基于改進(jìn)板塊元法的標(biāo)準(zhǔn)潛艇收發(fā)分置目標(biāo)強(qiáng)度分析

馮雪磊, 李曉偉, 李 錦, 陳南若

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基于改進(jìn)板塊元法的標(biāo)準(zhǔn)潛艇收發(fā)分置目標(biāo)強(qiáng)度分析

馮雪磊, 李曉偉, 李 錦, 陳南若

(中國船舶科學(xué)研究中心 深海載人裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 無錫, 214082)

收發(fā)分置目標(biāo)強(qiáng)度是雙基地和多基地聲吶的重要參數(shù), 文中采用改進(jìn)板塊元方法分析了具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)潛艇收發(fā)分置目標(biāo)強(qiáng)度。首先, 將收發(fā)合置的改進(jìn)板塊元方法推廣到收發(fā)分置的情形, 推導(dǎo)并驗(yàn)證收發(fā)分置的改進(jìn)板塊元方法; 然后, 在考慮二次散射和遮擋的情況下, 分析包含外殼、內(nèi)殼和肋板的雙殼體標(biāo)準(zhǔn)潛艇的中高頻收發(fā)分置目標(biāo)強(qiáng)度; 最后, 分析了收發(fā)分置目標(biāo)強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)特性。結(jié)果表明: 1) 改進(jìn)板塊元方法在分置角不大時(shí)具有較好的準(zhǔn)確度, 避免了坐標(biāo)變換導(dǎo)致的大量計(jì)算, 提高了計(jì)算的穩(wěn)定性; 2) 對于雙殼體標(biāo)準(zhǔn)潛艇, 在多數(shù)情況下潛艇外殼的一次散射是目標(biāo)強(qiáng)度的主要貢獻(xiàn), 而外殼的二次散射較小, 當(dāng)入射方向和散射方向關(guān)于艏部或者艉部對稱時(shí), 由于鏡面反射, 肋板和內(nèi)殼的貢獻(xiàn)較大; 3) 文中計(jì)算頻率目標(biāo)強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)特性隨分置角變化不大。文中的研究可為水中兵器多基地和雙基地聲吶設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

標(biāo)準(zhǔn)潛艇; 板塊元; 收發(fā)分置聲吶; 目標(biāo)強(qiáng)度

0 引言

收發(fā)分置的雙基地或多基地主動(dòng)聲吶已經(jīng)成為現(xiàn)代水下平臺(tái)聲吶探測技術(shù)的研究熱點(diǎn)[1-2], 這是因?yàn)槭瞻l(fā)分置聲吶不僅具有傳統(tǒng)主動(dòng)聲吶高效探測的優(yōu)勢, 而且由于發(fā)射基地遠(yuǎn)離水下平臺(tái), 因而具有隱蔽探測的優(yōu)勢。目標(biāo)潛艇的聲學(xué)散射特性和目標(biāo)強(qiáng)度對于分析收發(fā)分置聲吶的探潛性能具有重要意義。針對雙殼體潛艇目標(biāo)強(qiáng)度的分析研究已有很多, 但是通常情況下多考慮收發(fā)合置的情形[3-5], 而對于潛艇收發(fā)分置目標(biāo)強(qiáng)度的研究則只考慮單殼體的情形[6-7]。此外, 目標(biāo)潛艇的朝向通常是未知的, 因此研究目標(biāo)潛艇不同朝向時(shí)的收發(fā)分置目標(biāo)強(qiáng)度及其統(tǒng)計(jì)特性, 可以為雙基地聲吶提供更多設(shè)計(jì)支撐。

有多種通用的數(shù)值計(jì)算方法可處理聲學(xué)散射問題[8-9], 例如有限元方法、邊界元方法等都可在很大的頻率范圍內(nèi)獲得較為精確的計(jì)算結(jié)果。但是為了獲得較高的計(jì)算精度, 通常需要對潛艇模型劃分較為密集的網(wǎng)格, 且頻率越高網(wǎng)格越密集[10]。因此, 對于中高頻的大型潛艇模型而言, 這些方法需要大量的計(jì)算資源。板塊元方法基于高頻局部平面波近似, 可以有效提高中高頻聲學(xué)散射問題的計(jì)算效率[11], 并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證具有較高的計(jì)算精度[12]。此后提出的收發(fā)合置改進(jìn)板塊元方法[13-14]不僅解決了原板塊元算法可能出現(xiàn)的計(jì)算不穩(wěn)定的問題, 而且實(shí)現(xiàn)了全局坐標(biāo)系下的計(jì)算, 進(jìn)一步提高了計(jì)算效率。文中基于改進(jìn)板塊元法研究標(biāo)準(zhǔn)潛艇的收發(fā)分置目標(biāo)強(qiáng)度, 以期為水下武器多基地和雙基地聲吶設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 收發(fā)分置板塊元方法

1.1 一次散射

1.2 二次散射

1.3 改進(jìn)板塊元法

求解散射波的關(guān)鍵在于計(jì)算式(4)、式(7)和式(8)中的積分。在原板塊元方法中, 通常需對每一個(gè)板塊進(jìn)行坐標(biāo)變換, 在局部坐標(biāo)系中進(jìn)行計(jì)算, 這樣增加了大量的坐標(biāo)變化計(jì)算。而改進(jìn)板塊元方法利用Gordon積分算法[13], 可以在全局坐標(biāo)系中進(jìn)行計(jì)算, 省去了坐標(biāo)變換, 而且提高了算法的穩(wěn)定性。全局坐標(biāo)系下Gordon積分公式

1.4 收發(fā)分置板塊元方法驗(yàn)證

為驗(yàn)證收發(fā)分置板塊元方法的準(zhǔn)確性, 以剛硬邊界的球?yàn)槔? 采用改進(jìn)板塊元法計(jì)算其收發(fā)分置目標(biāo)強(qiáng)度, 并與Rayleigh簡正級數(shù)解對比。取剛硬球半徑與標(biāo)準(zhǔn)潛艇模型的整體結(jié)構(gòu)半徑相同, 即3.75 m。參照文獻(xiàn)[16]和[17], 取板塊元最大尺寸150 mm, 并取板塊元最大尺寸50 mm作為對比。圖3為收發(fā)分置板塊元方法驗(yàn)證結(jié)果。由圖可知, 隨著分置角增大, 板塊元方法與理論值的偏差越來越大。當(dāng)分置角小于60o時(shí), 板塊元方法與理論值符合較好, 偏差小于1 dB, 此時(shí)板塊元方法的精度較高; 當(dāng)分置角小于120o時(shí), 板塊元方法與理論值最大偏差為2 dB左右, 此時(shí)板塊元方法有一定的誤差, 但是仍然以這一范圍分置角的目標(biāo)強(qiáng)度作為參考; 當(dāng)分置角大于120o時(shí), 板塊元方法與理論值不符, 因此不再計(jì)算這一范圍分置角的目標(biāo)強(qiáng)度。

板塊元方法與理論值不符之處主要在于正向散射區(qū)域, 在這一區(qū)域, 散射聲波和入射聲波反向疊加后形成陰影區(qū)。另外, 板塊元最大尺寸分別為150 mm和50 mm時(shí)得到的結(jié)果極為接近, 即圖3中黑色實(shí)線和黑色虛線幾乎重合, 兩者相差不超過0.2 dB, 考慮到計(jì)算速度和計(jì)算開銷, 分析計(jì)算時(shí)板塊元最大尺寸取為150 mm。

2 潛艇模型和計(jì)算設(shè)定

參考文獻(xiàn)[6]可知以下參數(shù)。

且

式中,為頻率;

3 結(jié)果與分析

進(jìn)一步分析內(nèi)殼和外殼對目標(biāo)強(qiáng)度的貢獻(xiàn), 如圖7所示。圖中為收發(fā)合置時(shí)的情形, 對于收發(fā)分置的情形也有類似結(jié)果。圖中黑色實(shí)線為外殼的一次散射, 黑色虛線為外殼的二次散射, 灰色實(shí)線為內(nèi)殼的一次散射, 灰色虛線為內(nèi)殼的二次散射。其中內(nèi)殼的散射考慮了聲線穿透外殼時(shí)的損耗。由圖可見, 大部分情形下, 外殼的一次散射是目標(biāo)強(qiáng)度的主要貢獻(xiàn)。外殼的二次散射均在?20 dB左右, 最大值不超過0 dB, 因此外殼的二次散射貢獻(xiàn)較小, 在準(zhǔn)確性要求不高的情況下可以忽略。內(nèi)殼的散射由于穿過外殼時(shí)的吸聲材料的損耗, 對目標(biāo)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)相對外殼較小, 特別是30 kHz時(shí), 由于穿透外殼造成的損耗, 內(nèi)殼的散射遠(yuǎn)小于外殼。但是在艏部方向、正橫方向和艉部方向內(nèi)殼散射較大, 特別是艏部方向和艉部方向內(nèi)殼的貢獻(xiàn)要大于外殼散射。另外, 在很多情形下內(nèi)殼的二次散射大于一次散射, 這主要是由于內(nèi)殼和肋板之間有較強(qiáng)的相互作用[12]。

圖8和圖9分別為特定概率對應(yīng)的目標(biāo)強(qiáng)度上側(cè)分位數(shù), 及特定目標(biāo)強(qiáng)度上側(cè)分位數(shù)對應(yīng)的概率。由圖可見, 不同分置角對應(yīng)的目標(biāo)強(qiáng)度上側(cè)分位數(shù)變化不大, 相對而言, 分置角較大時(shí)的目標(biāo)強(qiáng)度上側(cè)分位數(shù)略高于分置角較小時(shí), 表明分置角較大時(shí)目標(biāo)強(qiáng)度取得較大值的概率稍大, 從目標(biāo)強(qiáng)度的角度而言有利于探測。值得注意的是, 當(dāng)分置角很大而使接收基地處于聲影區(qū)時(shí), 聲吶受到直達(dá)波的強(qiáng)烈干擾, 此時(shí)反而不利于探測, 因此分置角的選擇要權(quán)衡各方面因素。

4 結(jié)束語

文中首先將收發(fā)合置的改進(jìn)板塊元方法推廣到收發(fā)分置的情形, 推導(dǎo)了考慮二次散射的收發(fā)分置改進(jìn)板塊元方法, 并采用剛硬球驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。改進(jìn)板塊元方法在全局坐標(biāo)系中進(jìn)行計(jì)算, 避免了坐標(biāo)變換導(dǎo)致的大量計(jì)算, 并且可以提高計(jì)算的穩(wěn)定性。收發(fā)分置的改進(jìn)板塊元方法在分置角較大時(shí)誤差較大, 因此板塊元方法適用于分置角不大的情形。然后在考慮二次散射和遮擋的情況下, 分析具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的潛艇目標(biāo)的中高頻目標(biāo)強(qiáng)度, 包括外殼、內(nèi)殼和肋板。大多數(shù)情形下, 外殼的一次散射對整體目標(biāo)強(qiáng)度起主要貢獻(xiàn), 外殼二次散射相對較小, 在準(zhǔn)確度要求不高的情況下可以忽略; 而當(dāng)入射方向和散射方向關(guān)于艏部或者艉部對稱時(shí), 由于鏡面反射, 肋板和內(nèi)殼散射對目標(biāo)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較大。最后, 分析了收發(fā)分置目標(biāo)強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)特性?？傮w而言, 收發(fā)分置目標(biāo)強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)特性隨分置角變化不大。

由于板塊元方法分析收發(fā)分置目標(biāo)強(qiáng)度時(shí), 分置角不宜取得過大, 因此研究中高頻大分置角目標(biāo)強(qiáng)度的計(jì)算方法可能是未來的一個(gè)研究方向。此外, 板塊元方法未考慮殼體的共振散射, 因此進(jìn)一步的工作可以考慮板塊元方法與艇體振動(dòng)相耦合的情況。

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(責(zé)任編輯: 楊力軍)

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

馮雪磊, 李曉偉, 李錦, 等. 基于改進(jìn)板塊元法的標(biāo)準(zhǔn)潛艇收發(fā)分置目標(biāo)強(qiáng)度分析[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 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.

國家自然科學(xué)基金(11772304).

馮雪磊(1989-), 男, 博士, 工程師, 主要研究方向?yàn)槁晫W(xué)換能器設(shè)計(jì).