基于亮点模型的潜艇目标回声过渡特性分析

徐 瑜, 苑秉成, 唐 波



基于亮点模型的潜艇目标回声过渡特性分析

徐 瑜, 苑秉成, 唐 波

(海军工程大学 兵器工程系, 湖北 武汉, 430033)

研究潜艇目标回声的近、远场过渡特性对于主动声纳探潜、探测和水声对抗具有实际意义。计算目标回声强度随距离变化曲线是分析目标回声近、远场过渡特性的一种有效方法。理论分析和试验研究均表明, 在鱼雷自导频率下, 目标回波可近似看成是目标亮点回波相干叠加的结果。该文提出了一种基于亮点模型的潜艇目标回声过渡特性分析方法, 通过亮点模型计算不同距离情况下的潜艇目标的回声强度值, 进而分析潜艇目标回声的近、远场过渡特性, 并与板块元算法计算回声强度值分析潜艇目标过渡特性进行了对比。仿真结果表明, 该方法简单, 高效。

潜艇; 亮点模型; 回声强度; 近场; 远场; 过渡特性

0 引言

目标回波信号是主动自导系统获取目标特征信息的主要来源。水下目标回波特性的研究以往主要集中在远场。在远场条件下, 目标可以近似被看作是一个点或一组点, 目标散射声场可以看作是点源散射场。然而当鱼雷距离目标较近时, 把扩展目标进行这样的简化, 对潜艇目标回波描述是不充分的。因此, 研究潜艇目标近、远场过渡特性对于主动声纳探潜、探测和水声对抗具有实际意义。

李建鲁等人定义了描述目标近场回声特性的物理量——回声强度[1-3], 采用板块元算法计算不同距离情况下的回声强度值, 从而分析目标的近、远场过渡规律。理论分析和试验研究都证明, 在鱼雷自导频率下, 目标回波可近似看成是目标亮点回波相干叠加的结果。

本文基于亮点模型计算了不同距离情况下的回声强度, 分析了潜艇的近远场过渡特性, 并与板块元算法计算回声强度值分析目标过渡特性进行了对比。

1 目标回波的亮点模型

理论分析和试验研究都证明, 在鱼雷自导频率下, 任何一个复杂目标的回波都是由若干个子回波迭加而成的, 每个子回波可以看作是从某个散射点发出的波, 这个散射点就是亮点[4], 它可以是真实的亮点, 也可以是某个等效的亮点。这样任何一个复杂目标都可以等效成若干个散射亮点的组合。每个散射亮点产生一个亮点回波, 总的回波是这些亮点回波相干迭加的结果。亮点及其强度分布主要由目标外形、表面曲率和材质决定。

亮点目标模型就是把目标看作一组可产生回波的亮点, 对每个亮点采用线性目标模型, 每个亮点的传递函数由3个参数表征: 幅度、时延和相位跳变组成, 将这些亮点的回波叠加得到总的回波。单个亮点的传递函数为

各类亮点的传递函数都有如式(2)的形式。对于复杂目标可以分解成若干个简单几何形状的子目标, 每一个子目标又可能包含若干个亮点。因此复杂目标可以模型化为多个亮点的迭加, 按线性迭加原理得到总的传递函数

若忽略传播损失和混响、噪声的影响可近似为

2 简单形状目标亮点强度的计算

对任意凸形物体而言, 其目标强度为

对于潜艇上的固定亮点, 可以认为棱角反射, 其目标强度可以按照椎顶的目标强度计算

有限长柱体的目标强度

对于形状比较复杂的物体, 可采用板块元算法计算目标强度[5-6]。

3 潜艇目标建模与分析

3.1 潜艇目标建模

为方便计算, 本文将潜艇目标模拟为几个简单形状目标的组合, 用半椭球体近似模拟艇艏和艉; 圆柱体模拟前艇体、艇舯和后艇体; 椭圆柱体来模拟舰桥。设艇体直径为10 m, 前端半椭球体的长度为10 m, 中段圆柱体的长度为80 m, 后端半椭球体的长度为15 m。舰桥中心位于距艇艏顶点35 m处, 其长半轴为5 m, 短半轴为3 m, 高度为6 m。

3.2 潜艇目标亮点分布

实际的潜艇目标, 由于其表面结构和信号方位的关系, 其亮点突出的镜反射亮点或强亮点主要分布于艇艏、艇体、舰桥和艇艉这些潜艇的大面积部位表面; 其弱亮点与亮点背景则主要分布于这些大面积部位的过渡区表面、小部件棱角以及不确定部位的弹性弱亮点所产生的回波形成。一般潜艇目标大约有3~6个亮点, 为更好模拟潜艇的亮点回波, 亮点数取为5个, 表征了潜艇声目标强度最大的5个部位: 艇艏, 前艇体, 舰桥, 后艇体和艇艉。为便于计算可用半椭球体近似模拟艇艏、艉; 圆柱体模拟前艇体、后艇体; 椭圆柱体来模拟舰桥, 分别计算各亮点的亮点参数。潜艇目标亮点分布示意图见图1。

图1 潜艇目标亮点分布示意图

3.3 数值计算与分析

3.3.1 回声强度的定义与计算

目标强度是一个远场参数, 它不适用于近场问题。因为在声学的近场中, 声压和声强随距离和方位强烈起伏。因此根据近场中一点的声压无法推算远场中的声压, 需要一个近场参数描述回声的强度。为了解决这一问题, 上海交通大学李建鲁、范军等人定义了一个物理量回声强度[1-3], 即

容易看出, 回声强度既适合于近场又适合于远场, 当收发点从近场区域逐步移到远场区时, 回声强度平滑过渡到目标强度, 因此回声强度可以用于描述目标过渡规律。

经过反变换得到回波信号

则基于亮点模型的目标回声强度为

3.3.2 仿真结果与分析

利用上述步骤分别分析艇艏和正横照射的情况下, 潜艇目标近远场过渡特性, 计算频率为20 kHz, 仿真图中实线和虚线分别为基于亮点回波和采用板块元算法计算的回声强度随距离变化曲线。

图2和图3 分别给出了艇艏和正横照射情况时, 回声强度随距离变化的曲线。从图中可看出, 基于亮点回波计算的回声强度曲线变化规律与板块元计算的回声强度曲线变化规律较为吻合。

从图中还可以看出, 潜艇目标散射场存在明显的近场区和远场区, 当过渡到远场时, 回声强度与目标强度等同, 且在正横情况下的目标强度要远高于艇艏艉情况下的目标强度; 此外, 在正横情况下目标回声从近场向远场过渡的临界距离明显高于艇艏艉情况下的临界距离, 主要是因为正横情况下的散射截面大于艏艉情况下的散射截面。通过计算可知, 基于亮点回波计算回声强度比板块元计算回声强度省时、高效。

图2 艇艏照射时回声强度值随距离变化曲线(q=0°)

图3 正横照射时回声强度值随距离变化曲线(q=90°)

4 结束语

研究潜艇目标回声的近、远场过渡特性对于主动声纳探潜、探测和水声对抗具有实际意义。上海交通大学李建鲁、范军等人定义了一个物理量回声强度, 并采用板块元算法计算得出目标回声强度随距离变化曲线, 分析目标的近、远场过渡特性。采用板块元算法分析目标的近、远场过渡特性, 虽然计算结果较为精确, 但耗时较长。由于复杂目标可以分解成若干个简单几何形状的子目标, 目标回波可以模型化为多个亮点的迭加。因此, 本文提出的基于亮点回波计算目标回声强度来分析目标过渡特性的方法, 经仿真计算分析表明简单且高效。

[1] 李建鲁, 范军, 汤渭霖. 水下简单形状目标回声的近远场过渡特性[J]. 上海交通大学学报, 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] 李建鲁. 水下目标近场回声特性及其声图像[D]. 上海: 上海交通大学, 2001.

Li Jian-lu. Study on Near Field Echo Characteristics and Acoustic Imagines of Underwater Targets[D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University, 2001.

[3] 范军, 李建鲁, 刘涛, 等. 水下复杂形状目标回声的过渡特性[J]. 上海交通大学学报, 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] 汤渭霖, 声纳目标回波的亮点模型[J]. 声学学报, 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] 刘成元, 张明敏, 程广利. 一种改进的板块元目标回声计算方法[J]. 海军工程大学学报, 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, 在读博士, 主要研究方向为军用目标特性与制导技术.

(责任编辑: 杨力军)