一種尺度目標模擬器的模擬逼真度分析

陳建青, 趙俊杰

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一種尺度目標模擬器的模擬逼真度分析

陳建青, 趙俊杰

(昆明船舶設備研究試驗中心, 云南 昆明, 650051)

從潛艇回波特性研究一般性結論和魚雷常用目標識別方法入手, 以一種單收多發尺度目標模擬器為例,分析了尺度目標模擬器的工程模型及工程實現中的關鍵參數, 仿真結果表明, 該模擬器在多亮點結構回波的多普勒頻移模擬、時延模擬和目標強度模擬等方面都存在一定的不足, 還有較大的提升空間, 該研究為尺度目標模擬技術的進一步優化提供了參考。

尺度目標模擬; 多普勒頻移; 時延; 目標強度

0 引言

隨著魚雷自導技術的發展, 聲自導魚雷的尺度識別能力已經成為魚雷捕獲、跟蹤目標的基本條件。

當今, 多國海軍已將尺度目標識別技術應用于現役或在研魚雷中, 我國新型魚雷的尺度目標識別技術也日臻成熟。相應地, 在水聲對抗、部隊訓練、魚雷試驗等領域需要大量應用尺度目標模擬設備, 因此提高尺度目標模擬的逼真度是該技術領域重要發展方向之一。

由于尺度目標模擬器與真實潛艇在物理本質上的不同, 模擬回波與真實潛艇回波總是存在著差異。例如, 潛艇對聲波的反射是由無數點組成的, 其中包含著豐富的相位信息, 而聲學模擬器的回波由有限個單點發出, 如果它的發射波形是入射波形的簡單拷貝, 那么回波所攜帶的信息與真實回波相比必然存在較大差異。

本文從潛艇目標特性研究的一般性結論入手, 結合幾種魚雷自導常用的尺度目標識別技術, 分析了目標回波中最可能被魚雷利用的信息, 針對尺度目標模擬器工程模型和具體實現技術, 討論了單收多發線列陣尺度目標模擬器與真實目標回波的差異。

1 潛艇目標特性及魚雷識別方法

1.1 潛艇目標散射特性

潛艇目標具有復雜的外形和內部結構, 它的反射回波是內外結構各個部位對入射聲波散射的總體貢獻。據研究, 按潛艇回波產生的物理機理, 回波可分為幾何鏡反射、棱角散射、多層結構散射、彈性波散射和尾流興波散射, 前3種反射波貢獻較大, 構成了回波的主要成分。

潛艇上很多部位都會產生幾何鏡反射, 如艇體、艦橋、尾舵和尾翼等。幾何鏡反射在很大的舷角范圍內對回波有著主要貢獻, 屬于潛艇回波的確定性部分。鏡反射中心在潛艇上不是一個固定的點, 而是隨著入射聲線方位不同而滑動的。

棱角散射是由水中目標在幾何形狀上的棱角、線狀間斷或邊緣產生的。當棱線與波束相垂直, 且棱長超過波長時, 棱的反向散射是很強的。一般情況下, 棱角散射亮點沒有幾何鏡反射亮點強, 但是大量的棱角產生的反射也可以形成不可忽視的回波。更重要的是棱角散射回波的形狀和尺度大致與目標的幾何形狀及尺度相同, 可用于目標的分類和識別, 也可用于要害部位識別。潛艇上許多部位可產生棱角散射, 如螺旋槳的棱邊, 艇體上排水孔的四邊, 艇上的扶手、輔助裝置等。

當入射聲波透過船殼進入艙室, 在艙內多次反射后, 再次透過船殼形成的回波是多層結構散射, 據研究, 只有在某些特殊的投射角情況下, 多層結構散射才可能產生突出的亮點, 且亮點強度可顯著大于其他散射造成的亮點背景, 這類亮點的回波波形具有逐漸增強的包絡和顯著的時延擴展。潛艇沿橫向排列有加強肋, 沿縱向排列有隔板, 它們所形成的角反射器, 會對潛艇的回聲產生很重要的貢獻, 而且具有較寬的指向性。

據實艇試驗、模型測試和相關研究表明, 在高頻情況下, 潛艇可以看作由許多個單元反射體組成, 潛艇總的回聲是這些單元反射體散射的合成。借鑒雷達散射分析的結論和經驗, 潛艇上的這些單元散射體的局部散射行為可以等效為若干點源的散射, 潛艇聲回波模擬的工程模型就是建立在此基礎上的。

1.2 聲自導魚雷目標識別技術

隨著數字化技術的發展, 魚雷識別尺度目標的新技術新方法不斷出現, 國內魚雷的尺度目標識別能力已從1D線尺度發展到2D面尺度識別。本文討論魚雷常采用的2種目標識別方法: 1) 基于有效目標尺度的方位走向識別法[1-2]; 2) 基于脈寬延展特性與多普勒效應的目標識別方法[3]。

基于有效目標尺度的方位走向識別方法是最有效的尺度識別方法之一, 它基于尺度目標的距離-方位延展特性, 將一幀回波信號分為個子幀, 對各幀信號采用等效二基元分裂波束測向原理, 估計目標每一個被分割部位的方位角, 總共可得個方位角數據, 利用這些數據求出目標方位走向, 從而判斷目標是體目標還是點目標[1, 4]。

潛艇回波是各個亮點子回波的相干疊加, 由于潛艇的尺度和復雜結構, 造成其回波具有脈寬延伸特性、多普勒效應、包絡起伏效應, 各回波的多普勒頻移有微小差異, 整個回波的包絡和相位起伏較大, 自導系統檢測回波的相位譜、相位差及頻率等參數, 當相位譜、頻率譜寬大于一定域值時可判為體目標, 否則判定為點目標。

此外, 聲自導魚雷采用的目標識別技術還有基于多散射中心理論的利用目標反射亮點區分目標方法、對目標信號進行譜分析處理將結果與庫存目標譜進行對比區分目標方法、對回波進行變換后求其特征值后進行分類和識別方法等等。

從上述方法可看出, 目前魚雷對目標尺度的識別主要是定性判斷, 在識別中主要利用了潛艇回波的方位、相位、頻率等信息。尺度目標模擬器要逼真地模擬潛艇目標, 應具備足夠大的與實艇相當的物理尺寸, 有足夠多的回波發射點, 還應具備相位、包絡、時延及多普勒頻移等參數的準確模擬能力。

2 尺度目標模擬器實現

2.1 尺度目標模擬器工程模型

電聲式尺度目標模擬器在國內外廣泛應用, 技術已較成熟。模擬器通過懸吊或拖曳等方式,將多個收發換能器按一定尺度的線狀或面狀布放, 換能器之間相對位置固定, 分別模擬潛艇的不同部位, 能較好地模擬潛艇的多亮點結構回波。結合潛艇回波特性和尺度目標模擬器的實現方法, 尺度目標模擬器多亮點結構反射回波()的工程模型可表示為

式(1)的工程模型包含了潛艇目標散射特性的研究所得出的潛艇回波關鍵參數: 各亮點的目標強度、亮點位置、回波頻率、回波相位、脈寬延展及包絡起伏特性。

模型中參數在工程實現中對應著不同實現方法, 與模擬逼真度有關的主要有以下幾方面。1) 目標亮點數: 潛艇作為復雜結構的體目標, 對自導探測信號的回波是由無數個強弱不等的點反射疊加而成的, 模擬器發射換能器越多, 產生的模擬效果越真實, 在工程中發射換能器數量受各方面條件的限制, 一般在10個以下。法國ECA公司的STAR拖曳靶有15個收發亮點, 是現有資料中亮點模擬個數最多的目標模擬器。2) 目標強度: 尺度目標模擬器一般具有分別設定各亮點目標強度的功能, 設定方法可采用固定或可變方式。3) 時延: 由于模擬器收發換能器的空間位置, 會自然產生不同的回波時延, 模擬器也可以人工設定亮點間時延。4) 多普勒頻移: 對于固定式尺度目標模擬器, 多普勒頻移模擬完全由電子設備產生, 對于活動式模擬器, 多普勒頻移既可由運動產生, 也可由電子設備產生。

結合對潛艇目標散射特性的研究結果, 可看出用有限個發射單元的模擬器對潛艇的模擬逼真度是有限的, 為了提高模擬逼真度, 需要不斷改進工程基陣物理結構和模擬模型, 才能應對飛速發展的魚雷自導識別技術。下面以一種單收多發模擬器為例, 分析對比了模擬器與真實目標之間在多普勒、時延及目標強度模擬方面的差距。

2.2 單收多發尺度目標模擬器

尺度目標模擬器有多種結構形式, 圖1是一種典型的單收多發模擬器, 模擬器由5個發射換能器和1個接收換能器組成, 呈直線形布放, 用5個發射換能器分別模擬艇艏、前部、艦橋、艇后部和艉部亮點。為保障收發隔離度使接收換能器遠離發射換能器, 這種增加收發換能器間距的方法有效地解決了目標模擬器收發隔離的問題, 在工程應用中證明是一種穩定可靠的方式。

圖1 模擬器結構示意圖

單收多發模擬器采用如圖2所示的信號處理流程。接收換能器收到的信號經過頻率均衡處理后, 作為回波樣本傳輸到各個發射通道, 不同的發射通道在CPU控制下對回波樣本進行時延和發射強度處理, 由各發射換能器產生模擬潛艇不同部位的亮點回波。因為只有一個接收換能器, 所以模擬器無法判斷魚雷的攻擊方位, 不能根據魚雷攻擊方位產生回波展寬、亮點間時延、目標強度等信息。因模擬器具有一定運動速度, 所以對回波信號頻率不作處理, 回波的多普勒效應由模擬器運動自然產生。

圖2 模擬器信號處理流程圖

這種線列陣結構簡單、可靠, 但它在模擬效果上與實艇是有差別的, 下面具體分析該模擬器產生回波與真實回波在各亮點多普勒頻移、亮點時延等方面的區別。

3 單收多發尺度模擬器回波差異分析

3.1 多普勒模擬差別

當魚雷處于潛艇的中、近場, 魚雷探測信號以大扇面覆蓋潛艇, 潛艇不同部位產生的回波多普勒與各反射點的角度有關。設潛艇產生若干個亮點, 其中第個亮點的回波頻率

按圖2所示的單收多發模擬器信號處理流程, 模擬器對回波的頻率不作處理, 模擬器所產生的多普勒頻移由兩者的相對運動自然產生, 因為模擬器的信號接收點位置與實際真實潛艇的反射情況不同, 魚雷收到模擬器所產生的亮點的頻率

表1 魚雷攻擊目標模擬器和潛艇的頻率差異

根據式(2)和式(3)可知, 因各亮點回波頻率與聲波的入射、反射角度均有關, 而單收多發模擬器因接收點與發射點的分離必然會造成亮點回波頻率失真, 從表1的單收多發線列陣亮點回波頻率與真實潛艇回波頻率差可看出, 發射換能器位置與接收換能器相距越遠, 該亮點回波與真實回波的頻率差越大。

當魚雷從正橫方向攻擊模擬器時, 模擬器各亮點回波頻率誤差最小, 魚雷從模擬器頭尾攻擊時, 回波多普勒頻移與真實情況偏差最大。

3.2 時延模擬差別

在魚雷探測信號照射到潛艇并由潛艇產生回波的過程中, 魚雷收到各亮點的時延由兩部分組成, 一部分是聲波從魚雷到達潛艇不同部位的時延, 另一部分是由潛艇不同部位產生的反射波到達魚雷的時延。魚雷攻擊潛艇時所收到的各亮點間時延為

對于圖1所示的單收多發模擬器, 其自然產生的亮點間時延只與聲波產生位置到魚雷的距離有關, 聲波從魚雷到達模擬器的時延因為模擬器只有一個接收換能器而消除了。

假如目標模擬器對時延不作任何處理, 則魚雷在攻擊單收多發模擬器時所產生的亮點間時延參數

假設圖1中各亮點間距離為20 m, 魚雷距艏亮點距離1=500 m, 表2是魚雷不同舷角下攻擊真實潛艇和單收多發目標模擬器的亮點間時延差異, 單位ms。

表2 不同舷角下魚雷攻擊目標模擬器和潛艇的時延差異

從表中可以看到, 當魚雷從艏艉方向攻擊模擬器時, 亮點間時延最大, 從正橫方向攻擊時, 亮點間時延最小。當魚雷探測脈沖只有5~10 ms寬時, 由于時延誤差引起的失真很明顯, 尺度目標模擬器回波信號的亮點間時延會對魚雷的方位走向判別產生較大影響。當魚雷在中、近程時, 魚雷的時間-方位分辨能力越強, 模擬器產生的時延誤差所帶來的影響就越明顯。

在圖2所示的單收多發模擬器中, 可以通過處理電路人為增加時延, 但是如果模擬器無法測量魚雷攻擊方位, 對時延的模擬只能預先設定固定值, 不能根據魚雷的攻擊舷角實時變化, 造成了回波信號的失真。

3.3 目標強度模擬差別

國外早在第2次世界大戰期間, 就開始研究潛艇目標強度, 目前潛艇回波強度的“蝴蝶”形特征和多亮點結構特點已被反復驗證。潛艇多亮點回波的目標強度存在一定的規律, 但由于水聲環境、潛艇形狀以及內部結構的復雜性, 也有較大成都的不確定性, 因而不同潛艇之間存在著很大差異。

根據國內外相關研究成果可知, 潛艇回波的目標強度與魚雷攻擊方位角密切相關, 因此尺度目標模擬器應具備測量魚雷攻擊方位的能力, 能夠根據攻擊魚雷方位分別設定各個發射換能器的回波目標強度。更進一步地, 應建立在合理范圍內隨機變化的目標強度模型, 從而能夠更逼真地模擬真實目標的反射特性。本文中的單收多發模擬器因無法測量魚雷的攻擊方位, 按圖2所示的信號處理流程可知, 采用目標強度預設定的方法, 其產生的回波與真實潛艇回波存在較大差異。

4 結束語

尺度目標模擬器技術在水聲對抗、魚雷試驗與訓練領域有著廣泛的應用, 模擬器技術應該在潛艇目標特性研究成果的基礎上, 不斷提高模擬逼真度, 以應對迅速發展的聲自導魚雷尺度目標識別技術。本文分析認為單收多發目標模擬器在多亮點結構回波的多普勒頻移模擬、時延模擬和強度模擬等方面都還有較大的提升空間。

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(責任編輯: 楊力軍)

Fidelity Analysis of a Scale Target Simulator

CHEN Jian-QingZHAO Jun-Jie

(Kunming Shipborne Equipment Research & Test Center, Kunming 650051, China)

On the basis of the common conclusion of echo characteristics of a submarine and the general recognition method for a torpedo, we take single-receiving multi-transmitting scale target simulator for example to analyze the engineering model of a scale target simulator and the key parameter in engineering implementation. Simulation results show that this simulator has insufficiencies in Doppler frequency shift, time delay, and target strength of multi-highlight structure echo, which infers a large space for improvement. This study may provide a reference for further optimization of the scale target simulation technology.

scale target simulation; Doppler frequency shift; time delay; target strength

TJ630.34

A

1673-1948(2014)06-0442-05

2014-07-25;

2014-10-30.

陳建青(1968-), 女, 研究員, 主要研究方向為水下目標模擬技術、水下目標定位技術等.