水下目标空间尺度回波特征对体目标模拟的影响

谢志强，邓 伟，潘 明

(中国人民解放军 91388部队93分队， 广东 湛江 524022)

水下目标空间尺度回波特征对体目标模拟的影响

谢志强，邓 伟，潘 明

(中国人民解放军 91388部队93分队， 广东 湛江 524022)

为了研究水下目标空间尺度回波特征对鱼雷近距离目标模拟识别的影响，采用三维数字建模软件UG，依据现有典型水下目标尺寸，建立了四种不同比例尺寸的水下目标三维模型及水下尺度目标等效三维模型，结合成熟的板块元方法通过模拟鱼雷近程自导信号，获得了不同空间尺度目标模型的回波特征。对不同空间尺度目标回波信号进行分析，可对鱼雷目标识别技术提供理论依据，对改进水下目标空间尺度特性模拟具有重要的借鉴和指导作用。

板块元方法；目标识别；近程回波；空间尺度特性模拟

近年来随着潜艇隐身技术的成熟和减振降噪技术应用，潜艇的回波强度和噪声取得了突破性进展，这使得被动声呐和鱼雷被动自导反潜几乎丧失了优势，只能考虑采用主动声自导方式。但消声技术的使用也使潜艇的目标强度有较大的降低，从而大大影响到鱼雷自导的有效作用距离和识别概率。与此同时，随着诱饵技术的发展进步，出现了可以很好地模拟潜艇的声学特征、机动特征及尺度特征等自航式尺度声诱饵，这进一步增大了鱼雷捕获及识别目标真、假的难度。鱼雷在反潜方面具有举足轻重的地位，采用鱼雷导引弹道下目标回声特性[1-2]，预报鱼雷对潜艇目标实施准确探测、定位、跟踪以及最终命中目标，关键是在鱼雷末程对抗声诱饵、正确识别潜艇目标及其要害部位。

目前点源或线尺度模拟目标难以有效考核鱼雷是否能正确识别潜艇目标及其要害部位，采用实际潜艇又受安全因素的影响较大，因此采用水下无人实体目标用于考核鱼雷对潜艇目标及其要害部位的识别是一个不错的选择。在进行水下无人实体目标的建设过程中，需要充分考虑建设目标的外形结构以及尺寸选型，避免因建设目标尺度过小无法满足鱼雷近程识别所需的尺度要求，又避免因建设目标尺度太大而增加经费及保障难度。

鱼雷近程对目标尺度识别所需水下目标空间尺度要求，可以通过水下目标空间尺度回波特性[1]仿真预报解决。

1 水下目标空间尺度建模

水下无人实体目标主要是模拟水下潜艇的声学特性，本文选取标准的Benchmark潜艇模型作为研究对象，参照国内外典型发展模式，利用3D建模软件[3]建立了四种不同外形比例尺寸(15 m、30 m、50 m、62 m)Benchmark潜艇三维数字模型及水下尺度目标等效模型(按照潜艇亮点模型[4]进行建立)尺寸，见图1～3。

图1 Benchmark潜艇尺寸图

图2 不同比例模型示意图

图3 水下尺度目标等效模型

2 目标回波特征分析

目标回波是入射波和目标相互作用产生的，即目标回波是目标对入射波的调制结果。一般地，从波形及其他特征来说，回波与入射波是有差别的。人们利用这种差别可以检测目标和识别目标。

2.1 目标回波主要特征

目标回波主要有如下特征[5]：多普勒频移特征、目标结构和外形特征、调制效应、频域上的共振峰或目标极点、目标参量的渐变特征、距离延伸或持续时间的扩展。人们充分利用目标这些主要特征可以对目标进行识别和分类。

2.2 目标回波的贡献

目标回波与入射信号相比，回波是一个被拖长了的信号，其持续时间取决于目标沿径向距离方向上的长度。当水下目标的回波是由所有沿目标分布的散射体和反射体产生时，则目标整个面积或体积对回波有贡献。若入射方向为αT，目标径向距离延伸为lT，则回波时间扩展量为

TL=2lTcosαT/c

(1)

这种回波拖长是由复杂目标上许多散射体对入射波的散射形成的。

2.3 目标尺度估计

目标尺度估计是建立在目标参数估计基础上的。数字信号处理和计算机技术的发展，使得对目标不同部位回波的时延、方位的精确估计算法得以实现，为目标尺度识别奠定了基础。

目标尺度估计的理论基础是物理学。目标尺度估计的方法很多，对于不同的尺度估计目标，应用的方法也有很大的区别。一类是为了识别目标的真假；另一类是为了命中目标的要害部位等。

2.4 潜艇目标回波特征分析

潜艇目标回波中主要表现为三个重要的尺度特征：目标回波的时间展宽、目标回波的亮点起伏、目标回波的空间方位分布。这三个特征是目标尺度识别赖以依靠的重要特征。

鱼雷利用目标回波上的差异性能够把两个或两个以上目标加以区分。本文主要采用板块元方法[6]研究目标空间尺度回波差异的不同对鱼雷目标识别能力的影响。

3 目标空间尺度模型回波仿真

水下目标回波与鱼雷来袭方位密切相关，水下潜艇目标具有对称性，因此只研究0°～180°方位角的目标回波，鱼雷不同弦角攻击目标潜艇示意图见图4。为了更好地分析各个方位角的目标回波，本文中只选取0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°七个方位角度进行研究，分别对不同比例潜艇模型(15 m、30 m、50 m、62 m)进行回波仿真[7]，其仿真结果分别见如图5～图11所示，图中右侧标注了潜艇模型的纵向尺寸。水下尺度目标等效模型0° ～180° CW-20ms入射目标回波信号如图12所示。

图4 鱼雷不同弦角攻击目标潜艇示意图

1) 模拟鱼雷信号形式及信号入射状态

头部0°入射，信号形式：CW信号；脉宽：20 ms。

图5 不同尺寸模型0°入射CW-20 ms目标回波信号

分析总结：当从目标头部入射时，不同尺寸模型的回波信号包络具有很大差异，小尺寸模型回波信号包络间隔很小甚至出现重叠，大尺寸模型回波信号包络时延长，随着尺寸增大，其时延间隔有相应增大趋势。

2) 模拟鱼雷信号形式及信号入射状态

头部30°入射，信号形式：CW信号；脉宽：20 ms。

分析总结：从目标弦角30°入射时，不同尺寸模型的回波信号包络差异性不大，随着尺寸的增大，回波信号包络长度有较小的增大。

3) 模拟鱼雷信号形式及信号入射状态

头部60°入射，信号形式：CW信号；脉宽：20 ms。

分析总结：从目标弦角60°入射时，不同尺寸模型的回波包络宽度没有明显差异，回波信号包络起始时刻随着尺寸的增大，回波信号包络起始时刻延后。

4) 模拟鱼雷信号形式及信号入射状态

头部90°入射，信号形式：CW信号；脉宽：20 ms。

图6 不同尺寸模型30°入射CW-20 ms目标回波信号

图7 不同尺寸模型60°入射CW-20 ms目标回波信号

分析总结：从目标弦角90° 入射时，不同尺寸模型的回波包络宽度没有明显差异，回波信号包络起始时刻随着尺寸的增大，回波信号包络起始时刻较目标弦角60° 入射延后要小。

5) 模拟鱼雷信号形式及信号入射状态

头部120°入射，信号形式：CW信号；脉宽：20 ms。

分析总结：从目标弦角120°入射时，不同尺寸模型的回波包络宽度没有明显差异，回波信号包络起始时刻随着尺寸的增大，回波信号包络起始时刻同目标弦角60°入射相差不大。

图8 不同尺寸模型90°入射CW信号20 ms目标回波信号

图9 不同尺寸模型120°CW-20 ms入射目标回波信号

6) 模拟鱼雷信号形式及信号入射状态

头部150°入射，信号形式：CW信号；脉宽：20 ms。

分析总结：从目标弦角150°入射时，不同尺寸模型的回波信号包络具有较大差异，小尺寸模型回波信号包络间隔很小甚至出现重叠，大尺寸模型回波信号包络时延长，随着尺寸增大，其回波包络宽度有增大趋势。

7) 模拟鱼雷信号形式及信号入射状态

头部180°入射，信号形式：CW信号；脉宽：20 ms。

分析总结：从目标弦角180°入射时，不同尺寸模型的回波包络宽度没有明显差异，回波信号包络起始时刻随着尺寸的增大，回波信号包络起始时刻有较小的时延。

8) 模拟鱼雷信号形式对水下尺度目标等效模型回波仿真

以头部为起始0°点，开始从0° ～180°每隔30°递增入射，信号形式：CW信号；脉宽：20 ms。

图10 不同尺寸模型150°CW-20 ms入射目标回波信号

图11 不同尺寸模型180° CW-20 ms入射目标回波信号

分析总结：对水下尺度目标等效模型从目标弦角0° ～180°每隔30°递增入射信号，其回波信号包络同水下潜艇模型回波信号包络有较大差别，水下尺度目标等效模型回波信号包络分段数量多，其回波信号包络总宽度长。要让水下尺度目标等效模型其回波信号能够逼真地模拟水下潜艇回波信号需要对其进行优化设计，通过回波预报和水下目标亮点模型验模[8-10]逐渐优化逼近。

图12 水下尺度目标等效模型0° ～180° CW-20 ms入射目标回波信号

4 结论

通过研究不同比例潜艇模型仿真结果可知，不同缩比模型在0°附近(正对头部)及150°入射时回波信号差异比较大，分析引起这种现象的原因是由于模型的外形结构所造成，在0°附近(正对头部)时可以近似为球体反射，在150°是由于艇体与尾部结合部位所引起，在其它方位角时不同缩比模型的回波信号从时域上分析差异性不大。因此，在建立水下无人实体目标替代真实的潜艇作为考核目标时，对于非智能鱼雷考核时目标的外形结构设计非常重要，而对于智能鱼雷考核时目标的尺寸大小至为关键。

本文采用鱼雷近程自导信号从不同入射角对目标进行入射，对其回波特征分别进行了分析，对于水下无人实体目标的建设的外形结构以及尺寸选型具有重要意义，避免了因尺寸选取过小而达不到鱼雷考核战术指标，又为在满足鱼雷考核要求的前提下尽可能选取小的尺寸提供了理论基础。

[1] 邓伟，王斌，童韫哲.目标亮点回波精细特征在鱼雷自导中的应用[J].声学技术,2014,33(5)：17-20.

[2] 邓伟，范军.基于鱼雷导引弹道的目标回声特性研究[J].声学技术,2014,33(5):402-407.

[3] 范军，万琳，汤渭霖.基于3DS MAX建模的水中目标强度计算[J].声学技术，2000，19(4):203-207.

[4] 汤渭霖.声呐目标回波的亮点模型[J].声学学报,1994,19(2):93-100.

[5] 周德善，李志舜，朱邦元.鱼雷自导技术[M].北京：国防工业出版社，2009.

[6] 范军，汤渭霖.声纳目标回声特性预报的板块元方法[J].船舶力学，2012,16(1/2):171-180.

[7] 刘晓春，董春凯.基于目标空间尺度特征末程识别潜艇和诱饵的方法研究[J].鱼雷技术，2008,16(5):46-50.

[8] 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):42-45.

[9] 徐瑜，苑秉成，唐波.基于亮点模型的潜艇目标回声过渡特性分析[J].鱼雷技术，2012,20(2):153-154.

[10] 王二庆，卓琳凯，王华奎.单双层壳体潜艇的高频回波特性研究[J].声学技术，2012,31(5):487-488.

(责任编辑周江川)

InfluenceonEchoFeatureofUnderwaterTargetsSpaceDimensionstoTargetSimulateRecognition

XIE Zhiqiang, DENG Wei, PAN Ming

(The No. 91388thTroop of PLA, Zhanjiang 524022, China)

In order to study the influence on echo feature of underwater targets space dimensions to torpedo target simulate recognition in distance, four different scale underwater target 3D model and underwater scale target equivalent dimensions 3D model were established by 3D digital modeling software UG. The echoes feature of different space dimension targets was obtained by the plate element method and simulating short-range torpedo homing signal, and otherness of these echoes was used by torpedo for target recognition. The results provide theoretical for torpedo target recognition technology and for for improving the design of underwater target space dimension.

the planar element method; target recognition; near-field echo; echo feature of space dimension

2017-06-04；

2017-07-10

谢志强(1979—)，男，硕士研究生,工程师，主要从事水下目标特性模拟技术研究。

装备理论与装备技术

10.11809/scbgxb2017.11.005

本文引用格式：谢志强，邓伟，潘明. 水下目标空间尺度回波特征对体目标模拟的影响[J].兵器装备工程学报，2017(11):21-25.

formatXIE Zhiqiang, DENG Wei, PAN Ming.Influence on Echo Feature of Underwater Targets Space Dimensions to Target Simulate Recognition[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):21-25.

TJ610.1

A

2096-2304(2017)11-0021-05