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    基于亮點模型的水下目標(biāo)近程回波仿真研究*

    2011-08-10 09:22:44朱利超魏鵬舉唐雙喜劉國平
    艦船電子工程 2011年11期
    關(guān)鍵詞:聲納半軸圓柱體

    朱利超 魏鵬舉 高 杰 唐雙喜 劉國平

    (海軍裝備采購中心1) 北京 100085)(68341部隊2) 西安 710089)(海軍92840部隊3) 青島 266405)

    1 引言

    水下尺度目標(biāo)回聲特性是水聲學(xué)中的一個重要研究方向,是目標(biāo)探測、識別和定位的重要依據(jù)。對尺度目標(biāo)回波信號進行仿真模擬,在一定程度上可以避免進行昂貴、復(fù)雜的實驗以取得實驗回波數(shù)據(jù)。對主動對抗器材來說,模擬出逼真的目標(biāo)回波信號可以用來干擾自導(dǎo)系統(tǒng)對目標(biāo)的跟蹤從而達到水聲對抗的目的。此外,對目標(biāo)的回波信號進行仿真模擬還可用于分析目標(biāo)的聲學(xué)特性。理論分析和實驗研究都證明,在高頻情況下,尺度目標(biāo)回波可近似看成是目標(biāo)亮點回波相干疊加的結(jié)果[1]。近年來,目標(biāo)的亮點模型及其分布特征的提取受到了廣泛的關(guān)注[2~5]。本文首先介紹了目標(biāo)回波的亮點結(jié)構(gòu)和亮點模型,并給出了亮點參數(shù)的計算方法,針對兩種簡單形狀目標(biāo)進行了亮點回波仿真同時對目標(biāo)的回波亮點結(jié)構(gòu)進行了分析。

    2 尺度目標(biāo)近場回波亮點結(jié)構(gòu)

    在高頻情況下,任何一個復(fù)雜目標(biāo)都可以等效成若干個散射亮點的組合。每個散射亮點產(chǎn)生一個亮點回波,總的回波是這些亮點回波相干迭加的結(jié)果。亮點及其強度分布主要由目標(biāo)外形和表面曲率決定。

    根據(jù)形成機理可以把亮點分成幾何類亮點和彈性類亮點兩類[1]。幾何類亮點主要是由目標(biāo)的幾何形狀和材料的聲學(xué)特性決定。最重要的是凸光滑表面上的鏡反射亮點。此外還有棱角或邊緣產(chǎn)生的反射亮點,主要是由表面法線方向不連續(xù)引起的。彈性類亮點主要是在特定條件下出現(xiàn)的表面繞行波或彈性散射波對應(yīng)的亮點。

    3 目標(biāo)亮點模型及計算

    在高頻情況下,任何一個復(fù)雜目標(biāo)都可以等效成若干個散射亮點的組合。按照線性迭加原理,總的傳遞函數(shù)可以表示成[1]

    其中N是子目標(biāo)所劃分的網(wǎng)格數(shù);cos(R,n)是入射聲線與板塊法線夾角的余弦值。將Gordon積分算法引入到板塊元方法中,可對上述積分做進一步的簡化。對于目標(biāo)的亮點位置可通過計算子目標(biāo)表面被照射區(qū)域的板塊的中心位置并結(jié)合板塊的反射系數(shù)進行求取:

    若假設(shè)各亮點位置與聲納系統(tǒng)中心之間的距離為{ri},以其中的最小值rmin為基準(zhǔn),則相對時延為:

    4 數(shù)值計算與分析

    4.1 圓柱體目標(biāo)回波仿真

    圖1 聲納系統(tǒng)與圓柱體目標(biāo)之間的相對位置

    以一段圓柱體目標(biāo)為研究對象,圓柱體長度為60m,半徑為5m,建立如圖所示直角坐標(biāo)系。計算中采用收發(fā)合置聲納系統(tǒng),且目標(biāo)表面為剛性邊界條件,將目標(biāo)均分為3個子目標(biāo)。發(fā)射信號為LFM信號,中心頻率為25kHz,帶寬1kHz,脈寬為5ms,聲納系統(tǒng)與目標(biāo)之間的距離為100m,照射角為30°,采用高斯白噪聲模擬背景噪聲,信噪比SNR=5dB。圖2(a)為不添加噪聲時的仿真回波,從仿真圖中可明顯看出目標(biāo)回波的3個亮點。圖2(b)為添加噪聲之后的仿真回波,從圖中仍可明顯看出目標(biāo)回波的兩個亮點結(jié)構(gòu),由于存在棱角因此亮點強度較強,另一個亮點回波由于強度較弱,被背景噪聲所湮沒。

    圖2 圓柱體目標(biāo)回波仿真

    4.2 組合體目標(biāo)回波仿真

    圖3 聲納系統(tǒng)與潛艇目標(biāo)之間的相對位置

    以下選取一簡化的潛艇目標(biāo)為研究對象,將潛艇目標(biāo)模擬化為一橢圓柱體和一橢球體的組合。橢圓柱體的長半軸為40m,短半軸為5m,艦橋中心距艇艏30m處,長半軸為5m,短半軸為3m,建立如圖所示直角坐標(biāo)系。發(fā)射信號為LFM信號,中心頻率為20kHz,帶寬1kHz,脈寬為10ms,聲納系統(tǒng)與目標(biāo)之間的距離為200m,采用高斯白噪聲模擬背景噪聲,信噪比SNR=10dB。圖4(a)和圖4(b)分別為照射角為90°和180°時仿真目標(biāo)回波。從仿真結(jié)果可以看出在正橫情況下由于艦橋亮點與艇體亮點距聲納系統(tǒng)距離較為接近,亮點子回波幾乎同時到達,但回波幅度大于其它照射角的情況;在艇艏艉情況下,情形正好相反,但亮點子回波分布較為明顯。

    圖4 潛艇目標(biāo)仿真回波

    5 結(jié)語

    本文研究了尺度目標(biāo)近程回波的多亮點模型,采用板塊元算法計算亮點的目標(biāo)強度,同時結(jié)合面元的反射強度值和照射區(qū)域計算亮點位置,最后以一段圓柱體目標(biāo)和一個簡單形狀的組合體目標(biāo)為研究對象,進行了回波仿真。仿真結(jié)果較好地體現(xiàn)了目標(biāo)的回波結(jié)果。此外,要模擬更加精確的目標(biāo)回波,還必須考慮反射體表面敷設(shè)吸聲材料、噪聲,混響等因素的影響,這些問題將在下一步的工作中進行研究。

    [1]湯渭霖.聲納目標(biāo)回波的亮點模型[J].聲學(xué)學(xué)報,1994,19(2):92~100

    [2]劉文遠,張景元,呂陽,等.基于進亮點模型的尺度目標(biāo)建模技術(shù)[J].魚雷技術(shù),2008,19(2):20~24

    [3]王明洲,黃曉文,郝重陽.基于聲學(xué)亮點特征的水下目標(biāo)回波模型[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2003,15(1):21~25

    [4]何心怡,蔣興舟,林建域.基于亮點模型的潛艇回波仿真[J].魚雷技術(shù),2001,9(3):15~18

    [5]徐小虎,陳航,陳忠強.潛艇回波亮點模型的數(shù)字仿真[J].微處理機,2007(1):72~74

    [6]高天德,李志舜.水下目標(biāo)亮點結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2000,12(2):130~133

    [7]王明洲,黃曉文,郝重陽.基于聲學(xué)亮點特征的水下目標(biāo)回波模型[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2003,15(1):21~25

    [8]范軍,湯渭霖.聲納目標(biāo)強度計算的板塊元方法[J].聲學(xué)技術(shù),1999(增刊):31~32

    [9]劉成元,張明敏,程廣利.一種改進的板塊元目標(biāo)回聲計算方法[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報,2008,20(1):25~31

    [10]劉伯勝,雷家煜.水聲學(xué)原理[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2002

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