潛艇與多亮點靶標(biāo)回波展寬和亮點起伏特性研究*

向小梅　蔣楚鷗

(91388部隊　湛江　524022)

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潛艇與多亮點靶標(biāo)回波展寬和亮點起伏特性研究*

向小梅蔣楚鷗

(91388部隊湛江524022)

摘要論文主要研究了多亮點水下靶標(biāo)與潛艇聲發(fā)射回波展寬和亮點起伏問題。針對多亮點靶標(biāo)與潛艇實現(xiàn)聲反射回波的不同機理,提出一種潛艇與靶標(biāo)回波的計算方法,針對典型的三種多亮點靶標(biāo)模型及潛艇的回波展寬和亮點起伏進(jìn)行了仿真計算和對比分析。

關(guān)鍵詞多亮點水下靶標(biāo); 潛艇; 回波展寬; 亮點起伏

Characteristic of Back-scattering Spread and Highlights Fluctuation between Submarine and Multi-highlights Simulator

XIANG XiaomeiJIANG Chuou

(No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang524022)

AbstractThe characteristic of back-scattering spread and highlights fluctuation between submarine and multi-highlights simulator are discussed. A calculation method for the back-scattering is put forward based on the different acoustic back-scattering mechanisms of the underwater multi-highlight simulator and submarine. The calculation simulation and comparison analysis are given aiming at the back-scattering spread and highlights fluctuation of three typical multi-highlight simulators and submarine.

Key Wordsmulti-highlight simulator, submarine, back-scattering spread, highlights fluctuation

Class NumberU674

1引言

國內(nèi)近年來發(fā)展了多型多亮點水下靶標(biāo),其基本原理都是通過水平布放的若干個模擬聲反射亮點,來模擬潛艇目標(biāo)的橫向空間尺度反射特征,潛艇回波是艇體表面直接反射魚雷尋的信號而形成,而多亮點水下靶標(biāo)模擬回波是通過收發(fā)換能器的接收—處理—轉(zhuǎn)發(fā)的方式來實現(xiàn)的,因此潛艇與水下靶標(biāo)的回波會存在一定差別,本文主要從回波展寬、亮點起伏這兩個方面的特征對兩者進(jìn)行對比研究。

2潛艇與多亮點靶標(biāo)回波計算方法

2.1潛艇回波計算方法

潛艇回波可以近似為若干個等效反射亮點的回波疊加而成,每個等效反射亮點可由三維位置坐標(biāo)Ti={xi,yi,zi}和反射系數(shù)Ai等四個參數(shù)進(jìn)行描述,計算等效反射亮點回波需要考慮時延、傳播衰減、兩者相對運動帶來的多普勒效應(yīng)以及位置變化等因素。

(1)

解方程可得到t1,由余弦定理可計算出魚雷在0時刻向TiR坐標(biāo)方向運動的相對速度VSTiR和目標(biāo)亮點i在t1時刻向S坐標(biāo)方向運動的相對速度VTiRS,令魚雷發(fā)射脈沖為s0(t),則亮點i接收信號為:

(2)

式中TL表示聲傳播損失,一般包括波陣面擴展衰減和聲吸收衰減兩部分。

圖1　魚雷與潛艇第i個亮點相對運動示意圖

亮點反射的聲波經(jīng)過時間t2到達(dá)魚雷,此時魚雷的坐標(biāo)移動到SR,由余弦定理可計算出目標(biāo)亮點在t1時刻向SR坐標(biāo)方向運動的相對速度VTiRSR和魚雷在t1+t2時刻向TiR坐標(biāo)方向運動的相對速度VSRTiR。

亮點的目標(biāo)強度為TS=20·log(Ai),為亮點反射系數(shù),則魚雷接收到目標(biāo)亮點反射回波信號為

(3)

將所有等效反射亮點回波進(jìn)行線性疊加可得到潛艇回波。

2.2多亮點靶標(biāo)回波計算方法

(4)

圖2　魚雷與靶標(biāo)第i個亮點收發(fā)單元運動示意圖

求解方程得到t1,由余弦定理計算出魚雷在0時刻向TRiR坐標(biāo)方向運動的相對速度VSTRiR,以及亮點接收單元在t1時刻向S坐標(biāo)方向運動的相對速度VTRiRS。

令魚雷發(fā)射脈沖信號為,亮點接收單元的接收信號為,靶標(biāo)在應(yīng)答時一般會對接收信號做應(yīng)答延遲、多普勒頻移及目標(biāo)強度處理后再由發(fā)射單元進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),假定亮點發(fā)射單元的應(yīng)答延遲為τ,多普勒速度為Δv,目標(biāo)強度為TS,則靶標(biāo)亮點發(fā)射單元轉(zhuǎn)發(fā)回波信號為

(5)

此時亮點發(fā)射單元的坐標(biāo)為TSiS,轉(zhuǎn)發(fā)聲波經(jīng)過時間t2到達(dá)魚雷,此時魚雷的坐標(biāo)為SR,由余弦定理計算出亮點發(fā)射單元在t1+τ時刻向SR坐標(biāo)方向運動的相對速度VTSiSSR,以及魚雷在t1+τ+t2時刻向TSiS坐標(biāo)方向運動的相對速度VSRTSiS。則魚雷接收到水下靶標(biāo)亮點發(fā)射單元轉(zhuǎn)發(fā)回波信號為

(6)

將所有模擬反射亮點回波進(jìn)行線性疊加可得到水下靶標(biāo)回波。

3多亮點靶標(biāo)對潛艇模型的近似方法

多亮點靶標(biāo)采用若干個等效反射點來近似模擬潛艇的多亮點反射特征,通常情況下潛艇等效反射亮點集的數(shù)量要大于靶標(biāo)模擬亮點的數(shù)量,且亮點的分布會隨魚雷相對潛艇的攻擊角度發(fā)生變化,因此靶標(biāo)各個亮點的反射強度要隨潛艇等效反射亮點集進(jìn)行相應(yīng)的變化,本文采用分區(qū)相干疊加計算靶標(biāo)各亮點反射強度來逼近潛艇模型。

圖3　潛艇亮點及水下靶標(biāo)的等效點源示意圖

如圖3所示為潛艇亮點及水下靶標(biāo)的等效點源示意圖,根據(jù)靶標(biāo)模擬亮點的位置將潛艇劃分為若干段,每個亮點對應(yīng)一段,對段內(nèi)的潛艇等效反射亮點根據(jù)魚雷的方位角、距離以及尋的信號頻率進(jìn)行相干疊加得到對應(yīng)靶標(biāo)模擬亮點的反射強度。

4潛艇回波與多亮點靶標(biāo)回波仿真分析

假設(shè)多亮點靶標(biāo)按N收N發(fā)、帶延時補償1收N發(fā)和不帶延時補償1收N發(fā)三種模式工作,本文針對這三種靶標(biāo)與潛艇,主要從目標(biāo)回波展寬和亮點起伏特性分布兩個方面進(jìn)行對比分析。

令水下靶標(biāo)亮點數(shù)八個,長度90m等間距分布,其中N收N發(fā)靶標(biāo)的各收發(fā)單元間距為1m,1收N發(fā)模式靶標(biāo)的接收單元位于坐標(biāo)原點;目標(biāo)以8節(jié)航速沿x軸正向運動,魚雷以45節(jié)航速向目標(biāo)中心點進(jìn)行攻擊,魚雷攻擊方位角為α,距離為R。

4.1目標(biāo)回波展寬對比分析

令魚雷的距離為600m,方位角從0°～180°變化,每10°計算一次回波,如圖4所示為四種目標(biāo)回波展寬隨魚雷方位角的變化曲線。

圖4　三種靶標(biāo)與潛艇波形展寬仿真計算圖

從中可以看出:N收N發(fā)靶標(biāo)與帶延時補償?shù)?收N發(fā)靶標(biāo)可以在具有一定應(yīng)答延時的情況下,基本無損失的模擬潛艇目標(biāo)回波展寬特征,而無延時補償?shù)?收N發(fā)靶標(biāo)則回波展寬相對較短,存在一定損失。

4.2亮點起伏特性分析

圖5、圖6所示為魚雷距離600m時,不同方位角回波仿真結(jié)果;圖7、圖8所示為魚雷方位角40°時,不同距離回波仿真結(jié)果。

圖5　尋的信號波形圖(方位角20°)

圖6　尋的信號波形圖(方位角60°)

圖7　尋的信號波形圖(R=400m)

圖8　尋的信號波形圖(R=800m)

從中可以看出:靶標(biāo)可以模擬出回波的亮點起伏特征,但與潛艇回波比較,亮點起伏特征仍然存在較為明顯的區(qū)別。

5結(jié)語

本文研究了潛艇與多亮點水下靶標(biāo)回波展寬和亮點起伏特性,給出了潛艇與靶標(biāo)回波的計算方法,對三種典型模式的多亮點水下靶標(biāo)與潛艇的回波情況進(jìn)行了仿真和對比分析。從回波展寬和亮點起伏特性角度來說,N收N發(fā)靶標(biāo)與帶延時補償?shù)?收N發(fā)靶標(biāo)可以在具有一定應(yīng)答延時的情況下,基本無損失地模擬潛艇目標(biāo)的回波展寬特征,而無延時補償?shù)?收N發(fā)靶標(biāo)在回波展寬模擬上有一定的損失,模擬逼真度相對偏低;三種靶標(biāo)在亮點起伏上均不能與潛艇達(dá)到完全一致,但考慮到亮點起伏的無規(guī)則性,且在魚雷端并無先驗知識,因此在某種程度上可以定性地認(rèn)為對亮點起伏特征的模擬是等效的。

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中圖分類號U674

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.02.035

作者簡介:向小梅,女,碩士,工程師,研究方向:水聲信號處理。蔣楚鷗,男,碩士,高級工程師,研究方向:水聲信號處理。

*收稿日期:2015年8月4日,修回日期:2015年9月18日