声自导鱼雷尺度靶供靶模型的创建与仿真*

武鹤龙 蒋楚鸥

(91388部队第93分队 湛江 524022)

声自导鱼雷尺度靶供靶模型的创建与仿真*

武鹤龙 蒋楚鸥

(91388部队第93分队 湛江 524022)

论文主要介绍了声自导鱼雷尺度靶供靶的原理,并创建了为声自导鱼雷供靶的模型,利用Matlab对供靶的过程进行了仿真,对仿真结果进行了分析,并将鱼雷非尺度声靶模型仿真结果和尺度声靶供靶仿真的鱼雷回波信号进行对比,得出鱼雷尺度声靶模拟鱼雷声目标的逼真度和准确性,其回波信号能更为真实地反映潜艇等声目标对声自导鱼雷寻的信号的反射特性,从而加强靶标对抗鱼雷识别的能力,更好地保障高技术信息化条件下的鱼雷武器的靶场试验。

声自导; 尺度靶; 模型; 仿真

Class Number TN973.3

1 引言

随着现代军事的发展,鱼雷武器系统试验频繁,水下靶标作为试验装备,其保障作用日趋重要,鱼雷靶标可以缩短试验准备周期,降低工作强度,并且具有一定的经济性和实用性,能够较好地满足武器系统试验需求。目前通用的做法就是研制鱼雷声靶,代替目标潜艇,在一定条件下模拟潜艇的反射声信号和辐射噪声信号。为了确定鱼雷声靶是否具有符合试验要求的声特性,必须对鱼雷声靶模拟的声学特性参数进行准确标校,因此对鱼雷声靶模型的研究分析以及对鱼雷声靶供靶的仿真就显得格外重要。根据模拟的是潜艇点目标或是尺度目标,鱼雷声靶可分为尺度声靶和非尺度声靶,本文对声自导鱼雷尺度靶供靶过程进行建模,运用计算机仿真方法,模拟尺度声靶供靶的过程,分析各参数的作用和影响,并将其与非尺度声靶供靶结果进行对比分析,得出尺度声靶供靶具有更高的有效性和准确率,最后提出有针对性的改进措施,进一步提高尺度声靶供靶的精确度和成功率。

2 鱼雷声靶供靶的原理

鱼雷水声靶标系统主体是由工作母船携载、单点舷挂的水下声学靶标,其作用是模拟潜艇的声学特性,为鱼雷提供水下声目标。

鱼雷声靶可在被动、主动和主被动联合三种工作方式下工作。在被动工作方式下,系统发射模拟水下目标的辐射噪声;在主动工作方式下,系统接收水下目标在各种工况下全频段的寻的信号,并产生包含模拟水下航行器声学反射特征信息的相应回波信号:在主被动联合工作方式下,系统在发射模拟水下航行器辐射噪声的同时,可靠地接收并应答全频段的水下目标寻的信号[1]。

3 鱼雷尺度声靶供靶建模

对于潜艇等较大型的鱼雷目标来说,由于其具有一定的尺度,产生的反射回波信号源于一个在距离和方位上有一定分布的延展体。这个延展体可以近似等效于在空间上有一定分布的若干个“点”目标之和,对于尺度靶标来说,叫做点源,或亮点[2]。

3.1 影响因素的作用

尺度声靶供靶过程中,鱼雷的应答信号受水声环境等因素影响,主要发生多普勒频移、时间的延迟、幅度的衰减等变化。

1) 多普勒频移

图1 鱼雷与靶标第i个亮点收发单元运动示意图

根据图1可计算出鱼雷在S时相对TRiR的速度VSTRiR,接收单元在TRiR时相对S的速度VTRiRS,发射单元在TSis时相对SR的速度VTSiSSR,鱼雷在SR时相对TSis的速度VSRTSiS。

假定鱼雷发射信号的频率为f0,则靶标接收单元收到的信号频率[3]:

(1)

靶标一般会对接收的信号进行加多普勒频移的处理,假定增加多普勒频移后的转发信号频率为fiS=fiR+Δf,则鱼雷接收到靶标模拟反射回波信号的频率:

(2)

2) 时延

鱼雷发射的寻的信号经过距离Li1到达声靶,期间信号会产生时延,寻的信号到达第i个声反射亮点产生的时延τi1可以计算如下:τi1=Li1/c。

声靶信号处理延迟τi2时刻后由发射单元发射回波信号,鱼雷回波信号经过距离Li2到达鱼雷接收信号地点SR,τi3=Li2/c,综上所述,可以得到,鱼雷寻的信号从发射到鱼雷接收到声靶回波信号的总延时为τs=τi1+τi2+τi3[4]。

3) 回波幅值

3.2 供靶建模

综上所述,设声自导鱼雷发射寻的信号为x(t),幅值为A,则经过海水声道传播,经过声靶第i个模拟声亮点的反射和靶标增加的多普勒频移Δf,再经由海水声道传播,到达鱼雷接收端的信号为

xi=(A×Ai)f(fSR×(t-τi))

(3)

声自导鱼雷尺度靶标是多亮点水下靶标,其基本原理都是通过水平布放的若干个模拟声反射亮点,来模拟水下目标的横向空间尺度反射特征[6],如图2所示。

其中,i表示尺度靶标第i个亮点,d为各个亮点之间的距离。由以上结论得知,由N个亮点构成的声自导鱼雷尺度靶供靶模型为[7]

(4)

图2 模拟声自导鱼雷尺度靶示意图

4 声自导鱼雷尺度靶供靶仿真

4.1 仿真条件与方法

(5)

4.2 仿真结果与分析

通过Matlab建模仿真,鱼雷发射信号波形与非尺度靶(单个声目标反射亮点)供靶的回波信号波形与对比如图3所示。

图3 声自导鱼雷非尺度靶供靶的回波信号波形

图4 声自导鱼雷尺度靶各个亮点的单个回波信号波形

图5 声自导鱼雷尺度靶多亮点供靶的回波信号叠加波形

图6 鱼雷发射信号频谱与尺度靶供靶的回波信号频谱

声自导鱼雷尺度靶(四个声目标反射点源构成)供靶结果如图4、5所示。图4分别为尺度靶标上坐标为(0,0,0)、(10,0,0)、(20,0,0)、(30,0,0)的四个亮点的单个反射回波时域波形[10]。图5为尺度靶标四个亮点供靶的叠加波形。

鱼雷发射信号频谱与尺度靶供靶的回波信号频谱对比如图6所示。

经过图3和图4、图5的比较,分析可知具备尺度性质的潜艇等目标的回波信号与发射信号相比主要有时域的压缩和延迟、幅度的随机起伏等变化,经过图6的频率对比示意图可知,回波信号在发射信号的频率上叠加了一定大小的多普勒频移[11],从而得知,与由单个声反射亮点构成的非尺度靶标相比,尺度靶标可以更为逼真地模拟水下目标的回波信号,能够较为真实地模拟目标的尺度特征,从而更精确有效地保障鱼雷等水中兵器的供靶试验。进一步考虑,实际的靶标是用不同频率范围、不同声源级的发射和接收换能器来处理和转发鱼雷寻的信号,为了防止收发信号之间的干扰,其接收和发射换能器的布置是有一定距离的,而实际的潜艇等水下目标是同一位置的接收和反射,收发无距离,所以为了更贴近实际,在供靶过程中布放模拟亮点的收发换能器的时候,既不能太近,以防串扰,也不能太远,以防与实际偏离造成误差过大,而这个适当距离的把握则有待继续深入的研究和探讨。

5 结语

本文对单亮点靶标和多亮点尺度靶标供靶的回波信号进行了建模和仿真,在时域和频域内对两种靶标的回波信号进行了对比分析,得出尺度靶标与单亮点靶标相比,能够更为准确地模拟潜艇目标的回波尺度特性,从而更精确有效的保障鱼雷等水中兵器的供靶试验。进一步考虑,实际的靶标是用不同频率范围、不同声源级的发射和接收换能器来处理和转发鱼雷寻的信号,为了防止收发信号之间的干扰,其接收和发射换能器的布置是有一定距离的,而实际的潜艇等水下目标是同一位置的接收和反射,收发无距离,所以为了更贴近实际,在供靶过程中布放模拟亮点的收发换能器的时候,既不能太近,以防串扰,也不能太远,以防与实际偏离造成误差过大,而这个适当距离的把握则有待继续深入的研究和探讨。

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版 权 声 明

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《舰船电子工程》编辑部

Creation and Simulation of the Scale Target Model for Acoustic Homing Torpedo

WU Helong JIANG Chuou

(Unit 93, No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)

This article describes the acoustic homing torpedo-scale target for the principle target and creates a model for acoustic homing torpedo target, the target of the process for the simulation. The simulation results are analyzed, and the non-scale acoustic torpedo target model simulation results and the scale acoustic target for target simulation results are compared with results simulated torpedo torpedo target scale acoustic sound fidelity and accuracy goals. Its echo signals can reflect more realistic target submarines sound reflection characteristics of acoustic homing torpedo signal, thereby enhancing the ability to identify the target against torpedoes, torpedo weapons testing better protection under high-tech conditions of informationization.

acoustic homing, torpedo-scale target, modeling, simulation

2014年6月3日,

2014年7月20日

武鹤龙,男,助理工程师,研究方向:水下靶标。蒋楚鸥,男,硕士,工程师,研究方向:水声信号处理。

TN973.3

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.028