潜艇与多亮点靶标回波展宽和亮点起伏特性研究*

2016-03-15向小梅蒋楚鸥

舰船电子工程 2016年2期

关键词：潜艇

向小梅　蒋楚鸥

(91388部队　湛江　524022)

潜艇与多亮点靶标回波展宽和亮点起伏特性研究*

向小梅蒋楚鸥

(91388部队湛江524022)

摘要论文主要研究了多亮点水下靶标与潜艇声发射回波展宽和亮点起伏问题。针对多亮点靶标与潜艇实现声反射回波的不同机理,提出一种潜艇与靶标回波的计算方法,针对典型的三种多亮点靶标模型及潜艇的回波展宽和亮点起伏进行了仿真计算和对比分析。

关键词多亮点水下靶标; 潜艇; 回波展宽; 亮点起伏

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

国内近年来发展了多型多亮点水下靶标,其基本原理都是通过水平布放的若干个模拟声反射亮点,来模拟潜艇目标的横向空间尺度反射特征,潜艇回波是艇体表面直接反射鱼雷寻的信号而形成,而多亮点水下靶标模拟回波是通过收发换能器的接收—处理—转发的方式来实现的,因此潜艇与水下靶标的回波会存在一定差别,本文主要从回波展宽、亮点起伏这两个方面的特征对两者进行对比研究。

2潜艇与多亮点靶标回波计算方法

2.1潜艇回波计算方法

潜艇回波可以近似为若干个等效反射亮点的回波叠加而成,每个等效反射亮点可由三维位置坐标Ti={xi,yi,zi}和反射系数Ai等四个参数进行描述,计算等效反射亮点回波需要考虑时延、传播衰减、两者相对运动带来的多普勒效应以及位置变化等因素。

(1)

解方程可得到t1,由余弦定理可计算出鱼雷在0时刻向TiR坐标方向运动的相对速度VSTiR和目标亮点i在t1时刻向S坐标方向运动的相对速度VTiRS,令鱼雷发射脉冲为s0(t),则亮点i接收信号为:

(2)

式中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。

图1　鱼雷与潜艇第i个亮点相对运动示意图

亮点反射的声波经过时间t2到达鱼雷,此时鱼雷的坐标移动到SR,由余弦定理可计算出目标亮点在t1时刻向SR坐标方向运动的相对速度VTiRSR和鱼雷在t1+t2时刻向TiR坐标方向运动的相对速度VSRTiR。

亮点的目标强度为TS=20·log(Ai),为亮点反射系数,则鱼雷接收到目标亮点反射回波信号为

(3)

将所有等效反射亮点回波进行线性叠加可得到潜艇回波。

2.2多亮点靶标回波计算方法

(4)

图2　鱼雷与靶标第i个亮点收发单元运动示意图

求解方程得到t1,由余弦定理计算出鱼雷在0时刻向TRiR坐标方向运动的相对速度VSTRiR,以及亮点接收单元在t1时刻向S坐标方向运动的相对速度VTRiRS。

令鱼雷发射脉冲信号为,亮点接收单元的接收信号为,靶标在应答时一般会对接收信号做应答延迟、多普勒频移及目标强度处理后再由发射单元进行转发,假定亮点发射单元的应答延迟为τ,多普勒速度为Δv,目标强度为TS,则靶标亮点发射单元转发回波信号为

(5)

此时亮点发射单元的坐标为TSiS,转发声波经过时间t2到达鱼雷,此时鱼雷的坐标为SR,由余弦定理计算出亮点发射单元在t1+τ时刻向SR坐标方向运动的相对速度VTSiSSR,以及鱼雷在t1+τ+t2时刻向TSiS坐标方向运动的相对速度VSRTSiS。则鱼雷接收到水下靶标亮点发射单元转发回波信号为

(6)

将所有模拟反射亮点回波进行线性叠加可得到水下靶标回波。

3多亮点靶标对潜艇模型的近似方法

多亮点靶标采用若干个等效反射点来近似模拟潜艇的多亮点反射特征,通常情况下潜艇等效反射亮点集的数量要大于靶标模拟亮点的数量,且亮点的分布会随鱼雷相对潜艇的攻击角度发生变化,因此靶标各个亮点的反射强度要随潜艇等效反射亮点集进行相应的变化,本文采用分区相干叠加计算靶标各亮点反射强度来逼近潜艇模型。

图3　潜艇亮点及水下靶标的等效点源示意图

如图3所示为潜艇亮点及水下靶标的等效点源示意图,根据靶标模拟亮点的位置将潜艇划分为若干段,每个亮点对应一段,对段内的潜艇等效反射亮点根据鱼雷的方位角、距离以及寻的信号频率进行相干叠加得到对应靶标模拟亮点的反射强度。

4潜艇回波与多亮点靶标回波仿真分析

假设多亮点靶标按N收N发、带延时补偿1收N发和不带延时补偿1收N发三种模式工作,本文针对这三种靶标与潜艇,主要从目标回波展宽和亮点起伏特性分布两个方面进行对比分析。

令水下靶标亮点数八个,长度90m等间距分布,其中N收N发靶标的各收发单元间距为1m,1收N发模式靶标的接收单元位于坐标原点;目标以8节航速沿x轴正向运动,鱼雷以45节航速向目标中心点进行攻击,鱼雷攻击方位角为α,距离为R。

4.1目标回波展宽对比分析

令鱼雷的距离为600m,方位角从0°～180°变化,每10°计算一次回波,如图4所示为四种目标回波展宽随鱼雷方位角的变化曲线。

图4　三种靶标与潜艇波形展宽仿真计算图

从中可以看出:N收N发靶标与带延时补偿的1收N发靶标可以在具有一定应答延时的情况下,基本无损失的模拟潜艇目标回波展宽特征,而无延时补偿的1收N发靶标则回波展宽相对较短,存在一定损失。

4.2亮点起伏特性分析

图5、图6所示为鱼雷距离600m时,不同方位角回波仿真结果;图7、图8所示为鱼雷方位角40°时,不同距离回波仿真结果。

图5　寻的信号波形图(方位角20°)

图6　寻的信号波形图(方位角60°)

图7　寻的信号波形图(R=400m)

图8　寻的信号波形图(R=800m)

从中可以看出:靶标可以模拟出回波的亮点起伏特征,但与潜艇回波比较,亮点起伏特征仍然存在较为明显的区别。

5结语

本文研究了潜艇与多亮点水下靶标回波展宽和亮点起伏特性,给出了潜艇与靶标回波的计算方法,对三种典型模式的多亮点水下靶标与潜艇的回波情况进行了仿真和对比分析。从回波展宽和亮点起伏特性角度来说,N收N发靶标与带延时补偿的1收N发靶标可以在具有一定应答延时的情况下,基本无损失地模拟潜艇目标的回波展宽特征,而无延时补偿的1收N发靶标在回波展宽模拟上有一定的损失,模拟逼真度相对偏低;三种靶标在亮点起伏上均不能与潜艇达到完全一致,但考虑到亮点起伏的无规则性,且在鱼雷端并无先验知识,因此在某种程度上可以定性地认为对亮点起伏特征的模拟是等效的。

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中图分类号U674