關震宇, 李 杰, 牛三庫

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基于亮區(qū)-亮點模型的水下近場目標回波建模方法

關震宇, 李 杰, 牛三庫

(北京理工大學機電學院, 北京, 100081)

考慮工作在近場區(qū)的水中兵器聲探測系統(tǒng)目標特性建模的需求, 提出了一種基于亮區(qū)-亮點模型的水下近場目標回波建模方法。本方法首先對目標物進行面元劃分, 使得每一個面元相對于換能器均工作在遠場區(qū), 之后通過換能器的指向性確定目標物屬于亮區(qū)的面元, 最后應用亮點法對于每個面元的回波進行預測并疊加, 最終獲得水下近場目標物的回波信息。本文通過對橢球目標物進行建模, 且模擬了其在側弦90°入射和側弦30°入射2種情況的回波, 并與真實情況下回波信號進行對比, 結果顯示, 采用該方法所建的模型在近場情況下可有效模擬回波的幅值、時延和脈寬等信息, 并對于回波波形具有一定的模擬精度。

聲探測; 亮區(qū)-亮點模型; 近場目標; 回波預測

0 引言

水中兵器諸如主動聲近炸引信等系統(tǒng)工作在近場區(qū), 其基本工作原理是, 聲引信通過換能器向海水介質發(fā)射聲波脈沖, 經過海水傳播, 由接收換能器接收目標返回的回波信號, 通過對回波信號的處理, 判斷是否為真實目標。在整個武器系統(tǒng)中, 回波信號的處理與識別是關鍵一環(huán), 因此, 建立水下近場目標的回波模型, 并借此了解目標回波信號的特性具有重要意義。

學界對于水下目標超聲回波特性建模已經有了一些研究。Urick等人借用雷達中的雷達散射面積(radar cross-section, RCS)計算公式, 歸納出了若干簡單幾何形態(tài)目標強度(target strength, TS)的計算方法, 但在水聲情況下只適用于剛性目標;湯渭霖和范軍參考了雷達中對RCS預報建模相似的方法, 提出了“亮點法”模型, 把目標分割成若干子目標, 使用穩(wěn)相積分法等近似方法求解亮點三參數(shù), 對亮點的傳遞函數(shù)迭加得到整個目標的TS值; 趙日昌等提出了“亮區(qū)法”, 采用“分解-合成”思想, 對于復雜形狀目標具有一定準確性; 劉文遠等人首次考慮了由于目標的運動和自旋對于回波信號的影響。上述模型雖然都成功對水下目標進行了回聲特性預測, 但都有其各自的局限性。湯渭林的“亮點模型”把目標看作若干個“亮點”, 從而只需要計算3個參數(shù)就可以完成回波信號的模擬, 這在遠場條件下十分方便, 但水下聲近炸引信主要工作在近場環(huán)境下, 此時便很難用少數(shù)幾個亮點來精確描述目標的回波情況; 趙日昌的“亮區(qū)法”在一定程度上解決了這個問題, 但是作者沒有給出顯式的計算方法; 劉文遠等人提出了一個遠場回波預測模型, 但其模型只用了5個亮點來描述目標, 這在近場情況下顯然是不夠精確的。

總的來說, 上述文獻中涉及的傳統(tǒng)方法在近場情況下并不完全適用, 存在的主要問題是, 亮點法之所以可以把目標等價成幾個亮點的回波, 主要基于“凸光滑表面反射波主要取決于第1個菲涅爾區(qū)的事實”。但是在近場條件下, 目標回波已經不能夠被看作近似互相平行, 所以近場區(qū)的目標并不適合被看作幾個孤立的亮點進行處理, 傳統(tǒng)的“亮點法”公式也并不適合?！傲羺^(qū)-亮點”法的思想是首先求取目標表面的“亮區(qū)”, 即對目標回波有貢獻的區(qū)域, 然后將亮區(qū)網格化, 使每個網格尺寸足夠小。換能器相對每個網格就工作在遠場區(qū), 這樣就滿足亮點法的工作條件。利用亮點法, 將所有網格亮點的回波信號迭加, 即可得到目標回波的仿真波形。

基于上述分析, 本文在吸收前人成果的基礎上, 綜合了亮點法和亮區(qū)法的優(yōu)勢, 提出了亮區(qū)-亮點法模型對原有亮點法模型進行了改進。仿真結果表明, 改進后模型與實際情況更加符合, 證實了模型的有效性。

1 模型建立

經典亮點模型主要考慮在高頻情況下, 任何一個復雜目標的回波都是由若干個子波迭加而成的, 每個子回波都可以看作是從某個散射點反射的波, 這個散射點就是亮點。剛性目標表面單個亮點的傳遞函數(shù)可以寫成

(2)

如引言中所述, 近場回波的亮區(qū)-亮點模型首先需要完成網格劃分, 之后判斷網格是否屬于目標亮區(qū), 將近場問題轉化為一個遠場問題從而利用亮點模型進行求解。

對于任意形狀的目標物, 以其質心位置建立笛卡爾右手坐標系。為簡單計, 設目標同時在以線速度沿軸方向勻速運動, 同時附帶有角速度為的滾轉運動, 取目標表面一微小面元, 如圖1所示。

(4)

即可以認為該小面元處于換能器的遠場區(qū), 這樣針對每一個小面元就可以使用“亮點法”模型。

但是并不是目標上每一個面元都對于回波有貢獻, 因此只選取那些對于回波有貢獻, 即處于“亮區(qū)中的面元”作為亮點, 這就是“亮區(qū)-亮點”法的思想。

亮區(qū)的確定跟換能器的指向性有關, 由于換能器工作在近場區(qū), 因此可以近似的認為, 在處于換能器－3dB波束角照射區(qū)域內的目標物表面均屬于亮區(qū)。

上述建模過程理論上可適用于任意復雜形狀的目標物。

2 模型參數(shù)求解

按照線性疊加原理, 當使用亮區(qū)-亮點法分析一個復雜物體(如魚雷或潛艇)的回波信號時, 回波信號總的傳遞函數(shù)為

根據(jù)線性系統(tǒng)理論, 設入射脈沖信號為

(8)

根據(jù)亮點模型的理論, 在遠場有

(10)

結合式(6)和式(10), 可以得到

(12)

使用水下常見目標之一的橢球體為例, 進行亮點參數(shù)解算的分析, 建立笛卡爾右手坐標系, 將目標中心置于原點, 長軸與軸重合, 短軸與軸重合, 設目標彈體長軸長, 短軸長, 彈體表面各點符合橢球面方程, 如圖2所示。

現(xiàn)著重分析對于形如上圖的目標,(,)的解算方法。將目標按照經緯線方向進行面元劃分, 使得每塊面元尺寸相對于換能器都處于遠場區(qū), 設徑向被劃分為等分, 緯向被劃分為等分。設第條經線與第條緯線交點為, 則積分區(qū)域事實上是由點所包圍的一個曲面, 據(jù)此計算式(12)。

首先做2個基本假設。

(16)

代入式(15), 得

其中積分區(qū)域為

(18)

其中

則式(12)可變形為

(20)

(22)

代入式(11), 即可得單個面元的反射輻射因子

將上述亮點參數(shù)代入式(8), 再遍歷所有亮區(qū)中亮點, 對輸出求和即可得到該目標回波的預測模型, 該算法流程如圖3所示。

圖3 基于亮區(qū)-亮點法的回波預測仿真流程

Fig. 3 Flow chart of echo prediction simulation based on highlight zones-highlights model

3 仿真與實驗

根據(jù)圖3的仿真流程, 在配置intel i7處理器的計算機上, 使用Matlab 2012平臺對本模型進行仿真。設換能器工作頻率為450 kHz, 發(fā)射信號為CW脈沖, 周期30 ms, 信號脈沖寬度1 ms, 發(fā)射聲源級180 dB, 發(fā)射電壓峰-峰值150 V。目標設為橢球形, 長軸長度1.2 m, 短軸長度0.4 m。

對于目標的網格劃分采用均勻網格, 當換能器工作距離大于1 m時, 由式(5)可得, 面元尺寸不能大于6 cm。將經線方向劃分為60等分, 緯線方向120等分, 即可滿足要求, 如圖4所示。

依次仿真換能器位于目標質心正上方與側弦30°, 4.5 m入射的情況, 為模擬實際情況, 在回波信號上疊加了1個幅值2 V的白噪聲信號, 所得仿真波形如圖5、圖6所示。

為對比仿真結果, 使用等效的聲目標物和換能器, 在消聲水池中模擬上述環(huán)境進行實際實驗, 實驗用水雷模型為美制MK62魚水雷等效縮比模型, 長軸1.2 m, 短軸0.4 m, 如圖7所示。實驗換能器為收發(fā)共置換能器, 如圖8所示, 換能器技術指標如表1所示。

表1 實驗換能器技術指標

實驗在水池中進行, 分別按照目標質心正上方與側弦30°, 4.5 m入射2種形式進行布置。

采集得到的回波信號經過帶通濾波后的波形如圖9、圖10所示, 帶通濾波器中心頻率450 kHz, 帶寬20 kHz。

對比圖5、圖6和圖9、圖10可以看出, 近場亮區(qū)-亮點模型除了可以較為準確的模擬回波的幅值、時延信息外, 還可對于回波的波形進行一定程度的模擬, 這與傳統(tǒng)的亮點方法相比無疑具有重要優(yōu)勢。同時發(fā)現(xiàn), 當入射角減小時, 回波寬度明顯收窄, 上述情況都與實際測量結果相吻合, 反映了該模型具有一定的準確性, 對比結果見表2。

表2 仿真回波信號與實測回波信號參數(shù)對比

4 結束語

本文提出了一種基于亮區(qū)-亮點法的水下近場目標回波預測模型, 可以用于水中兵器聲近炸引信等工作在近場區(qū)的水聲設備目標特性建模, 本模型通過對于目標網格的劃分, 首先確定目標亮區(qū), 并使用亮點法預測目標回波。本文針對水下常見的橢球形目標進行仿真分析, 并與實際實驗結果進行對比, 結果顯示, 該模型在近場情況下可有效模擬回波的幅值、時延和脈寬等信息, 并對于回波波形具有一定的模擬精度。

需要指出的是, 由于受仿真的環(huán)境限制, 本文僅僅提供了一種回波預測的思路, 并未對目標表面網格形式和劃分數(shù)量進行深入研究。實際上對于魚雷等復雜目標的精細模型進行回波預測時, 還需要針對具體模型做進一步具體研究。

[1] Urick R J. Principles of Underwater Sound for Engineers[M]. New York: MacGraw Hill, 1975.

[2] 湯渭霖. 潛艇回波的逼真模擬方法[J]. 水聲對抗, 1996 (3): 16-19.

[3] 湯渭霖. 聲吶目標回波的亮點模型[J]. 聲學學報, 1994, 19 (2): 92-100. Tang Wei-lin. Highlight Model of Echoes from Sonar Target[J]. Acta Acustica, 1994, 19(2): 92-100.

[4] 范軍, 朱蓓莉, 湯渭霖. 非剛性表面聲吶的修正幾何亮點模型[J]. 聲學學報, 2001, 26(6): 153-158.Fan Jun, Zhu Bei-li, Tang Wei-lin. Modified Geometrical Highlight Model from Nonrigid Surface Sonar Target[J]. Acta Acustica, 2001, 26(6): 153-158.

[5] 趙日昌. 潛艇反射“亮區(qū)”與聲入射方位的關系[J]. 艦艇科學技術, 1994, 16(5): 28-30.

[6] 劉文遠, 趙金海, 宋永峰, 等. 基于修正亮點模型的水下體目標建模技術[J]. 魚雷技術, 2010, 18(5): 352-356.Liu Wen-yuan, Zhao Jin-hai, Song Yong-hui, et al. Underwater Target Modeling Technology Based on Modified Highlight Model[J]. Torpedo Technology, 2010, 18(5): 352-356.

[7] 劉鵬仲. 多亮點目標模擬及其水下試驗視景仿真應用的研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2011.Liu Peng-zhong. The Research of Target Simulation Based on Multi Highlight Model & the Realization of Its Visual Simulation in Underwater Test[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2011.

(責任編輯: 許 妍)

Modeling Method of Target Echo in Underwater Near Field Based on Highlight Zones-Hightlights Model

GUAN Zhen-yu, LI Jie, NIU San-ku

(School of Mechatronic Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

To meet the demand for target characteristics modeling of acoustic detection system for underwater weapon in near field, we propose a modeling method of target echo in underwater near field based on the highlight zones-highlights model. Firstly, the target is divided into a series of surface elements in order to ensure each element is located in the far field region of a transducer. Then, the directivity function of the transducer is used to determine the surface elements which are located in the highlight zones of target. Finally, a highlights model is established to achieve the information of target echo by predicting and accumulating the echo of each surface element in highlight zones. A tank experiment is carried out to analog the echoes of an ellipsoidal target in 90°and 30°incidences at side board, and a group of real echoes is achieved. In addition, a simulation is also carried out to compare the results with the experimental ones. It is concluded that the proposed model can simulate the amplitude, time delay and pulse width of the echo effectively, and it can simulate the echo waveform with certain accuracy.

acoustic detection; highlight zones-highlights model; near field target; echo prediction

TJ630.34

A

1673-1948(2013)06-0454-06

2013-07-30;

2013-08-19.

國防科技預先研究課題資助(513050203).

關震宇(1987-), 男, 在讀博士, 研究方向為水下陣列信號處理.