基于改进板块元法的标准潜艇收发分置目标强度分析

冯雪磊, 李晓伟, 李 锦, 陈南若



基于改进板块元法的标准潜艇收发分置目标强度分析

冯雪磊, 李晓伟, 李 锦, 陈南若

(中国船舶科学研究中心 深海载人装备国家重点实验室, 江苏 无锡, 214082)

收发分置目标强度是双基地和多基地声呐的重要参数, 文中采用改进板块元方法分析了具有复杂结构的标准潜艇收发分置目标强度。首先, 将收发合置的改进板块元方法推广到收发分置的情形, 推导并验证收发分置的改进板块元方法; 然后, 在考虑二次散射和遮挡的情况下, 分析包含外壳、内壳和肋板的双壳体标准潜艇的中高频收发分置目标强度; 最后, 分析了收发分置目标强度的统计特性。结果表明: 1) 改进板块元方法在分置角不大时具有较好的准确度, 避免了坐标变换导致的大量计算, 提高了计算的稳定性; 2) 对于双壳体标准潜艇, 在多数情况下潜艇外壳的一次散射是目标强度的主要贡献, 而外壳的二次散射较小, 当入射方向和散射方向关于艏部或者艉部对称时, 由于镜面反射, 肋板和内壳的贡献较大; 3) 文中计算频率目标强度的统计特性随分置角变化不大。文中的研究可为水中兵器多基地和双基地声呐设计提供依据。

标准潜艇; 板块元; 收发分置声呐; 目标强度

0 引言

收发分置的双基地或多基地主动声呐已经成为现代水下平台声呐探测技术的研究热点[1-2], 这是因为收发分置声呐不仅具有传统主动声呐高效探测的优势, 而且由于发射基地远离水下平台, 因而具有隐蔽探测的优势。目标潜艇的声学散射特性和目标强度对于分析收发分置声呐的探潜性能具有重要意义。针对双壳体潜艇目标强度的分析研究已有很多, 但是通常情况下多考虑收发合置的情形[3-5], 而对于潜艇收发分置目标强度的研究则只考虑单壳体的情形[6-7]。此外, 目标潜艇的朝向通常是未知的, 因此研究目标潜艇不同朝向时的收发分置目标强度及其统计特性, 可以为双基地声呐提供更多设计支撑。

有多种通用的数值计算方法可处理声学散射问题[8-9], 例如有限元方法、边界元方法等都可在很大的频率范围内获得较为精确的计算结果。但是为了获得较高的计算精度, 通常需要对潜艇模型划分较为密集的网格, 且频率越高网格越密集[10]。因此, 对于中高频的大型潜艇模型而言, 这些方法需要大量的计算资源。板块元方法基于高频局部平面波近似, 可以有效提高中高频声学散射问题的计算效率[11], 并经试验验证具有较高的计算精度[12]。此后提出的收发合置改进板块元方法[13-14]不仅解决了原板块元算法可能出现的计算不稳定的问题, 而且实现了全局坐标系下的计算, 进一步提高了计算效率。文中基于改进板块元法研究标准潜艇的收发分置目标强度, 以期为水下武器多基地和双基地声呐设计提供依据。

1 收发分置板块元方法

1.1 一次散射

1.2 二次散射

1.3 改进板块元法

求解散射波的关键在于计算式(4)、式(7)和式(8)中的积分。在原板块元方法中, 通常需对每一个板块进行坐标变换, 在局部坐标系中进行计算, 这样增加了大量的坐标变化计算。而改进板块元方法利用Gordon积分算法[13], 可以在全局坐标系中进行计算, 省去了坐标变换, 而且提高了算法的稳定性。全局坐标系下Gordon积分公式

1.4 收发分置板块元方法验证

为验证收发分置板块元方法的准确性, 以刚硬边界的球为例, 采用改进板块元法计算其收发分置目标强度, 并与Rayleigh简正级数解对比。取刚硬球半径与标准潜艇模型的整体结构半径相同, 即3.75 m。参照文献[16]和[17], 取板块元最大尺寸150 mm, 并取板块元最大尺寸50 mm作为对比。图3为收发分置板块元方法验证结果。由图可知, 随着分置角增大, 板块元方法与理论值的偏差越来越大。当分置角小于60º时, 板块元方法与理论值符合较好, 偏差小于1 dB, 此时板块元方法的精度较高; 当分置角小于120º时, 板块元方法与理论值最大偏差为2 dB左右, 此时板块元方法有一定的误差, 但是仍然以这一范围分置角的目标强度作为参考; 当分置角大于120º时, 板块元方法与理论值不符, 因此不再计算这一范围分置角的目标强度。

板块元方法与理论值不符之处主要在于正向散射区域, 在这一区域, 散射声波和入射声波反向叠加后形成阴影区。另外, 板块元最大尺寸分别为150 mm和50 mm时得到的结果极为接近, 即图3中黑色实线和黑色虚线几乎重合, 两者相差不超过0.2 dB, 考虑到计算速度和计算开销, 分析计算时板块元最大尺寸取为150 mm。

2 潜艇模型和计算设定

参考文献[6]可知以下参数。

且

式中,为频率;

3 结果与分析

进一步分析内壳和外壳对目标强度的贡献, 如图7所示。图中为收发合置时的情形, 对于收发分置的情形也有类似结果。图中黑色实线为外壳的一次散射, 黑色虚线为外壳的二次散射, 灰色实线为内壳的一次散射, 灰色虚线为内壳的二次散射。其中内壳的散射考虑了声线穿透外壳时的损耗。由图可见, 大部分情形下, 外壳的一次散射是目标强度的主要贡献。外壳的二次散射均在−20 dB左右, 最大值不超过0 dB, 因此外壳的二次散射贡献较小, 在准确性要求不高的情况下可以忽略。内壳的散射由于穿过外壳时的吸声材料的损耗, 对目标强度的贡献相对外壳较小, 特别是30 kHz时, 由于穿透外壳造成的损耗, 内壳的散射远小于外壳。但是在艏部方向、正横方向和艉部方向内壳散射较大, 特别是艏部方向和艉部方向内壳的贡献要大于外壳散射。另外, 在很多情形下内壳的二次散射大于一次散射, 这主要是由于内壳和肋板之间有较强的相互作用[12]。

图8和图9分别为特定概率对应的目标强度上侧分位数, 及特定目标强度上侧分位数对应的概率。由图可见, 不同分置角对应的目标强度上侧分位数变化不大, 相对而言, 分置角较大时的目标强度上侧分位数略高于分置角较小时, 表明分置角较大时目标强度取得较大值的概率稍大, 从目标强度的角度而言有利于探测。值得注意的是, 当分置角很大而使接收基地处于声影区时, 声呐受到直达波的强烈干扰, 此时反而不利于探测, 因此分置角的选择要权衡各方面因素。

4 结束语

文中首先将收发合置的改进板块元方法推广到收发分置的情形, 推导了考虑二次散射的收发分置改进板块元方法, 并采用刚硬球验证其准确性。改进板块元方法在全局坐标系中进行计算, 避免了坐标变换导致的大量计算, 并且可以提高计算的稳定性。收发分置的改进板块元方法在分置角较大时误差较大, 因此板块元方法适用于分置角不大的情形。然后在考虑二次散射和遮挡的情况下, 分析具有复杂结构的潜艇目标的中高频目标强度, 包括外壳、内壳和肋板。大多数情形下, 外壳的一次散射对整体目标强度起主要贡献, 外壳二次散射相对较小, 在准确度要求不高的情况下可以忽略; 而当入射方向和散射方向关于艏部或者艉部对称时, 由于镜面反射, 肋板和内壳散射对目标强度的贡献较大。最后, 分析了收发分置目标强度的统计特性。总体而言, 收发分置目标强度的统计特性随分置角变化不大。

由于板块元方法分析收发分置目标强度时, 分置角不宜取得过大, 因此研究中高频大分置角目标强度的计算方法可能是未来的一个研究方向。此外, 板块元方法未考虑壳体的共振散射, 因此进一步的工作可以考虑板块元方法与艇体振动相耦合的情况。

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(责任编辑: 杨力军)

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

冯雪磊, 李晓伟, 李锦, 等. 基于改进板块元法的标准潜艇收发分置目标强度分析[J]. 水下无人系统学报, 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.

国家自然科学基金(11772304).

冯雪磊(1989-), 男, 博士, 工程师, 主要研究方向为声学换能器设计.