聲自導魚雷尺度靶供靶模型的創建與仿真*

武鶴龍 蔣楚鷗

(91388部隊第93分隊 湛江 524022)

聲自導魚雷尺度靶供靶模型的創建與仿真*

武鶴龍 蔣楚鷗

(91388部隊第93分隊 湛江 524022)

論文主要介紹了聲自導魚雷尺度靶供靶的原理,并創建了為聲自導魚雷供靶的模型,利用Matlab對供靶的過程進行了仿真,對仿真結果進行了分析,并將魚雷非尺度聲靶模型仿真結果和尺度聲靶供靶仿真的魚雷回波信號進行對比,得出魚雷尺度聲靶模擬魚雷聲目標的逼真度和準確性,其回波信號能更為真實地反映潛艇等聲目標對聲自導魚雷尋的信號的反射特性,從而加強靶標對抗魚雷識別的能力,更好地保障高技術信息化條件下的魚雷武器的靶場試驗。

聲自導; 尺度靶; 模型; 仿真

Class Number TN973.3

1 引言

隨著現代軍事的發展,魚雷武器系統試驗頻繁,水下靶標作為試驗裝備,其保障作用日趨重要,魚雷靶標可以縮短試驗準備周期,降低工作強度,并且具有一定的經濟性和實用性,能夠較好地滿足武器系統試驗需求。目前通用的做法就是研制魚雷聲靶,代替目標潛艇,在一定條件下模擬潛艇的反射聲信號和輻射噪聲信號。為了確定魚雷聲靶是否具有符合試驗要求的聲特性,必須對魚雷聲靶模擬的聲學特性參數進行準確標校,因此對魚雷聲靶模型的研究分析以及對魚雷聲靶供靶的仿真就顯得格外重要。根據模擬的是潛艇點目標或是尺度目標,魚雷聲靶可分為尺度聲靶和非尺度聲靶,本文對聲自導魚雷尺度靶供靶過程進行建模,運用計算機仿真方法,模擬尺度聲靶供靶的過程,分析各參數的作用和影響,并將其與非尺度聲靶供靶結果進行對比分析,得出尺度聲靶供靶具有更高的有效性和準確率,最后提出有針對性的改進措施,進一步提高尺度聲靶供靶的精確度和成功率。

2 魚雷聲靶供靶的原理

魚雷水聲靶標系統主體是由工作母船攜載、單點舷掛的水下聲學靶標,其作用是模擬潛艇的聲學特性,為魚雷提供水下聲目標。

魚雷聲靶可在被動、主動和主被動聯合三種工作方式下工作。在被動工作方式下,系統發射模擬水下目標的輻射噪聲;在主動工作方式下,系統接收水下目標在各種工況下全頻段的尋的信號,并產生包含模擬水下航行器聲學反射特征信息的相應回波信號:在主被動聯合工作方式下,系統在發射模擬水下航行器輻射噪聲的同時,可靠地接收并應答全頻段的水下目標尋的信號[1]。

3 魚雷尺度聲靶供靶建模

對于潛艇等較大型的魚雷目標來說,由于其具有一定的尺度,產生的反射回波信號源于一個在距離和方位上有一定分布的延展體。這個延展體可以近似等效于在空間上有一定分布的若干個“點”目標之和,對于尺度靶標來說,叫做點源,或亮點[2]。

3.1 影響因素的作用

尺度聲靶供靶過程中,魚雷的應答信號受水聲環境等因素影響,主要發生多普勒頻移、時間的延遲、幅度的衰減等變化。

1) 多普勒頻移

圖1 魚雷與靶標第i個亮點收發單元運動示意圖

根據圖1可計算出魚雷在S時相對TRiR的速度VSTRiR,接收單元在TRiR時相對S的速度VTRiRS,發射單元在TSis時相對SR的速度VTSiSSR,魚雷在SR時相對TSis的速度VSRTSiS。

假定魚雷發射信號的頻率為f0,則靶標接收單元收到的信號頻率[3]:

(1)

靶標一般會對接收的信號進行加多普勒頻移的處理,假定增加多普勒頻移后的轉發信號頻率為fiS=fiR+Δf,則魚雷接收到靶標模擬反射回波信號的頻率:

(2)

2) 時延

魚雷發射的尋的信號經過距離Li1到達聲靶,期間信號會產生時延,尋的信號到達第i個聲反射亮點產生的時延τi1可以計算如下:τi1=Li1/c。

聲靶信號處理延遲τi2時刻后由發射單元發射回波信號,魚雷回波信號經過距離Li2到達魚雷接收信號地點SR,τi3=Li2/c,綜上所述,可以得到,魚雷尋的信號從發射到魚雷接收到聲靶回波信號的總延時為τs=τi1+τi2+τi3[4]。

3) 回波幅值

3.2 供靶建模

綜上所述,設聲自導魚雷發射尋的信號為x(t),幅值為A,則經過海水聲道傳播,經過聲靶第i個模擬聲亮點的反射和靶標增加的多普勒頻移Δf,再經由海水聲道傳播,到達魚雷接收端的信號為

xi=(A×Ai)f(fSR×(t-τi))

(3)

聲自導魚雷尺度靶標是多亮點水下靶標,其基本原理都是通過水平布放的若干個模擬聲反射亮點,來模擬水下目標的橫向空間尺度反射特征[6],如圖2所示。

其中,i表示尺度靶標第i個亮點,d為各個亮點之間的距離。由以上結論得知,由N個亮點構成的聲自導魚雷尺度靶供靶模型為[7]

(4)

圖2 模擬聲自導魚雷尺度靶示意圖

4 聲自導魚雷尺度靶供靶仿真

4.1 仿真條件與方法

(5)

4.2 仿真結果與分析

通過Matlab建模仿真,魚雷發射信號波形與非尺度靶(單個聲目標反射亮點)供靶的回波信號波形與對比如圖3所示。

圖3 聲自導魚雷非尺度靶供靶的回波信號波形

圖4 聲自導魚雷尺度靶各個亮點的單個回波信號波形

圖5 聲自導魚雷尺度靶多亮點供靶的回波信號疊加波形

圖6 魚雷發射信號頻譜與尺度靶供靶的回波信號頻譜

聲自導魚雷尺度靶(四個聲目標反射點源構成)供靶結果如圖4、5所示。圖4分別為尺度靶標上坐標為(0,0,0)、(10,0,0)、(20,0,0)、(30,0,0)的四個亮點的單個反射回波時域波形[10]。圖5為尺度靶標四個亮點供靶的疊加波形。

魚雷發射信號頻譜與尺度靶供靶的回波信號頻譜對比如圖6所示。

經過圖3和圖4、圖5的比較,分析可知具備尺度性質的潛艇等目標的回波信號與發射信號相比主要有時域的壓縮和延遲、幅度的隨機起伏等變化,經過圖6的頻率對比示意圖可知,回波信號在發射信號的頻率上疊加了一定大小的多普勒頻移[11],從而得知,與由單個聲反射亮點構成的非尺度靶標相比,尺度靶標可以更為逼真地模擬水下目標的回波信號,能夠較為真實地模擬目標的尺度特征,從而更精確有效地保障魚雷等水中兵器的供靶試驗。進一步考慮,實際的靶標是用不同頻率范圍、不同聲源級的發射和接收換能器來處理和轉發魚雷尋的信號,為了防止收發信號之間的干擾,其接收和發射換能器的布置是有一定距離的,而實際的潛艇等水下目標是同一位置的接收和反射,收發無距離,所以為了更貼近實際,在供靶過程中布放模擬亮點的收發換能器的時候,既不能太近,以防串擾,也不能太遠,以防與實際偏離造成誤差過大,而這個適當距離的把握則有待繼續深入的研究和探討。

5 結語

本文對單亮點靶標和多亮點尺度靶標供靶的回波信號進行了建模和仿真,在時域和頻域內對兩種靶標的回波信號進行了對比分析,得出尺度靶標與單亮點靶標相比,能夠更為準確地模擬潛艇目標的回波尺度特性,從而更精確有效的保障魚雷等水中兵器的供靶試驗。進一步考慮,實際的靶標是用不同頻率范圍、不同聲源級的發射和接收換能器來處理和轉發魚雷尋的信號,為了防止收發信號之間的干擾,其接收和發射換能器的布置是有一定距離的,而實際的潛艇等水下目標是同一位置的接收和反射,收發無距離,所以為了更貼近實際,在供靶過程中布放模擬亮點的收發換能器的時候,既不能太近,以防串擾,也不能太遠,以防與實際偏離造成誤差過大,而這個適當距離的把握則有待繼續深入的研究和探討。

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《艦船電子工程》編輯部

Creation and Simulation of the Scale Target Model for Acoustic Homing Torpedo

WU Helong JIANG Chuou

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

This article describes the acoustic homing torpedo-scale target for the principle target and creates a model for acoustic homing torpedo target, the target of the process for the simulation. The simulation results are analyzed, and the non-scale acoustic torpedo target model simulation results and the scale acoustic target for target simulation results are compared with results simulated torpedo torpedo target scale acoustic sound fidelity and accuracy goals. Its echo signals can reflect more realistic target submarines sound reflection characteristics of acoustic homing torpedo signal, thereby enhancing the ability to identify the target against torpedoes, torpedo weapons testing better protection under high-tech conditions of informationization.

acoustic homing, torpedo-scale target, modeling, simulation

2014年6月3日,

2014年7月20日

武鶴龍,男,助理工程師,研究方向:水下靶標。蔣楚鷗,男,碩士,工程師,研究方向:水聲信號處理。

TN973.3

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.028