魚雷面尺度靶標(biāo)模型的創(chuàng)建及工程實(shí)現(xiàn)方案*

武鶴龍 蔣楚鷗

(91388部隊(duì)第93分隊(duì) 湛江 524022)

?

魚雷面尺度靶標(biāo)模型的創(chuàng)建及工程實(shí)現(xiàn)方案*

武鶴龍 蔣楚鷗

(91388部隊(duì)第93分隊(duì) 湛江 524022)

論文用分布在縱橫雙維尺度的、具有不同加權(quán)系數(shù)的聲反射亮點(diǎn)模擬潛艇目標(biāo)的面尺度特性,基于模擬目標(biāo)潛艇的聲反射特性和聲傳播原理,構(gòu)建了面尺度靶標(biāo)模型,并詳細(xì)闡述了幾種不同類型的典型面尺度靶標(biāo)在工程應(yīng)用中的實(shí)現(xiàn)方案。為尺度靶標(biāo)的進(jìn)一步發(fā)展提供了有力的理論依據(jù)。

面尺度; 靶標(biāo); 模型; 工程方案

Class Number TN95

1 引言

目前,國內(nèi)多數(shù)水下靶標(biāo)模擬的是潛艇點(diǎn)目標(biāo),或是只模擬橫向潛艇艇體的線性尺度靶標(biāo),而忽略了縱向維度的圍殼尺度對聲信號的反射特性。在高頻情況下,任何一種目標(biāo)的回波都是由若干個(gè)子波回波疊加而成。每個(gè)子波可以看做是目標(biāo)某個(gè)散射點(diǎn)發(fā)出的波,這個(gè)散射點(diǎn)就是亮點(diǎn)(high light)。一般情況下,潛艇目標(biāo)的反射回波由幾個(gè)主要的強(qiáng)反射子回波組成,主要的反射子回波一般為艇體、圍殼體大面積光滑部分的回波,圍殼和艇體相接處及艇首艇尾突出處的棱角反射回波。圍殼體的聲反射特性對回波信號的各項(xiàng)參數(shù),特別是目標(biāo)的橫向、縱向維度的方位走向具有相當(dāng)程度的影響。本文就用具有不同加權(quán)系數(shù)的雙維聲反射亮點(diǎn)模擬潛艇目標(biāo)的面尺度特性,構(gòu)建面尺度靶標(biāo)模型,并詳細(xì)闡述幾種不同類型的典型面尺度靶標(biāo)在實(shí)際工程應(yīng)用中的實(shí)現(xiàn)方案。

2 魚雷面尺度靶標(biāo)建模

對于潛艇等較大型的魚雷目標(biāo)來說,由于其具有一定的尺度,產(chǎn)生的反射回波信號源于一個(gè)在距離和方位上有一定分布的延展體。這個(gè)延展體可以近似等效于在空間上有一定分布的若干個(gè)“點(diǎn)”目標(biāo)之和,對于尺度靶標(biāo)來說,叫做點(diǎn)源,或亮點(diǎn)。面尺度靶標(biāo)模型模擬的是潛艇目標(biāo)橫向、縱向雙維尺度上的聲反射特性。

潛艇的主要構(gòu)成是橫向橢球形的艇體和縱向橢柱形圍殼,形成縱橫垂直交叉的主體外形結(jié)構(gòu),在魚雷入射聲信號大面積覆蓋時(shí),潛艇聲目標(biāo)回波信號強(qiáng)亮點(diǎn)主要集中在曲率較大、外形陡峭的艇體和圍殼的軸向區(qū)域,所以其回波特性可用縱橫雙維的面尺度靶標(biāo)亮點(diǎn)表征。如圖1所示。

圖1 面尺度靶標(biāo)雙維亮點(diǎn)回波模型示意圖

在圖1中,在雙維面尺度靶標(biāo)上建立由橫向艇體部分和縱向圍殼部分構(gòu)成的X-Y平面坐標(biāo)系,根據(jù)實(shí)際的潛艇回波信號測量以及潛艇目標(biāo)的表面結(jié)構(gòu)和信號反射等信息得知,聲源亮點(diǎn)有強(qiáng)反射亮點(diǎn)和弱散射亮點(diǎn)之分,其中,艇體和圍殼的雙層結(jié)構(gòu)、突出部位、棱角、彈性材料等產(chǎn)生的是強(qiáng)度較弱的回波信號,屬于弱散射亮點(diǎn),而分布在艇體和圍殼的軸向區(qū)域的突出或顯要部位則屬于強(qiáng)反射亮點(diǎn)之列。其亮點(diǎn)突出的鏡反射亮點(diǎn)或強(qiáng)亮點(diǎn)主要分布于艇體艏部、前部、中部、后部、艉部和圍殼這些大面積且突出顯要的部位[1],根據(jù)實(shí)測的潛艇回波信號,其強(qiáng)反射亮點(diǎn)的個(gè)數(shù)約為2～11個(gè),這主要取決于測量點(diǎn)和潛艇的相對方位以及潛艇的結(jié)構(gòu)材料。結(jié)合實(shí)測結(jié)果與潛艇的突出顯要部位來考慮,模擬潛艇目標(biāo)的面尺度靶標(biāo)可設(shè)置6個(gè)強(qiáng)反射亮點(diǎn),分別模擬潛艇目標(biāo)橫向艇體的艏部、前部、中部、后部、艉部以及縱向圍殼的大面積反射區(qū)域[2]。由于對魚雷和聲納的探測而言,弱亮點(diǎn)的散射信號強(qiáng)度小,結(jié)構(gòu)不易識別,難以從環(huán)境噪聲中較準(zhǔn)確的分辨,所以,面尺度靶標(biāo)主要模擬的是潛艇目標(biāo)的強(qiáng)亮點(diǎn)反射特性,而其尺度特性則是由橫縱雙維的強(qiáng)亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)來模擬。實(shí)際情況下,圍殼的位置一般在距離艇艏1/3至2/5處,因此,縱向亮點(diǎn)的位置應(yīng)該參照設(shè)置。

面尺度聲靶供靶過程中,魚雷的應(yīng)答信號受水聲環(huán)境等因素影響,主要發(fā)生多普勒頻移、時(shí)間的延遲和壓縮展寬、幅度的衰減等變化[3]。假定魚雷發(fā)射脈沖信號為f(t),則信號到達(dá)亮點(diǎn)i時(shí)為

(1)

式(1)中τi1表示入射過程的時(shí)間延遲,ωi1表示入射過程的頻率變化(多普勒頻移),TL表示聲傳播損失,一般包括波陣面擴(kuò)展衰減和聲吸收衰減兩部分[4]。

R0與海區(qū)深度有關(guān),一般為10倍海深[5]。

亮點(diǎn)i反射的聲波經(jīng)過時(shí)間τ2到達(dá)魚雷,假設(shè)亮點(diǎn)i的目標(biāo)強(qiáng)度為TSi,則魚雷接收到目標(biāo)亮點(diǎn)i的反射回波信號為

(2)

式(2)中τi2表示亮點(diǎn)i反射過程的時(shí)間延遲,ωi2表示反射過程回波信號的頻率變化(多普勒頻移)[6]。

面尺度靶標(biāo)回波為其所有亮點(diǎn)回波的疊加,因此總的回波為

·f(t+τi1+τi2)·ej(ωi1+ωi2)

(3)

當(dāng)然,橫向亮點(diǎn)和縱向亮點(diǎn)的回波信號可以依照上式分開來算,即先各自算出橫向N個(gè)亮點(diǎn)和縱向M個(gè)亮點(diǎn)的回波信號,再將兩部分矢量疊加,即可得到總的回波信號[7]。

3 魚雷面尺度靶標(biāo)工程實(shí)現(xiàn)方案

在水下靶標(biāo)系統(tǒng)研究中,要實(shí)現(xiàn)潛艇橫向艇體和徑向圍殼的雙維面尺度模擬,主要解決的問題是如何用若干個(gè)收發(fā)換能器以一定的布局方式形成面尺度基陣。

3.1 換能器布局方案

1) 橫向尺度和徑向尺度均用N收N發(fā)的換能器布局模式。

如圖2所示。在此種模式下,用特定位置的一對收發(fā)換能器模擬該位置的一個(gè)亮點(diǎn),第i個(gè)亮點(diǎn)的接收換能器收到信號,那么該亮點(diǎn)的發(fā)射換能器以才系統(tǒng)解算的時(shí)間延遲、按照一定的頻率、強(qiáng)度轉(zhuǎn)發(fā)信號。

2) 橫向尺度用一收N發(fā)模式,徑向尺度用N收N發(fā)模式。

如圖3所示。此種模式下,橫向任何一個(gè)接收換能器收到魚雷信號后,各個(gè)發(fā)射換能器都將根據(jù)信號入射的位置角度以一定的時(shí)間間隔轉(zhuǎn)發(fā)信號。縱向仍按照N收N發(fā)的方式布局。

圖2 N收N發(fā)的換能器布局模式

圖3 橫向尺度一收N發(fā)徑向尺度N收N發(fā)模式示意圖

具體的布陣方案分固定靶標(biāo)和活動靶標(biāo)兩種情況予以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[8]。

3.2 固定面尺度靶標(biāo)布局方案

固定面尺度靶標(biāo)布局可用船載或其它平臺吊裝多路換能器,換能器的布局要根據(jù)之前的模式設(shè)定。根據(jù)N收N發(fā)的換能器布局模式布陣的方案如圖4所示。

圖4 N收N發(fā)模式固定面尺度靶標(biāo)布局方案

1收N發(fā)模式的固定面尺度靶標(biāo)布局同理。

3.3 活動面尺度靶標(biāo)布局方案

活動面尺度靶標(biāo)布局是在活動平臺上搭建,諸如艦船、靶雷。

船拖拖曳活動靶標(biāo)布局如圖5所示。各個(gè)亮點(diǎn)換能器按照圖示分布在主副拖纜上,為取得良好穩(wěn)定的面尺度特性,船拖拖曳靶標(biāo)的橫向艇體部分用一條零浮力的主拖纜模擬,主拖纜上按照相應(yīng)的方式布局特種收發(fā)換能器,構(gòu)成尺度亮點(diǎn)。圍殼體則用距主拖纜一定距離的具有正浮力的副拖纜模擬,副拖纜末端布有一個(gè)模擬縱向亮點(diǎn)的零浮力發(fā)射換能器。在主拖纜的前端安裝有姿態(tài)控制段[9]。主、副拖纜前端均與拖線相連,由于主、副拖纜距離和浮力的不同,可使分布在其上的零浮力換能器上下分開一定的距離,所以,能夠較好地模擬面尺度特性。

圖5 船拖拖曳活動靶標(biāo)布局示意圖

靶雷拖曳活動靶標(biāo)布局如圖6所示。主拖纜采用零浮力拖曳電纜,副拖纜為尾部帶一浮球的正浮力拖曳電纜,分叉纜為一零浮力小型拖曳電纜,拖纜前端與雷尾部拖曳裝置相連,主拖纜分布有一定數(shù)量的零浮力收發(fā)換能器,用來模擬潛艇的橫向尺度特性。與船拖拖曳靶標(biāo)不同的是靶雷的縱向圍殼體的亮點(diǎn)模擬方式。正浮力副拖纜的末端系有一浮球,在距離副拖纜一定距離的位置接有零浮力的分叉纜,按照圍殼在艇體首艉的位置比例,在分叉纜的相應(yīng)位置布有模擬縱向分布亮點(diǎn)的零浮力換能器。靶雷航行過程中,浮球和正浮力的副拖纜使得連接在其上的分叉纜上升到一定高度,由于主拖纜和分叉纜均為零浮力,上下維持了一定距離,從而實(shí)現(xiàn)了面尺度靶標(biāo)橫縱雙維尺度的模擬[10]。靶雷拖曳活動面尺度靶標(biāo)與船拖形式相比,較為復(fù)雜,如何方便高效的將靶雷面尺度靶標(biāo)發(fā)射展開以及迅速形成穩(wěn)定面尺度基陣,需要在技術(shù)總體實(shí)現(xiàn)上慎重考慮。

圖6 靶雷拖曳活動靶標(biāo)布局示意圖

4 結(jié)語

假定隨著現(xiàn)代水中兵器的的迅速發(fā)展,魚雷等武器裝備的試驗(yàn)鑒定日益頻繁,新式的軍用裝備亟需具有水聲對抗、尺度模擬等先進(jìn)技術(shù)功能的現(xiàn)代水下靶標(biāo)進(jìn)行高質(zhì)量的供靶保障。本文詳細(xì)闡述了面尺度靶標(biāo)的概念作用,建立了面尺度靶標(biāo)的模型,并提出了幾種典型面尺度靶標(biāo)的工程實(shí)現(xiàn)方案,為尺度靶標(biāo)的進(jìn)一步研究和發(fā)展提供了有效的依據(jù)和借鑒。

[1] 李正剛.水下目標(biāo)聲回波的雙維亮點(diǎn)模型研究[J].聲學(xué)技術(shù),2005(z1):51-52.

[2] 白峻,申曉紅,王海燕,等.水下小尺度目標(biāo)寬帶亮點(diǎn)回波建模及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].魚雷技術(shù),2008,16(5).

[3] 馬康紅.水聲數(shù)字通信系統(tǒng)研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2001.

[4] 羅修波,董曉恒.被動式聲誘餌聲學(xué)模型仿真研究[C]//2006系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)術(shù)交流會論文集,2006.

[5] 賈躍,宋保維,梁慶衛(wèi).魚雷武器系統(tǒng)效能評估模型及其仿真[J].兵工學(xué)報(bào),2006(3).

[6] 邢志剛,封金星,劉伯勝.水聲測距數(shù)學(xué)模型研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2000(3).

[7] 董陽澤.聲誘餌仿真評估系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2002.

[8] 李正剛.水下潛艇面尺度目標(biāo)模擬換能器基陣實(shí)現(xiàn)方案[J].聲學(xué)與電子工程,2006年增刊第49號:51-53.

[9] 張振華,朱錫,馮剛,等.潛艇艇體結(jié)構(gòu)生命力評估體系研究[J].船舶工程,2004(5).

[10] 蔣楚鷗,蘇建軍,向小梅.潛艇目標(biāo)尺度模型在水下靶標(biāo)中的應(yīng)用研究[C]//2009年全國水聲學(xué)學(xué)術(shù)交流暨水聲學(xué)分會換屆改選會議論文集,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

武鶴龍,男,助理工程師,研究方向:水下靶標(biāo)。

TN95

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.025