基于板塊元的水面艦船遠場聲目標強度預報方法

王汝夯，李冰，魏強

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基于板塊元的水面艦船遠場聲目標強度預報方法

王汝夯，李冰，魏強

(中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064)

提出了一種基于板塊元的水面艦船水下遠場聲目標強度數值預報方法，首先根據水面艦船水下船體及附體的型線進行等效建模，采用板塊元方法進行網格劃分，建立了水面艦船特有的復雜附體二次反射、海面散射效應的數值模型，將各板塊元的聲散射視為一種“濾波”，各板塊元的散射聲傳輸函數具有不同幅度、相位、時延，將其疊加之和進行反傅氏變換后，獲得水面艦船波形級的遠場聲目標強度及方位分布特征。通過分析比較典型聲吶探測信號下水面艦船的聲目標強度，驗證了該方法的有效性，為優化與控制水面艦船目標強度，分析水面艦艇水聲對抗的作戰效能提供了物理依據。

聲目標強度；水面艦船；預報方法；板塊元

0 引言

水面艦船的水下船體部分通常具有不同于水下目標的較強目標回聲，易被對方主動聲吶探測，從而受到水中高精度、遠距離、大航深、低噪聲強威力的現代精確制導武器攻擊的嚴重威脅。水面艦船遠場聲目標強度的分析與預報，是控制降低水面艦船回聲目標強度的物理基礎和關鍵環節，對于提高水面艦船聲隱身能力具有重要應用價值和意義，日益受到關注。從上世紀60年代開始，國內外相關學者和工程技術人員對水中聲目標強度進行了大量的研究[1-6]，但研究對象以水下目標為主，對水面艦船水下聲目標強度的研究頗少提及。

目前，主要采用三種方法，一是基于亮點模型的部件強度法[1-3]，這種方法將水下目標近似為若干簡單的形狀或亮點，計算簡單，物理概念清晰，但由于船體的凸曲面特征，回波亮點在不同入射角度下會出現漂移，而且目標模型較為粗略，不能反映真實的目標回波構成；二是數值方法[4]，采用Kirchhoff積分法直接數值積分，實際只能對少數規則形狀的目標，如平板、圓柱、球體等得到計算解；三是新近發展提出的板塊元方法[5,6]，用若干平面板元近似目標曲面，將求散射聲場的面積分轉化為數值運算，提高了計算速度，但目前相關研究僅針對潛艇目標，而水面艦船包含不同型線的多種附體結構和不規則的船體曲面，且存在海面的二次散射等因素，其水下聲目標強度將更為復雜。

本文從工程應用出發，將工程建模方法和板塊元理論相結合，提出基于板塊元理論的水面艦船遠場聲目標強度預報方法，將水面艦船的水下船體部分劃分為若干滿足遠場條件的板塊元，精確逼近目標外形，同時考慮附體的遮擋和海面二次散射的影響，通過將復雜船體回波的積分運算簡化為各板塊元散射特性疊加計算，以提高計算效率和預報精度，適用于水面艦船水下聲目標強度的分析計算。

1 基于板塊元的聲目標強度

目標強度的定義為距離目標聲學中心1 m處由目標反射的聲強與在同一方向上由遠處聲源的入射聲強之比的對數。目標強度與目標的大小、形狀和聲學性質有關，并隨入射聲波的入射方向、頻率和波形而發生改變。

Freedman利用Kirchohoff近似方法給出了水中剛性靜止目標的遠場反向散射強度表達式[7]：

根據板塊元散射理論，假設定義板塊元是平面內的一個平面多邊形，這里取為三角形板塊，定義，，可推得聲場的勢函數為

由此，可定義單個板塊元的傳輸函數為

(4)

2 水面艦船聲目標強度預報方法

水面艦船與潛艇聲目標強度計算的最大不同是，(1) 外掛附體的數量更多、外形更復雜；(2) 必須考慮附體與船體之間的遮擋與二次散射因素；(3) 水面艦船的聲目標強度受海面的影響更大。因此，水面艦船聲目標強度預報方法的關鍵是目標幾何建模和水面的反射特性。

2.1 幾何建模

根據水面艦船水下船體及附體的型線信息，建立三維空間坐標系，選取水線與艏部前端的交點為原點，船尾方向為+，向下為+。對水面艦船水下船體結構采用部件分解的方法分為若干部件，如外形平滑的船體、減搖鰭、舭龍骨、尾軸(架)、螺旋槳、尾舵、艏部尖劈等，繼而對上述外形復雜的附體進行等效簡化，如將尾軸等效為多個圓臺和圓柱體的組合，螺旋槳等效為圓盤面，舭龍骨和減搖鰭等效為與外形尺寸一致的梯形。

借助計算機三維輔助設計軟件(如ANSYS、Foran、Patran、Catia等)將典型肋位的型線利用數值曲面擬合方法建立水面艦船水下船體曲面，繼而按照附體的實際線型進行建模并根據附體結構的布置方案進行定位，這樣保證了船體結構幾何形狀的光滑和連續，同時提高了聲目標強度預報方法的建模效率和工程應用性。

2.2 板塊元劃分

將水下船體結構三維模型的各個目標結構進行網格劃分，得到水面艦船聲目標強度的板塊元模型，如圖1所示，為保證板塊元的各個端點在同一平面，取三角形板塊元，并將任意一個板塊元標記為，其逆時針分布的三個端點坐標表示為、、。

2.3 遮擋與二次散射

利用空間幾何知識求解板塊元模型的等效中心、面積、法向、相互遮擋等信息，任意板塊元的等效中心記為，三條邊長分別，三角形半周長，則板塊元的面積，其法向量遵從右手法則，，表示向量的外積。

建立板塊元模型的遮擋與二次散射的邏輯判斷關系，海洋界面作為邊界納入二次反射判斷，遮擋的判斷邏輯可以理解為板塊1是否可被入射聲波照亮，并判斷任意板塊2是否在入射波與板塊1矢量路徑上，即

判斷二次散射，按照幾何聲學理論反射定律，聲線在板塊1產生第一次反射后，是否存在板塊2被反射波繼續照亮，若且，則求出板塊1的反射聲波向量，判斷該聲線與板塊2的交點是否在板塊2內部，若是繼續計算二次散射的回波。

(a) 遮擋判別

(b) 二次散射

圖2 遮擋和二次散射示意圖

Fig. 2 Schematic diagram of shading and secondary scattering

2.4 海面的散射強度

對于水面艦船的水下聲目標強度特征，海面散射效應是其區別于潛艇的一個顯著不同，由于海浪的隨機不平整性，海面成為一個有效的、具有一定粗糙度的聲散射體，如圖3所示。不平整海面聲散射是造成水面艦船聲目標強度特征中背景亮帶的主要原因[8]。

海面的聲散射組成可分為三部分：

(1) 粗糙的海面作為散射面，直接形成散射回波，形成范圍較大的背景雜波；

(2) 海面作為反射面，對艦船殼體反射的回波進行二次反射；

(3) 海面的散射信號經艦船殼體的二次反射形成的散射信號。

海面散射信號的第1分量可將海面近似為滿足一定統計特性的散射面而進行直接計算；第2分量考慮海面與板塊元之間的二次反射，并進行判斷和計算，第3分量的量級很小，對全船總目標強度的影響可忽略不計。

海面的散射特性與入射信號頻率、入射角度、海面不平整度等因素有關。本文利用基于小斜率近似的散射系數計算方法[9]對具有高斯分布粗糙海面的散射系數進行計算。

海面的平均反射系數為

(6)

3 實例計算

以某水面船舶為目標建模，船長為75 m，船寬為12.8 m，其三維模型及坐標系如圖1所示。

選取四種典型的聲吶探測信號為入射聲波，相關參數如表1所示，其中信號1和信號3為單頻填充脈沖信號，信號2和信號4為線性調頻脈沖信號。

表1 入射聲波的參數

根據2.2節的板塊元劃分原則，將水面船的目標強度模型進行板塊元劃分，板塊元的尺度范圍m。

圖5給出了艦船正橫(90°)方向下四種探測聲脈沖的回波信號。可以看出，由于信號1和信號3為單頻填充脈沖，其回波的尺度分辨率低，因此在時域上對目標回波亮點的分辨能力弱于具有一定頻帶寬度的信號2和信號4。比較不同脈寬的回波信號，因為短脈沖不能同時覆蓋所有目標亮點，目標亮點之間的延時使回波脈沖不能完全重疊，因此反映出的目標亮點信息更豐富一些。

圖6給出了表1中四種探測脈沖下，水面艦船水下目標強度的方位分布特性。水面艦船的水下聲目標強度特征呈現出與潛艇類似的“蝴蝶”形分布，不同在于船艉部的目標強度比潛艇更加突出，分析原因主要是水面艦船的船艉安裝有尾軸架、尾軸、尾舵、螺旋槳等多種尺度較大的附體。

另外可見，寬帶調頻信號(圖6(b)、圖6(d))的目標強度比單頻填充信號(圖6(a)、圖6(c))的強度方位分布更平滑穩定，這種聲目標強度隨觀察方位變化而變化的現象，也稱為目標強度的“閃爍”，是由聲波的干涉作用而產生的，由于線性調頻脈沖信號具有時變的載頻和更為豐富的頻率分量，聲波干涉被“平滑”了，同時也驗證了水面艦艇和潛艇在水下聲目標強度測試中的“閃爍”現象。

(a) 信號1 (b) 信號2

(c) 信號3 (d) 信號4

圖6 水面艦船聲目標強度的方位分布特性

Fig.6 Bearing characteristics of acoustic target strength of surface ship

4 結語

本文提出了一種基于板塊元理論的水面艦船遠場聲目標強度預報方法，可得到任意入射角度和海況下水面艦船目標回聲的波形級信號，能較準確的預報水面艦船水下聲目標強度和方位分布特性，為優化與控制水面艦船的聲目標強度，分析水面艦艇水聲對抗的作戰效能，提供了物理基礎，所提出的上述數值預報方法使用較簡便，結果直觀。

[1] 湯渭霖. 用物理聲學方法計算界面附近目標的回波[J]. 聲學學報, 1999, 24(1): 1-5.

TANG Weilin. Calculation of acoustic scattering form object near an interface using physical acoustic method[J]. Acta Acoustica, 1999, 24(1): 1-5.

[2] 何心怡, 蔣興舟, 林建域. 基于亮點模型的潛艇回波仿真[J]. 魚雷技術, 2001,9(3): 15-18.

HE Xinyi, JIANG Xingzhou, LIN Jianyu. Simulation of submarine echo base on highlight model[J]. Torpedo Technology, 2001, 9(3): 15-18.

[3] 朱利超, 魏鵬舉, 高杰, 等. 基于亮點模型的水下目標近程回波仿真研究[J]. 艦船電子工程, 2011, 31(11): 153 -155.

ZHU Lichao, WEI Pengju, GAO Jie, et al. Simulation of echos from underwater scaling targets in short range based on highlight model[J]. Ship Electronic Engineering, 2011, 31(11): 153-155.

[4] 成剛, 徐海亭. 水下目標回波特性建模軟件TESSYS及其應用[J]. 聲學技術, 2003, 22(2): 85-87.

CHENG Gang, XU Haiting. Calculating software TESSYS of the echo characteristics of submerged targets and its application[J]. Technical Acoustics, 2003, 22(2): 85-87.

[5] 馮奇. 基于板塊元的水下復雜目標強度預報[J]. 魚雷技術, 2010, 18(4): 258-267.

FENG Qi. Strength prediction of underwater complicated target based on planar element method[J]. Torpedo Technology, 2010, 18(4): 258-267.

[6] 范軍, 湯渭霖, 卓琳凱. 聲吶目標回波特性預報的板塊元方法[J]. 船舶力學, 2012, 16(1-2): 171-180.

FAN Jun, TANG Weilin, ZHUO Linkai. Planar elements method for forecasting the echo characteristics from sonar targets[J]. Journal of Ship Mechanics, 2012, 16(1-2): 171-180.

[7] Freedman A. Recent approaches to echo structure theory[J]. Journal of the Acoustical Society of America, 1964, 36.

[8] 李繼續, 張明敏, 陳寶柱, 等. 波動水面對近水面目標聲反射的影響分析[J]. 艦船電子工程, 2011, 31(1): 149-152.

LI Jixu, ZHANG Mingmin, CHEN Baozhu, et al. Efeects of the wave fluctuation on the acoustic scattering of the near surface target[J]. Ship Electronic Engineering, 2011, 31(1): 149-152.

[9] 陳小泉, 馬忠成. 小斜率近似方法分析粗糙界面聲散射問題[J]. 聲學技術, 2009, 28(6): 725-728.

CHEN Xiaoquan, MA Zhongcheng. Study of acoustic scattering form rough surface by the small-scope approximation theory[J]. Technical Acoustics, 2009, 28(6): 725-728.

A method for predicting far-field target strength of surface ship based on planar elements theory

WANG Ru-hang, LI Bing, WEI Qiang

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, Hubei,China)

A far-field target strength (TS) predicting method of surface ship based on planar elements theory is proposed. First, the equivalent 3D models of the underwater hull and appendages are prepared according to the designed form, and then partitioned to mesh by using planar element theory, then the numerical models of the surface scattering and secondary scattering between appendages are established, and the scattering signal of each planar element is described as a transfer function including amplitude, phase and time delay; finally the far-field TS of surface ship in wave level and its distribution characteristics are achieved by inverse Fourier transforming the plus of the transfer function of each planar element. The availability of the present method is verified via comparing TS of surface ship in different incident directions. As a result, a reliable predicting method for optimizing and controlling the TS of surface ship and for analyzing the operational efficiency of underwater acoustic countermeasure of surface ship is provided.

acoustic target strength; surface ship; prediction method; planar elements model

TP391.9

A

1000-3630(2015)-01-0006-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.01.002

2013-11-01;

2014-02-14

王汝夯(1982－), 男, 河北冀州人, 博士, 工程師, 研究方向為水面艦船聲隱身。

王汝夯, E-mail: wangruhang@126.com