鱼雷面尺度靶标模型的创建及工程实现方案*

武鹤龙 蒋楚鸥

(91388部队第93分队 湛江 524022)



鱼雷面尺度靶标模型的创建及工程实现方案*

武鹤龙 蒋楚鸥

(91388部队第93分队 湛江 524022)

论文用分布在纵横双维尺度的、具有不同加权系数的声反射亮点模拟潜艇目标的面尺度特性,基于模拟目标潜艇的声反射特性和声传播原理,构建了面尺度靶标模型,并详细阐述了几种不同类型的典型面尺度靶标在工程应用中的实现方案。为尺度靶标的进一步发展提供了有力的理论依据。

面尺度; 靶标; 模型; 工程方案

Class Number TN95

1 引言

目前,国内多数水下靶标模拟的是潜艇点目标,或是只模拟横向潜艇艇体的线性尺度靶标,而忽略了纵向维度的围壳尺度对声信号的反射特性。在高频情况下,任何一种目标的回波都是由若干个子波回波叠加而成。每个子波可以看做是目标某个散射点发出的波,这个散射点就是亮点(high light)。一般情况下,潜艇目标的反射回波由几个主要的强反射子回波组成,主要的反射子回波一般为艇体、围壳体大面积光滑部分的回波,围壳和艇体相接处及艇首艇尾突出处的棱角反射回波。围壳体的声反射特性对回波信号的各项参数,特别是目标的横向、纵向维度的方位走向具有相当程度的影响。本文就用具有不同加权系数的双维声反射亮点模拟潜艇目标的面尺度特性,构建面尺度靶标模型,并详细阐述几种不同类型的典型面尺度靶标在实际工程应用中的实现方案。

2 鱼雷面尺度靶标建模

对于潜艇等较大型的鱼雷目标来说,由于其具有一定的尺度,产生的反射回波信号源于一个在距离和方位上有一定分布的延展体。这个延展体可以近似等效于在空间上有一定分布的若干个“点”目标之和,对于尺度靶标来说,叫做点源,或亮点。面尺度靶标模型模拟的是潜艇目标横向、纵向双维尺度上的声反射特性。

潜艇的主要构成是横向椭球形的艇体和纵向椭柱形围壳,形成纵横垂直交叉的主体外形结构,在鱼雷入射声信号大面积覆盖时,潜艇声目标回波信号强亮点主要集中在曲率较大、外形陡峭的艇体和围壳的轴向区域,所以其回波特性可用纵横双维的面尺度靶标亮点表征。如图1所示。

图1 面尺度靶标双维亮点回波模型示意图

在图1中,在双维面尺度靶标上建立由横向艇体部分和纵向围壳部分构成的X-Y平面坐标系,根据实际的潜艇回波信号测量以及潜艇目标的表面结构和信号反射等信息得知,声源亮点有强反射亮点和弱散射亮点之分,其中,艇体和围壳的双层结构、突出部位、棱角、弹性材料等产生的是强度较弱的回波信号,属于弱散射亮点,而分布在艇体和围壳的轴向区域的突出或显要部位则属于强反射亮点之列。其亮点突出的镜反射亮点或强亮点主要分布于艇体艏部、前部、中部、后部、艉部和围壳这些大面积且突出显要的部位[1],根据实测的潜艇回波信号,其强反射亮点的个数约为2～11个,这主要取决于测量点和潜艇的相对方位以及潜艇的结构材料。结合实测结果与潜艇的突出显要部位来考虑,模拟潜艇目标的面尺度靶标可设置6个强反射亮点,分别模拟潜艇目标横向艇体的艏部、前部、中部、后部、艉部以及纵向围壳的大面积反射区域[2]。由于对鱼雷和声纳的探测而言,弱亮点的散射信号强度小,结构不易识别,难以从环境噪声中较准确的分辨,所以,面尺度靶标主要模拟的是潜艇目标的强亮点反射特性,而其尺度特性则是由横纵双维的强亮点结构来模拟。实际情况下,围壳的位置一般在距离艇艏1/3至2/5处,因此,纵向亮点的位置应该参照设置。

面尺度声靶供靶过程中,鱼雷的应答信号受水声环境等因素影响,主要发生多普勒频移、时间的延迟和压缩展宽、幅度的衰减等变化[3]。假定鱼雷发射脉冲信号为f(t),则信号到达亮点i时为

(1)

式(1)中τi1表示入射过程的时间延迟,ωi1表示入射过程的频率变化(多普勒频移),TL表示声传播损失,一般包括波阵面扩展衰减和声吸收衰减两部分[4]。

R0与海区深度有关,一般为10倍海深[5]。

亮点i反射的声波经过时间τ2到达鱼雷,假设亮点i的目标强度为TSi,则鱼雷接收到目标亮点i的反射回波信号为

(2)

式(2)中τi2表示亮点i反射过程的时间延迟,ωi2表示反射过程回波信号的频率变化(多普勒频移)[6]。

面尺度靶标回波为其所有亮点回波的叠加,因此总的回波为

·f(t+τi1+τi2)·ej(ωi1+ωi2)

(3)

当然,横向亮点和纵向亮点的回波信号可以依照上式分开来算,即先各自算出横向N个亮点和纵向M个亮点的回波信号,再将两部分矢量叠加,即可得到总的回波信号[7]。

3 鱼雷面尺度靶标工程实现方案

在水下靶标系统研究中,要实现潜艇横向艇体和径向围壳的双维面尺度模拟,主要解决的问题是如何用若干个收发换能器以一定的布局方式形成面尺度基阵。

3.1 换能器布局方案

1) 横向尺度和径向尺度均用N收N发的换能器布局模式。

如图2所示。在此种模式下,用特定位置的一对收发换能器模拟该位置的一个亮点,第i个亮点的接收换能器收到信号,那么该亮点的发射换能器以才系统解算的时间延迟、按照一定的频率、强度转发信号。

2) 横向尺度用一收N发模式,径向尺度用N收N发模式。

如图3所示。此种模式下,横向任何一个接收换能器收到鱼雷信号后,各个发射换能器都将根据信号入射的位置角度以一定的时间间隔转发信号。纵向仍按照N收N发的方式布局。

图2 N收N发的换能器布局模式

图3 横向尺度一收N发径向尺度N收N发模式示意图

具体的布阵方案分固定靶标和活动靶标两种情况予以设计实现[8]。

3.2 固定面尺度靶标布局方案

固定面尺度靶标布局可用船载或其它平台吊装多路换能器,换能器的布局要根据之前的模式设定。根据N收N发的换能器布局模式布阵的方案如图4所示。

图4 N收N发模式固定面尺度靶标布局方案

1收N发模式的固定面尺度靶标布局同理。

3.3 活动面尺度靶标布局方案

活动面尺度靶标布局是在活动平台上搭建,诸如舰船、靶雷。

船拖拖曳活动靶标布局如图5所示。各个亮点换能器按照图示分布在主副拖缆上,为取得良好稳定的面尺度特性,船拖拖曳靶标的横向艇体部分用一条零浮力的主拖缆模拟,主拖缆上按照相应的方式布局特种收发换能器,构成尺度亮点。围壳体则用距主拖缆一定距离的具有正浮力的副拖缆模拟,副拖缆末端布有一个模拟纵向亮点的零浮力发射换能器。在主拖缆的前端安装有姿态控制段[9]。主、副拖缆前端均与拖线相连,由于主、副拖缆距离和浮力的不同,可使分布在其上的零浮力换能器上下分开一定的距离,所以,能够较好地模拟面尺度特性。

图5 船拖拖曳活动靶标布局示意图

靶雷拖曳活动靶标布局如图6所示。主拖缆采用零浮力拖曳电缆,副拖缆为尾部带一浮球的正浮力拖曳电缆,分叉缆为一零浮力小型拖曳电缆,拖缆前端与雷尾部拖曳装置相连,主拖缆分布有一定数量的零浮力收发换能器,用来模拟潜艇的横向尺度特性。与船拖拖曳靶标不同的是靶雷的纵向围壳体的亮点模拟方式。正浮力副拖缆的末端系有一浮球,在距离副拖缆一定距离的位置接有零浮力的分叉缆,按照围壳在艇体首艉的位置比例,在分叉缆的相应位置布有模拟纵向分布亮点的零浮力换能器。靶雷航行过程中,浮球和正浮力的副拖缆使得连接在其上的分叉缆上升到一定高度,由于主拖缆和分叉缆均为零浮力,上下维持了一定距离,从而实现了面尺度靶标横纵双维尺度的模拟[10]。靶雷拖曳活动面尺度靶标与船拖形式相比,较为复杂,如何方便高效的将靶雷面尺度靶标发射展开以及迅速形成稳定面尺度基阵,需要在技术总体实现上慎重考虑。

图6 靶雷拖曳活动靶标布局示意图

4 结语

假定随着现代水中兵器的的迅速发展,鱼雷等武器装备的试验鉴定日益频繁,新式的军用装备亟需具有水声对抗、尺度模拟等先进技术功能的现代水下靶标进行高质量的供靶保障。本文详细阐述了面尺度靶标的概念作用,建立了面尺度靶标的模型,并提出了几种典型面尺度靶标的工程实现方案,为尺度靶标的进一步研究和发展提供了有效的依据和借鉴。

[1] 李正刚.水下目标声回波的双维亮点模型研究[J].声学技术,2005(z1):51-52.

[2] 白峻,申晓红,王海燕,等.水下小尺度目标宽带亮点回波建模及实验验证[J].鱼雷技术,2008,16(5).

[3] 马康红.水声数字通信系统研究[D].西安:西北工业大学,2001.

[4] 罗修波,董晓恒.被动式声诱饵声学模型仿真研究[C]//2006系统仿真技术及其应用学术交流会论文集,2006.

[5] 贾跃,宋保维,梁庆卫.鱼雷武器系统效能评估模型及其仿真[J].兵工学报,2006(3).

[6] 邢志刚,封金星,刘伯胜.水声测距数学模型研究[J].哈尔滨工程大学学报,2000(3).

[7] 董阳泽.声诱饵仿真评估系统的研究和实现[D].西安:西北工业大学,2002.

[8] 李正刚.水下潜艇面尺度目标模拟换能器基阵实现方案[J].声学与电子工程,2006年增刊第49号:51-53.

[9] 张振华,朱锡,冯刚,等.潜艇艇体结构生命力评估体系研究[J].船舶工程,2004(5).

[10] 蒋楚鸥,苏建军,向小梅.潜艇目标尺度模型在水下靶标中的应用研究[C]//2009年全国水声学学术交流暨水声学分会换届改选会议论文集,2009.

Creation and Enginerring Solution of Torpedo Surface-scale Model

WU Helong JIANG Chuou

(Unit 93, No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)

In this paper, two-dimensional distribution of the vertical and horizontal scales, highlights simulate submarine acoustic reflection characteristics of the target surface with a different scale weighting factor based on the principles of sound propagation characteristics of acoustic reflex simulated target submarines, surface constructed scale target model and elaborated several different types of typical target surface scale implementation in engineering applications, The results provides a strong theoretical basis for the further development of target scale.

surface-scale, target, modeling, engeneering solutions

2014年10月13日,

2014年11月21日

武鹤龙,男,助理工程师,研究方向:水下靶标。

TN95

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.025