基于亮区-亮点模型的水下近场目标回波建模方法

关震宇, 李 杰, 牛三库



基于亮区-亮点模型的水下近场目标回波建模方法

关震宇, 李 杰, 牛三库

(北京理工大学机电学院, 北京, 100081)

考虑工作在近场区的水中兵器声探测系统目标特性建模的需求, 提出了一种基于亮区-亮点模型的水下近场目标回波建模方法。本方法首先对目标物进行面元划分, 使得每一个面元相对于换能器均工作在远场区, 之后通过换能器的指向性确定目标物属于亮区的面元, 最后应用亮点法对于每个面元的回波进行预测并叠加, 最终获得水下近场目标物的回波信息。本文通过对椭球目标物进行建模, 且模拟了其在侧弦90°入射和侧弦30°入射2种情况的回波, 并与真实情况下回波信号进行对比, 结果显示, 采用该方法所建的模型在近场情况下可有效模拟回波的幅值、时延和脉宽等信息, 并对于回波波形具有一定的模拟精度。

声探测; 亮区-亮点模型; 近场目标; 回波预测

0 引言

水中兵器诸如主动声近炸引信等系统工作在近场区, 其基本工作原理是, 声引信通过换能器向海水介质发射声波脉冲, 经过海水传播, 由接收换能器接收目标返回的回波信号, 通过对回波信号的处理, 判断是否为真实目标。在整个武器系统中, 回波信号的处理与识别是关键一环, 因此, 建立水下近场目标的回波模型, 并借此了解目标回波信号的特性具有重要意义。

学界对于水下目标超声回波特性建模已经有了一些研究。Urick等人借用雷达中的雷达散射面积(radar cross-section, RCS)计算公式, 归纳出了若干简单几何形态目标强度(target strength, TS)的计算方法, 但在水声情况下只适用于刚性目标;汤渭霖和范军参考了雷达中对RCS预报建模相似的方法, 提出了“亮点法”模型, 把目标分割成若干子目标, 使用稳相积分法等近似方法求解亮点三参数, 对亮点的传递函数迭加得到整个目标的TS值; 赵日昌等提出了“亮区法”, 采用“分解-合成”思想, 对于复杂形状目标具有一定准确性; 刘文远等人首次考虑了由于目标的运动和自旋对于回波信号的影响。上述模型虽然都成功对水下目标进行了回声特性预测, 但都有其各自的局限性。汤渭林的“亮点模型”把目标看作若干个“亮点”, 从而只需要计算3个参数就可以完成回波信号的模拟, 这在远场条件下十分方便, 但水下声近炸引信主要工作在近场环境下, 此时便很难用少数几个亮点来精确描述目标的回波情况; 赵日昌的“亮区法”在一定程度上解决了这个问题, 但是作者没有给出显式的计算方法; 刘文远等人提出了一个远场回波预测模型, 但其模型只用了5个亮点来描述目标, 这在近场情况下显然是不够精确的。

总的来说, 上述文献中涉及的传统方法在近场情况下并不完全适用, 存在的主要问题是, 亮点法之所以可以把目标等价成几个亮点的回波, 主要基于“凸光滑表面反射波主要取决于第1个菲涅尔区的事实”。但是在近场条件下, 目标回波已经不能够被看作近似互相平行, 所以近场区的目标并不适合被看作几个孤立的亮点进行处理, 传统的“亮点法”公式也并不适合。“亮区-亮点”法的思想是首先求取目标表面的“亮区”, 即对目标回波有贡献的区域, 然后将亮区网格化, 使每个网格尺寸足够小。换能器相对每个网格就工作在远场区, 这样就满足亮点法的工作条件。利用亮点法, 将所有网格亮点的回波信号迭加, 即可得到目标回波的仿真波形。

基于上述分析, 本文在吸收前人成果的基础上, 综合了亮点法和亮区法的优势, 提出了亮区-亮点法模型对原有亮点法模型进行了改进。仿真结果表明, 改进后模型与实际情况更加符合, 证实了模型的有效性。

1 模型建立

经典亮点模型主要考虑在高频情况下, 任何一个复杂目标的回波都是由若干个子波迭加而成的, 每个子回波都可以看作是从某个散射点反射的波, 这个散射点就是亮点。刚性目标表面单个亮点的传递函数可以写成

(2)

如引言中所述, 近场回波的亮区-亮点模型首先需要完成网格划分, 之后判断网格是否属于目标亮区, 将近场问题转化为一个远场问题从而利用亮点模型进行求解。

对于任意形状的目标物, 以其质心位置建立笛卡尔右手坐标系。为简单计, 设目标同时在以线速度沿轴方向匀速运动, 同时附带有角速度为的滚转运动, 取目标表面一微小面元, 如图1所示。

(4)

即可以认为该小面元处于换能器的远场区, 这样针对每一个小面元就可以使用“亮点法”模型。

但是并不是目标上每一个面元都对于回波有贡献, 因此只选取那些对于回波有贡献, 即处于“亮区中的面元”作为亮点, 这就是“亮区-亮点”法的思想。

亮区的确定跟换能器的指向性有关, 由于换能器工作在近场区, 因此可以近似的认为, 在处于换能器－3dB波束角照射区域内的目标物表面均属于亮区。

上述建模过程理论上可适用于任意复杂形状的目标物。

2 模型参数求解

按照线性叠加原理, 当使用亮区-亮点法分析一个复杂物体(如鱼雷或潜艇)的回波信号时, 回波信号总的传递函数为

根据线性系统理论, 设入射脉冲信号为

(8)

根据亮点模型的理论, 在远场有

(10)

结合式(6)和式(10), 可以得到

(12)

使用水下常见目标之一的椭球体为例, 进行亮点参数解算的分析, 建立笛卡尔右手坐标系, 将目标中心置于原点, 长轴与轴重合, 短轴与轴重合, 设目标弹体长轴长, 短轴长, 弹体表面各点符合椭球面方程, 如图2所示。

现着重分析对于形如上图的目标,(,)的解算方法。将目标按照经纬线方向进行面元划分, 使得每块面元尺寸相对于换能器都处于远场区, 设径向被划分为等分, 纬向被划分为等分。设第条经线与第条纬线交点为, 则积分区域事实上是由点所包围的一个曲面, 据此计算式(12)。

首先做2个基本假设。

(16)

代入式(15), 得

其中积分区域为

(18)

其中

则式(12)可变形为

(20)

(22)

代入式(11), 即可得单个面元的反射辐射因子

将上述亮点参数代入式(8), 再遍历所有亮区中亮点, 对输出求和即可得到该目标回波的预测模型, 该算法流程如图3所示。

图3 基于亮区-亮点法的回波预测仿真流程

Fig. 3 Flow chart of echo prediction simulation based on highlight zones-highlights model

3 仿真与实验

根据图3的仿真流程, 在配置intel i7处理器的计算机上, 使用Matlab 2012平台对本模型进行仿真。设换能器工作频率为450 kHz, 发射信号为CW脉冲, 周期30 ms, 信号脉冲宽度1 ms, 发射声源级180 dB, 发射电压峰-峰值150 V。目标设为椭球形, 长轴长度1.2 m, 短轴长度0.4 m。

对于目标的网格划分采用均匀网格, 当换能器工作距离大于1 m时, 由式(5)可得, 面元尺寸不能大于6 cm。将经线方向划分为60等分, 纬线方向120等分, 即可满足要求, 如图4所示。

依次仿真换能器位于目标质心正上方与侧弦30°, 4.5 m入射的情况, 为模拟实际情况, 在回波信号上叠加了1个幅值2 V的白噪声信号, 所得仿真波形如图5、图6所示。

为对比仿真结果, 使用等效的声目标物和换能器, 在消声水池中模拟上述环境进行实际实验, 实验用水雷模型为美制MK62鱼水雷等效缩比模型, 长轴1.2 m, 短轴0.4 m, 如图7所示。实验换能器为收发共置换能器, 如图8所示, 换能器技术指标如表1所示。

表1 实验换能器技术指标

实验在水池中进行, 分别按照目标质心正上方与侧弦30°, 4.5 m入射2种形式进行布置。

采集得到的回波信号经过带通滤波后的波形如图9、图10所示, 带通滤波器中心频率450 kHz, 带宽20 kHz。

对比图5、图6和图9、图10可以看出, 近场亮区-亮点模型除了可以较为准确的模拟回波的幅值、时延信息外, 还可对于回波的波形进行一定程度的模拟, 这与传统的亮点方法相比无疑具有重要优势。同时发现, 当入射角减小时, 回波宽度明显收窄, 上述情况都与实际测量结果相吻合, 反映了该模型具有一定的准确性, 对比结果见表2。

表2 仿真回波信号与实测回波信号参数对比

4 结束语

本文提出了一种基于亮区-亮点法的水下近场目标回波预测模型, 可以用于水中兵器声近炸引信等工作在近场区的水声设备目标特性建模, 本模型通过对于目标网格的划分, 首先确定目标亮区, 并使用亮点法预测目标回波。本文针对水下常见的椭球形目标进行仿真分析, 并与实际实验结果进行对比, 结果显示, 该模型在近场情况下可有效模拟回波的幅值、时延和脉宽等信息, 并对于回波波形具有一定的模拟精度。

需要指出的是, 由于受仿真的环境限制, 本文仅仅提供了一种回波预测的思路, 并未对目标表面网格形式和划分数量进行深入研究。实际上对于鱼雷等复杂目标的精细模型进行回波预测时, 还需要针对具体模型做进一步具体研究。

[1] Urick R J. Principles of Underwater Sound for Engineers[M]. New York: MacGraw Hill, 1975.

[2] 汤渭霖. 潜艇回波的逼真模拟方法[J]. 水声对抗, 1996 (3): 16-19.

[3] 汤渭霖. 声呐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 Target[J]. Acta Acustica, 1994, 19(2): 92-100.

[4] 范军, 朱蓓莉, 汤渭霖. 非刚性表面声呐的修正几何亮点模型[J]. 声学学报, 2001, 26(6): 153-158.Fan Jun, Zhu Bei-li, Tang Wei-lin. Modified Geometrical Highlight Model from Nonrigid Surface Sonar Target[J]. Acta Acustica, 2001, 26(6): 153-158.

[5] 赵日昌. 潜艇反射“亮区”与声入射方位的关系[J]. 舰艇科学技术, 1994, 16(5): 28-30.

[6] 刘文远, 赵金海, 宋永峰, 等. 基于修正亮点模型的水下体目标建模技术[J]. 鱼雷技术, 2010, 18(5): 352-356.Liu Wen-yuan, Zhao Jin-hai, Song Yong-hui, et al. Underwater Target Modeling Technology Based on Modified Highlight Model[J]. Torpedo Technology, 2010, 18(5): 352-356.

[7] 刘鹏仲. 多亮点目标模拟及其水下试验视景仿真应用的研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2011.Liu Peng-zhong. The Research of Target Simulation Based on Multi Highlight Model & the Realization of Its Visual Simulation in Underwater Test[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2011.

(责任编辑: 许 妍)

Modeling Method of Target Echo in Underwater Near Field Based on Highlight Zones-Hightlights Model

GUAN Zhen-yu, LI Jie, NIU San-ku

(School of Mechatronic Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

To meet the demand for target characteristics modeling of acoustic detection system for underwater weapon in near field, we propose a modeling method of target echo in underwater near field based on the highlight zones-highlights model. Firstly, the target is divided into a series of surface elements in order to ensure each element is located in the far field region of a transducer. Then, the directivity function of the transducer is used to determine the surface elements which are located in the highlight zones of target. Finally, a highlights model is established to achieve the information of target echo by predicting and accumulating the echo of each surface element in highlight zones. A tank experiment is carried out to analog the echoes of an ellipsoidal target in 90°and 30°incidences at side board, and a group of real echoes is achieved. In addition, a simulation is also carried out to compare the results with the experimental ones. It is concluded that the proposed model can simulate the amplitude, time delay and pulse width of the echo effectively, and it can simulate the echo waveform with certain accuracy.

acoustic detection; highlight zones-highlights model; near field target; echo prediction

TJ630.34

A

1673-1948(2013)06-0454-06

2013-07-30;

2013-08-19.

国防科技预先研究课题资助(513050203).

关震宇(1987-), 男, 在读博士, 研究方向为水下阵列信号处理.