向小梅　蔣楚鷗

(91388部隊(duì)　湛江　524022)

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潛艇與多亮點(diǎn)靶標(biāo)回波展寬和亮點(diǎn)起伏特性研究*

向小梅蔣楚鷗

(91388部隊(duì)湛江524022)

摘要論文主要研究了多亮點(diǎn)水下靶標(biāo)與潛艇聲發(fā)射回波展寬和亮點(diǎn)起伏問(wèn)題。針對(duì)多亮點(diǎn)靶標(biāo)與潛艇實(shí)現(xiàn)聲反射回波的不同機(jī)理,提出一種潛艇與靶標(biāo)回波的計(jì)算方法,針對(duì)典型的三種多亮點(diǎn)靶標(biāo)模型及潛艇的回波展寬和亮點(diǎn)起伏進(jìn)行了仿真計(jì)算和對(duì)比分析。

關(guān)鍵詞多亮點(diǎn)水下靶標(biāo); 潛艇; 回波展寬; 亮點(diǎn)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(guó)內(nèi)近年來(lái)發(fā)展了多型多亮點(diǎn)水下靶標(biāo),其基本原理都是通過(guò)水平布放的若干個(gè)模擬聲反射亮點(diǎn),來(lái)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(yú)雷尋的信號(hào)而形成,而多亮點(diǎn)水下靶標(biāo)模擬回波是通過(guò)收發(fā)換能器的接收—處理—轉(zhuǎn)發(fā)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的,因此潛艇與水下靶標(biāo)的回波會(huì)存在一定差別,本文主要從回波展寬、亮點(diǎn)起伏這兩個(gè)方面的特征對(duì)兩者進(jìn)行對(duì)比研究。

2潛艇與多亮點(diǎn)靶標(biāo)回波計(jì)算方法

2.1潛艇回波計(jì)算方法

潛艇回波可以近似為若干個(gè)等效反射亮點(diǎn)的回波疊加而成,每個(gè)等效反射亮點(diǎn)可由三維位置坐標(biāo)Ti={xi,yi,zi}和反射系數(shù)Ai等四個(gè)參數(shù)進(jìn)行描述,計(jì)算等效反射亮點(diǎn)回波需要考慮時(shí)延、傳播衰減、兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)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(jì)算出魚(yú)雷在0時(shí)刻向TiR坐標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度VSTiR和目標(biāo)亮點(diǎn)i在t1時(shí)刻向S坐標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度VTiRS,令魚(yú)雷發(fā)射脈沖為s0(t),則亮點(diǎn)i接收信號(hào)為:

(2)

式中TL表示聲傳播損失,一般包括波陣面擴(kuò)展衰減和聲吸收衰減兩部分。

圖1　魚(yú)雷與潛艇第i個(gè)亮點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)示意圖

亮點(diǎn)反射的聲波經(jīng)過(guò)時(shí)間t2到達(dá)魚(yú)雷,此時(shí)魚(yú)雷的坐標(biāo)移動(dòng)到SR,由余弦定理可計(jì)算出目標(biāo)亮點(diǎn)在t1時(shí)刻向SR坐標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度VTiRSR和魚(yú)雷在t1+t2時(shí)刻向TiR坐標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度VSRTiR。

亮點(diǎn)的目標(biāo)強(qiáng)度為T(mén)S=20·log(Ai),為亮點(diǎn)反射系數(shù),則魚(yú)雷接收到目標(biāo)亮點(diǎn)反射回波信號(hào)為

(3)

將所有等效反射亮點(diǎn)回波進(jìn)行線性疊加可得到潛艇回波。

2.2多亮點(diǎn)靶標(biāo)回波計(jì)算方法

(4)

圖2　魚(yú)雷與靶標(biāo)第i個(gè)亮點(diǎn)收發(fā)單元運(yùn)動(dòng)示意圖

求解方程得到t1,由余弦定理計(jì)算出魚(yú)雷在0時(shí)刻向TRiR坐標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度VSTRiR,以及亮點(diǎn)接收單元在t1時(shí)刻向S坐標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度VTRiRS。

令魚(yú)雷發(fā)射脈沖信號(hào)為,亮點(diǎn)接收單元的接收信號(hào)為,靶標(biāo)在應(yīng)答時(shí)一般會(huì)對(duì)接收信號(hào)做應(yīng)答延遲、多普勒頻移及目標(biāo)強(qiáng)度處理后再由發(fā)射單元進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),假定亮點(diǎn)發(fā)射單元的應(yīng)答延遲為τ,多普勒速度為Δv,目標(biāo)強(qiáng)度為T(mén)S,則靶標(biāo)亮點(diǎn)發(fā)射單元轉(zhuǎn)發(fā)回波信號(hào)為

(5)

此時(shí)亮點(diǎn)發(fā)射單元的坐標(biāo)為T(mén)SiS,轉(zhuǎn)發(fā)聲波經(jīng)過(guò)時(shí)間t2到達(dá)魚(yú)雷,此時(shí)魚(yú)雷的坐標(biāo)為SR,由余弦定理計(jì)算出亮點(diǎn)發(fā)射單元在t1+τ時(shí)刻向SR坐標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度VTSiSSR,以及魚(yú)雷在t1+τ+t2時(shí)刻向TSiS坐標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度VSRTSiS。則魚(yú)雷接收到水下靶標(biāo)亮點(diǎn)發(fā)射單元轉(zhuǎn)發(fā)回波信號(hào)為

(6)

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

3多亮點(diǎn)靶標(biāo)對(duì)潛艇模型的近似方法

多亮點(diǎn)靶標(biāo)采用若干個(gè)等效反射點(diǎn)來(lái)近似模擬潛艇的多亮點(diǎn)反射特征,通常情況下潛艇等效反射亮點(diǎn)集的數(shù)量要大于靶標(biāo)模擬亮點(diǎn)的數(shù)量,且亮點(diǎn)的分布會(huì)隨魚(yú)雷相對(duì)潛艇的攻擊角度發(fā)生變化,因此靶標(biāo)各個(gè)亮點(diǎn)的反射強(qiáng)度要隨潛艇等效反射亮點(diǎn)集進(jìn)行相應(yīng)的變化,本文采用分區(qū)相干疊加計(jì)算靶標(biāo)各亮點(diǎn)反射強(qiáng)度來(lái)逼近潛艇模型。

圖3　潛艇亮點(diǎn)及水下靶標(biāo)的等效點(diǎn)源示意圖

如圖3所示為潛艇亮點(diǎn)及水下靶標(biāo)的等效點(diǎn)源示意圖,根據(jù)靶標(biāo)模擬亮點(diǎn)的位置將潛艇劃分為若干段,每個(gè)亮點(diǎn)對(duì)應(yīng)一段,對(duì)段內(nèi)的潛艇等效反射亮點(diǎn)根據(jù)魚(yú)雷的方位角、距離以及尋的信號(hào)頻率進(jìn)行相干疊加得到對(duì)應(yīng)靶標(biāo)模擬亮點(diǎn)的反射強(qiáng)度。

4潛艇回波與多亮點(diǎn)靶標(biāo)回波仿真分析

假設(shè)多亮點(diǎn)靶標(biāo)按N收N發(fā)、帶延時(shí)補(bǔ)償1收N發(fā)和不帶延時(shí)補(bǔ)償1收N發(fā)三種模式工作,本文針對(duì)這三種靶標(biāo)與潛艇,主要從目標(biāo)回波展寬和亮點(diǎn)起伏特性分布兩個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析。

令水下靶標(biāo)亮點(diǎn)數(shù)八個(gè),長(zhǎng)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(diǎn);目標(biāo)以8節(jié)航速沿x軸正向運(yùn)動(dòng),魚(yú)雷以45節(jié)航速向目標(biāo)中心點(diǎn)進(jìn)行攻擊,魚(yú)雷攻擊方位角為α,距離為R。

4.1目標(biāo)回波展寬對(duì)比分析

令魚(yú)雷的距離為600m,方位角從0°～180°變化,每10°計(jì)算一次回波,如圖4所示為四種目標(biāo)回波展寬隨魚(yú)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(jì)算圖

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

4.2亮點(diǎn)起伏特性分析

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

圖5　尋的信號(hào)波形圖(方位角20°)

圖6　尋的信號(hào)波形圖(方位角60°)

圖7　尋的信號(hào)波形圖(R=400m)

圖8　尋的信號(hào)波形圖(R=800m)

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

5結(jié)語(yǔ)

本文研究了潛艇與多亮點(diǎn)水下靶標(biāo)回波展寬和亮點(diǎn)起伏特性,給出了潛艇與靶標(biāo)回波的計(jì)算方法,對(duì)三種典型模式的多亮點(diǎn)水下靶標(biāo)與潛艇的回波情況進(jìn)行了仿真和對(duì)比分析。從回波展寬和亮點(diǎn)起伏特性角度來(lái)說(shuō),N收N發(fā)靶標(biāo)與帶延時(shí)補(bǔ)償?shù)?收N發(fā)靶標(biāo)可以在具有一定應(yīng)答延時(shí)的情況下,基本無(wú)損失地模擬潛艇目標(biāo)的回波展寬特征,而無(wú)延時(shí)補(bǔ)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(duì)偏低;三種靶標(biāo)在亮點(diǎn)起伏上均不能與潛艇達(dá)到完全一致,但考慮到亮點(diǎn)起伏的無(wú)規(guī)則性,且在魚(yú)雷端并無(wú)先驗(yàn)知識(shí),因此在某種程度上可以定性地認(rèn)為對(duì)亮點(diǎn)起伏特征的模擬是等效的。

參 考 文 獻(xiàn)

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中圖分類(lèi)號(hào)U674

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.02.035

作者簡(jiǎn)介:向小梅,女,碩士,工程師,研究方向:水聲信號(hào)處理。蔣楚鷗,男,碩士,高級(jí)工程師,研究方向:水聲信號(hào)處理。

*收稿日期:2015年8月4日,修回日期:2015年9月18日