基于擾動壓力與速度測量水中目標航向與航速的新方法

顧建農，張志宏，王 沖，繆 濤，田雪冰

(1．海軍工程大學理學院，湖北 武漢 430033;2．中國人民解放軍91439部隊，遼寧 大連 116041)

基于擾動壓力與速度測量水中目標航向與航速的新方法

顧建農1，張志宏1，王 沖1，繆 濤1，田雪冰2

(1．海軍工程大學理學院，湖北 武漢 430033;2．中國人民解放軍91439部隊，遼寧 大連 116041)

從不可壓理想定常流動的伯努利方程出發，依據水中航行體對水中某點的擾動壓力與擾動速度的相關性，提出了基于水中航行體對水中一點的擾動壓力與擾動速度測量該航行體的航行速度與航向的新方法。船模實驗表明，該方法能較準確地測量出水中航行體的航向與運動速度，航向測量誤差在5%以內，速度測量誤差在20%以內，說明該方法具有實際應用前景。

航向測量;擾動壓力;擾動速度;水中目標

0 引言

對水中運動目標的探測一直受到各國軍事部門的重視。目前對水中航行體航速與航向被動測量的方法一般有基于運動目標自身噪聲的聲學測量方法［1－2］以及基于自身磁性的磁學測量方法［3－4］。而水中航行體航行時會對周圍水體形成速度與壓力擾動，這種擾動速度與壓力的大小與航行體的運動速度、航行體的排水量、距航行體的距離等參數有著密切關系，目前已廣泛使用的水壓水雷引信就是利用水中航行體引起水底有規律的壓力變化而設計的［5］。水中某一點的流體受到航行體的擾動而產生的速度與壓力擾動的大小應包含了航行體速度大小的信息。本文從不可壓理想定常流動的伯努利方程出發，依據水中航行體對水中某點的擾動壓力與擾動速度的相關性，提出了基于水中航行體對水中一點的擾動壓力與擾動速度測量該航行體的航行速度與航向的方法并進行了實驗驗證。

1 測量原理

設艦艇航行速度為V∞，相對地若艦艇不動則水流流動速度為V∞，建立如圖1所示坐標系。設航行艦艇在水中某點形成的壓力為p，擾動速度分量為ux，uy，uz。取水下同一水平面上2點A和B。A點由于遠離艦艇，其擾動速度為0，壓力為環境壓力p∞;B點由于受到艦艇擾動其速度為(V∞+ux，uy，uz)，壓力為p。將流體當作理想流體考慮，對A和B兩點列出伯努利方程有：

圖1 艦艇及坐標系示意圖Fig.1 The sketch of ship and coordinates

式中，ρ為水密度。

由式(1)可得B和A兩點的壓差為

由式(2)可得：

由于ux，uy，uz＜＜V∞，所以，由壓力系數定義式

2 實驗驗證

2.1 實驗設備與測量儀器

1)船池及船模

實驗在海軍工程大學可變水深拖曳船池進行(見圖2)。該船池長38 m，寬4 m，水深0～2 m可變，拖車速度0～3 m/s。船模主要參數：水線長L=2.52 m，最大寬度B=0.25 m，平均吃水T=0.08 m，實驗水深與船模水線長之比H/L=0.2，船模航行時的軸線位于船池中心面上。

圖2 船池及船模Fig.2 The pool and ship model

2)壓力傳感器及點式流速儀

圖3為船模、測壓傳感器及測速儀布置示意圖。所采用的測壓傳感器為美國Honeywell公司生產的163PC01D75型微壓差傳感器，滿量程為±63.5 mm水柱，線性誤差在±1%以內，分辨率為0.04 mm水柱，圖4為封裝改造后可置于水下的壓力傳感器實物，該測量系統的詳細情況見文獻［6］。測壓傳感器的測壓孔位于距船池中心面0.1倍船長的左側池底處，用于測量船模通過傳感器時產生的擾動壓力。

測速儀采用諾泰克公司生產的點式流速儀(見圖5)，它基于超聲多普勒效應測量水中一點的擾動速度矢量，其量程范圍為±0.01，0.1，0.3，1，2，4 m/s(可通過軟件設定)，測量精度為量程的±0.5%±1.0 mm/s。圖3中x'，y'，z'(y'未畫出，垂直紙面向里，與x'，z'軸構成右手坐標系。)為超聲測速儀坐標系，它能同時將水流速度的3個分量測量出來。x'軸與船模運動方向的逆向夾角為α，稱之為船模相對于測速儀坐標系的航向角或測速儀相對于船模坐標系的偏置角。x，y，z為船模坐標系，其中y未畫出，與y'方向一致。－x1表示船模駛向測量點時，頭部距測量點連線的距離。由于測壓傳感器占據了船模左側的位置，如果將測速儀也安排在左側與測壓傳感器同點處，則測壓傳感器的殼體會對船模擾動速度的測量帶來干擾。考慮到對稱性，將測速儀置于船模的右側，速度測量點與壓力測量點相對于船模中心面左右對稱。由于測速點處受到船模的壓力擾動與測壓點處受到船模的壓力擾動相同，因此可以認為擾動壓力與擾動速度是在同點測量的。

2.2 測量方法

設測速儀測量到水中某點擾動速度為(u'x，u'y，u'z)，則根據2個坐標系的幾何關系有

3 實驗結果

圖6為船模航行速度V∞=2 m/s，測速儀的偏置角α=0°時，船模通過測量點時測量到的擾動速度分量，圖中橫軸x1/L=－0.8表示船頭距測量點連線0.8倍船長，x1/L=0.0表示船頭恰好位于測量點的連線上，x1/L=2.2表示船尾距測量點連線1.2倍船長。圖7為由測壓與測速儀得到的壓強系數比較。從圖中可以看出，由速度分量按式(5)與式(6)計算得到的壓力系數二者幾乎一致，說明忽略速度擾動的高階項計算壓力系數是合理的。測壓傳感器的壓力系數與由測速儀得到的壓力系數也基本一致，說明將流體當作理想流體來處理擾動速度與擾動壓力的關系也是合理的。二者的壓力系數在最小處有一定的差別，誤差的原因有：一是沒有考慮流體粘性，采用伯努利方程將擾動速度與壓力相關聯會帶來一定誤差;二是測壓傳感器與測速儀自身的測量誤差如測壓傳感器響應速度不夠快，導致負壓峰值測量不準。

圖6 船模對測量點的擾動速度分量Fig.6 The disturbance velocity of ship model at the measurement point

圖7 水中某點由測壓與測速傳感器得到的壓強系數比較Fig.7 The comparison of pressure coefficient obtained by pressure and velocity transducer

表1給出了船模運動速度為1.556 m/s時，測速儀偏置角分別為 0°，30°，45°，60°時，由測量到的擾動壓力與擾動速度根據前述公式推算出船模航速與航向角及其相對誤差。從表中數據可以看出，推算出的船模航行速度與航向角與船模實際航行速度與航向角比較接近，說明用本文提出的方法確定水下航行體的航速與航向是可行的。本文雖只針對測速儀偏置角為0°，30°，45°，60°開展了實驗測試工作，但考慮到對稱性，當測速儀偏置角為90°～360°時情況應該會與表1中反映出的測量精度相似，正如表1中測速儀偏置角分別為30°與60°時推算出的結果基本一致一樣。

4 結語

由理論推導及實驗驗證說明本文提出的基于水中航行體對水中一點的擾動壓力與擾動速度同時測量該航行體的航行速度與航向的方法是有效可行的。這種測量方法不依賴于目標航行體的聲、磁特性，對于具有隱身特性的水下航行體也能進行測量，表明該方法具有重要的實際應用前景。

本文只是針對提出的測量方法進行了初步的實驗驗證，測點位置距船模的正橫距離僅為船長的0.1倍，如何在更遠的測點距離下開展有效的測量以及在實際海況中有風、浪、流干擾的情況下進行航行體航向與航速的檢測將是今后工作開展的重點。

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［5］葉平賢，龔沈光．艦艇物理場［M］．北京：兵器工業出版社，1992．

YE Ping-xuan，GONG Shen-guang．The physics fields of ship［M］．Beijing：Arms industry Press，1992．

［6］顧建農，張志宏，鄭學齡．水壓場信息處理系統［J］．海軍工程學院學報，1998，(1)：39－43．

GU Jian-nong，ZHANG Zhi-hong，ZHENG Xue-ling．The message processing system of water pressure［J］．Journal of Naval Unversity of Engineering，1998，(1)：39 －43．

A new method of measuring underwater target heading and speed based on pressure and velocity disturbances

GU Jian-nong1，ZHANG Zhi-hong1，WANG Chong1，MIAO Tao1，TIAN Xue-bing2
(1．Science College，Naval Universityof Engineering，Wuhan 430033，China;2．No．91439 Unit of PLA，Dalian 116041，China)

A new method of measuring underwater target heading and speed based on its pressure and velocity disturbances is presented by the relative of the disturbances pressure and velocity of the underwater vehicle at a point in water from Bernoulli equation for incompressible steady frictionless streamline flow．The experiment of the ship model shows that the method can well and truly measure the underwater vehicle heading and speed，the error of the ship model's heading and speed is less than 5%and 20%．It shows the perspective of practical application in the future．

heading measurement;pressure disturbances;velocity disturbances;underwater target

O353.4

A

1672－7649(2012)05－0047－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.05.010

2011－06－28;

2011－09－02

國防科技預研基金(51303030502)

顧建農(1963－)，男，博士，教授，研究方向為艦艇目標特性及流體力學。