趨勢(shì)，它能通過(guò)聲自導(dǎo)系統(tǒng)將魚(yú)雷導(dǎo)向目標(biāo)，其中目標(biāo)強(qiáng)度在魚(yú)雷捕獲、追蹤、識(shí)別目標(biāo)整個(gè)過(guò)程中起著重要的作用，許多情況下我們把目標(biāo)強(qiáng)度簡(jiǎn)單地認(rèn)為是一固定值，這是不合理的。目標(biāo)回波強(qiáng)度不但與入射波束開(kāi)角緊密相關(guān)，而且在不同方位角上的值是不同的。實(shí)戰(zhàn)中當(dāng)魚(yú)雷攻擊目標(biāo)時(shí)目標(biāo)會(huì)采取相應(yīng)的規(guī)避和逃逸措施，兩者的位置一直在發(fā)生變化。在近距離情況下由于受到魚(yú)雷波束扇面限制，波束照射到的目標(biāo)面積也會(huì)隨著變化，導(dǎo)致魚(yú)雷自導(dǎo)系統(tǒng)獲得的目標(biāo)回波特性存在較大的差異。因此對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下潛艇的回波特性進(jìn)行研究具有重要的軍事價(jià)值，本文用板塊元方法對(duì)Benchmark潛艇運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的回波特性及不同距離條件下的亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)分布情況進(jìn)行了探討。

2 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下潛艇回波精確板塊元方法

從圖1魚(yú)雷與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)關(guān)系出發(fā)，為了準(zhǔn)確地進(jìn)行潛艇坐標(biāo)和魚(yú)雷彈道坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換，把坐標(biāo)系原點(diǎn)O建立在目標(biāo)模型的幾何中心。首先通過(guò)仿真得到魚(yú)雷追蹤過(guò)程中各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的坐標(biāo)值，解算各個(gè)坐標(biāo)值下魚(yú)雷波束照射目標(biāo)表面積，最后對(duì)照射表面單元進(jìn)行積分求和，積分求和及板塊元方法推導(dǎo)過(guò)程可以參考文獻(xiàn)［2～3］。

圖1 魚(yú)雷與潛艇目標(biāo)運(yùn)動(dòng)關(guān)系

采用板塊元方法計(jì)算目標(biāo)回波強(qiáng)度的關(guān)鍵是對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確幾何建模，建模的精度直接影響計(jì)算結(jié)果的精度，尤其是像魚(yú)雷這種窄波束的情況。本文研究中采用三維建模軟件UG建立了標(biāo)準(zhǔn)的Benchmark潛艇模型，通過(guò)Ansys軟件進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，圖2是目標(biāo)局部表面網(wǎng)格劃分示意圖。

圖2 目標(biāo)表面網(wǎng)格圖

目標(biāo)強(qiáng)度TS是一個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)聲納參數(shù)，魚(yú)雷攻擊目標(biāo)時(shí)從遠(yuǎn)場(chǎng)過(guò)渡到近場(chǎng)，在遠(yuǎn)場(chǎng)中TS與回波強(qiáng)度ES（Echo Strength）等同，近場(chǎng)中TS無(wú)定義，而ES仍存在，因此用ES描述目標(biāo)的近場(chǎng)特性。ES不僅取決于目標(biāo)特性，而且還取決于目標(biāo)中心的選取和接收點(diǎn)中心和發(fā)射點(diǎn)中心距離，其值可以通過(guò)近場(chǎng)板塊元方法來(lái)計(jì)算，近場(chǎng)板塊元方法詳細(xì)推導(dǎo)可參考文獻(xiàn)［3］，回波強(qiáng)度可表示為

其中 pi是目標(biāo)中心點(diǎn)的入射聲壓，ps是水聽(tīng)器測(cè)得的聲壓，r0是上述兩點(diǎn)之間的距離。在收-發(fā)合置情況下計(jì)算回波聲壓的物理聲學(xué)或Kirchhoff近似是

其中r是目標(biāo)上一點(diǎn)的距離，θ是r與表面法線的夾角，入射波 pi=(A/r)exp(ikr)，A是幅值，式（2）既適用于遠(yuǎn)場(chǎng)也適用于近場(chǎng)。近場(chǎng)時(shí)保證目標(biāo)劃分的網(wǎng)格足夠小時(shí)，對(duì)于每個(gè)小面元來(lái)說(shuō)還是滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件，在同一板塊內(nèi)r可以近似為常數(shù)移出積分號(hào)外，得到:

其中Δrij是第ij號(hào)板塊與參考點(diǎn)的距離，對(duì)所有板塊元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行求和就可以得到目標(biāo)總的散射聲壓。

這樣式（4）中的積分又可以用板塊元法來(lái)計(jì)算。

3 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下潛艇目標(biāo)強(qiáng)度仿真

為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本文假定魚(yú)雷與目標(biāo)處于同一深度，魚(yú)雷提前角ηT=0，考慮魚(yú)雷波束開(kāi)角2α=60°，目標(biāo)舷角φt=0作水平直線運(yùn)動(dòng)，魚(yú)雷采用尾追法追擊目標(biāo)作直線運(yùn)動(dòng)的潛艇，如圖3所示。

圖3 尾追法

1）建立平面坐標(biāo)系xy:A(x1,y1)，B(x2,y2)；

2）在計(jì)算時(shí)取步長(zhǎng)間隔為Δt，這樣就可以計(jì)算每一時(shí)刻點(diǎn)的坐標(biāo)，設(shè)在t時(shí)刻的坐標(biāo)為(xi,yi)，則在t+Δt時(shí)刻的坐標(biāo)為

3）計(jì)算中當(dāng)兩者之間的距離d＜設(shè)定值時(shí)計(jì)算結(jié)束；

4）對(duì)兩者對(duì)應(yīng)的每一點(diǎn)進(jìn)行連線即代表魚(yú)雷速度瞬間矢量方向。

魚(yú)雷速度設(shè)定為50kn，潛艇目標(biāo)速度設(shè)定為15kn和20kn兩種情況。將需要的關(guān)鍵參數(shù)保存作為板塊元程序輸入?yún)?shù)，這樣可以計(jì)算出不同時(shí)刻的目標(biāo)回波強(qiáng)度。圖4和圖5是信號(hào)頻率為20kHz的相對(duì)應(yīng)的目標(biāo)回波強(qiáng)度隨距離變化的情況。

圖4 Benchmark潛艇回波強(qiáng)度（v雷:v艇=50:15）

圖5 Benchmark潛艇回波強(qiáng)度（v雷:v艇=50:20）

上述仿真參數(shù)除了目標(biāo)航速不同之外其他參數(shù)都保持相同。通過(guò)對(duì)圖4到圖5仿真結(jié)果進(jìn)行分析可以得出以下結(jié)論:隨著魚(yú)雷與目標(biāo)速度之比（vB:vA）減小，魚(yú)雷命中目標(biāo)的航程將會(huì)增加，末段魚(yú)雷與目標(biāo)的舷角趨于零，兩者成直線運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)回波強(qiáng)度趨于一常值。由于入射方位角的變化，潛艇目標(biāo)回波強(qiáng)度起伏劇烈，總體存在變小的趨勢(shì)，起伏變化規(guī)律與靜止目標(biāo)相比存在較大的差異。

4 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下潛艇回波圖譜仿真

潛艇運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)兩種情況:一是照射波束隨著潛艇運(yùn)動(dòng)而伴隨運(yùn)動(dòng)，不改變潛艇與發(fā)射基陣之間的相位角；二是發(fā)射基陣固定不動(dòng)，照射波束方向不改變，由于潛艇運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致潛艇與基陣相位角發(fā)生變化。

1）潛艇直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下回波仿真

對(duì)運(yùn)動(dòng)的潛艇回波進(jìn)行預(yù)報(bào)更加接近實(shí)際，因此，對(duì)潛艇運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行設(shè)計(jì)，假設(shè)潛艇自左向右恒速運(yùn)動(dòng)，潛艇運(yùn)行航路設(shè)置如圖6所示。對(duì)Benchmark潛艇作運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下潛艇回波仿真預(yù)報(bào)。其運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)如下:在距潛艇運(yùn)動(dòng)軌跡790m處有一發(fā)射聲源，發(fā)射信號(hào)頻率30kHz，脈寬填充3個(gè)周期，信號(hào)步長(zhǎng)2s，共獲得161組目標(biāo)運(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù)。仿真得到Benchmark潛艇運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下回波圖譜圖7。

圖6 潛艇運(yùn)動(dòng)軌跡

圖7 Benchmark潛艇運(yùn)動(dòng)回波圖譜

2）潛艇和基陣相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下潛艇回波仿真

運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)如下:發(fā)射基陣伴隨潛艇100m距離運(yùn)動(dòng)，伴隨運(yùn)動(dòng)距離為L(zhǎng)1=20m*2m*5.5m*0.5m，L2=20m*2m*5.5m*0.5m之和，圖8所示潛艇運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)圖，仿真得到Benchmark潛艇運(yùn)動(dòng)回波圖9。

圖8 潛艇運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)圖

圖9 Benchmark潛艇運(yùn)動(dòng)回波圖譜

從圖7仿真得到的Benchmark潛艇運(yùn)動(dòng)回波圖譜，可以發(fā)現(xiàn)有三條比較明顯的亮線，判斷是潛艇頭部、圍殼、尾部反射亮點(diǎn)運(yùn)動(dòng)形成的，潛艇運(yùn)動(dòng)到發(fā)射基陣正橫方向時(shí)亮點(diǎn)最強(qiáng)。從圖9仿真得到的Benchmark潛艇運(yùn)動(dòng)回波圖譜，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)射基陣伴隨潛艇運(yùn)動(dòng)時(shí)，回波圖像保持不變，由于潛艇的外形結(jié)構(gòu)影響，不同部位的亮點(diǎn)圖像存在較大差異。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究了運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下潛艇回波特性，建立了運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下潛艇精確板塊元方法，對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下潛艇回波圖譜進(jìn)行預(yù)報(bào)仿真，結(jié)果表明:潛艇處于連續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，不同時(shí)刻下回波亮點(diǎn)串聯(lián)到一起形成了奇特的聲亮線，亮線的結(jié)構(gòu)和形狀不僅與觀察方位角有關(guān)，而且與潛艇和觀察者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、觀察者有效觀察視角、兩者之間的距離等因素密切相關(guān)，潛艇的回波亮點(diǎn)主要集中在三個(gè)區(qū)域:頭部、圍殼和尾部，正橫方向時(shí)觀察得到的亮點(diǎn)強(qiáng)度最強(qiáng)。