劉 巖 王永生 劉翠海 孫華慶 郝曉虎

(1.海軍潛艇學(xué)院 青島 266000)(2.91033部隊(duì) 青島 266000)

拖曳式浮標(biāo)海面尾跡圖像仿真研究

劉 巖1王永生1劉翠海1孫華慶1郝曉虎2

(1.海軍潛艇學(xué)院 青島 266000)(2.91033部隊(duì) 青島 266000)

利用開(kāi)爾文尾跡理論,構(gòu)建拖曳式浮標(biāo)海面尾跡仿真模型,并對(duì)拖曳浮標(biāo)在海洋背景場(chǎng)條件下不同航速、不同吃水航深、不同粘滯系數(shù)的尾跡進(jìn)行仿真對(duì)比,分析尾跡波的變化。結(jié)果表明,當(dāng)僅考慮尾跡水動(dòng)力模型時(shí),浮標(biāo)吃水深度一定,在一定航速范圍內(nèi),航速越大,尾跡越清晰;當(dāng)航速一定,浮標(biāo)吃水深度不同時(shí),尾跡圖像明顯不同。

拖曳式浮標(biāo); 尾跡模型; 仿真分析

Class Number TN92

1 引言

為實(shí)現(xiàn)水下隱蔽通信問(wèn)題,各國(guó)海軍一直在尋求更為有效的通信手段。其中,通信浮標(biāo)技術(shù)代表著一種重要的發(fā)展方向。以美國(guó)為代表的西方軍事發(fā)達(dá)國(guó)家把通信浮標(biāo)作為解決潛艇水下隱蔽通信的重要手段,先后研發(fā)和成功研制多種類(lèi)型的通信浮標(biāo)。拖曳式浮標(biāo)是其中應(yīng)用較為廣泛的通信浮標(biāo)之一,其由一根較長(zhǎng)的電纜與艇體相連,浮標(biāo)體自身重量較大,為確保其通信可靠性,浮標(biāo)只能在一定的航行深度和航速,工作海況不得大于5級(jí)。盡管拖曳式浮標(biāo)體積相對(duì)較小,但也足以在水面產(chǎn)生明顯尾跡特征,仍存在被合成孔徑雷達(dá)等偵測(cè)設(shè)備捕捉的可能性。因此,對(duì)拖曳式通信浮標(biāo)的尾跡研究具有實(shí)際意義。

本文對(duì)拖曳式浮標(biāo)在水面狀態(tài)航行時(shí)產(chǎn)生的尾跡進(jìn)行建模仿真,并將尾跡波與海洋表面波浪背景場(chǎng)相疊加,分析不同條件下的尾跡特征。

2 拖曳式浮標(biāo)尾跡模型

開(kāi)爾文尾跡是船體對(duì)水面的擾動(dòng)而產(chǎn)生的尾跡,開(kāi)爾文尾跡模型也適用于拖曳式通信浮標(biāo)的尾跡仿真。該模型運(yùn)用格林函數(shù)來(lái)描述流體點(diǎn)源的運(yùn)動(dòng),在一定的邊界條件下,可以得到近表面的速度,從而得到波高。

如果只考慮尾跡的表面重力波,忽略湍流尾跡,假設(shè)拖曳式通信浮標(biāo)在工作狀態(tài)時(shí)的航速為V,航向?yàn)閤,其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的自由表面波高可以用以下函數(shù)表示:

(1)

其中k0=g/V2,g為重力,θ是基于航向的波浪傳播方向,Re是實(shí)部,A(θ)是和特性有關(guān)的函數(shù)。在一定的近似條件下,將基于縱向中心面的浮標(biāo)的場(chǎng)源分布來(lái)代表浮標(biāo)表殼。根據(jù)這個(gè)理論,場(chǎng)源強(qiáng)度可以表示為

(2)

F是浮標(biāo)表殼函數(shù);在遠(yuǎn)場(chǎng)波浪的條件下,A(θ)表示為

(3)

其中H(k,θ)是科欽函數(shù)(SH是浮標(biāo)表殼):

(4)

簡(jiǎn)化形狀為:浮標(biāo)體水線是拋物線,浮標(biāo)兩側(cè)是垂直的,f表示為

(5)

b是浮標(biāo)寬度,l是浮標(biāo)長(zhǎng)度;考慮粘滯拖曳作用對(duì)側(cè)波的影響,波高表達(dá)式為

ζ(x,y)=ζ0(x+l,y)+Cζ0(x-l,y)

+ζ1(x+l,y)+Cζ1(x-l,y)

(6)

C是粘滯系數(shù),函數(shù)ζ0(x,y)、ζ1(x,y)的表達(dá)式分別為

·sin(h(x,y))dθ

(7)

·cos(h(x,y))dθ

(8)

h(x,y)=k0(secθ)2(xcosθ+ysinθ)

(9)

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 仿真步驟

基于上述模型,仿真步驟如下:

1) 輸入浮標(biāo)尺寸、吃水深度、航速等參數(shù),模擬出浮標(biāo)尾跡波形;

2) 運(yùn)用隨機(jī)產(chǎn)生的噪聲,模擬海背景場(chǎng);

3) 將尾跡與背景場(chǎng)疊加,模擬波高。

3.2 仿真結(jié)果分析

假定浮標(biāo)體積參數(shù)為1900mm×1100mm×1000mm,浮標(biāo)體在5級(jí)海況下能夠正常工作。仿真時(shí),圖像分辨率設(shè)置為512×512,精度為0.2m。

3.2.1 浮標(biāo)吃水深度一定,不同航速條件下的尾跡波仿真結(jié)果

浮標(biāo)工作時(shí),對(duì)航速有一定要求,以確保通信的可靠性和隱蔽性。仿真過(guò)程中,取8kn、5kn,2kn三個(gè)航速進(jìn)行運(yùn)算和對(duì)比分析,更全面地對(duì)不同航速條件下的尾跡波進(jìn)行研究。

圖1反映的是浮標(biāo)吃水深度為1m,海水粘滯系數(shù)為0.1,分別在三個(gè)航速下的仿真結(jié)果圖。

(a)V=8kn

(b)V=5kn

(c)V=2kn

通過(guò)比對(duì)分析,從圖中可以看出,當(dāng)航速在2kn時(shí),圖像模糊,基本無(wú)尾跡特征;當(dāng)航速為5kn時(shí),出現(xiàn)明顯尾跡波;當(dāng)航速達(dá)到8kn時(shí),尾跡波很明顯,橫波清晰可見(jiàn)?？梢缘贸?當(dāng)浮標(biāo)吃水深度不變時(shí),艇速在2kn～8kn的范圍,速度越大,浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的尾跡波越明顯,反之,航速越小,尾跡特征越不明顯。

3.2.2 航速一定,浮標(biāo)不同吃水深度條件下的尾跡波仿真結(jié)果

拖曳式通信浮標(biāo)在工作狀態(tài)時(shí),受潛艇航行深度、線纜拖曳長(zhǎng)度、浮標(biāo)體重量等影響,是處于不同的吃水深度的。由于浮標(biāo)上安裝的天線體必須露出水面,所以,其吃水深度有限?？紤]到浮標(biāo)高度,取吃水深度0.25m、0.5m和1m深度進(jìn)行仿真對(duì)比。

圖2反映的是航速在5kn,粘滯系數(shù)0.1時(shí),三種吃水深度下的仿真結(jié)果。

(a)d=0.25m

(b)d=0.5m

(c)d=1m

從仿真結(jié)果圖中可以看出,當(dāng)吃水深度在0.25m時(shí),無(wú)明顯尾跡波,當(dāng)深度達(dá)0.5m時(shí),海面有較清晰尾跡波,當(dāng)深度達(dá)到1m時(shí),尾跡波非常明顯?？梢?jiàn),當(dāng)航速一定時(shí),浮標(biāo)的吃水越大,尾跡波越明顯,當(dāng)吃水深度達(dá)到1m時(shí),尾跡波最明顯。

3.2.3 浮標(biāo)吃水深度一定、航速一定,不同粘滯系數(shù)的仿真結(jié)果

在不同海區(qū),海水的粘滯系數(shù)是不同的,也會(huì)造成浮標(biāo)尾跡的變化,波形不一致。取航速在5節(jié),浮標(biāo)體吃水深度為1m,對(duì)粘滯系數(shù)分別為0.1、0.2、0.3進(jìn)行仿真。

(a)C=0.1

(b)C=0.2

(c)C=0.3

通過(guò)比對(duì)分析,從圖3中可以看出,粘滯系數(shù)影響尾跡波形的大小,粘滯系數(shù)越大,尾跡越大。但波形無(wú)明顯改變,可以看出,粘滯系數(shù)對(duì)波形的影響較小。

4 尾跡與海洋背景場(chǎng)疊加后的仿真分析

尾跡波的波形不僅與潛艇航速、浮標(biāo)吃水深度、海水粘滯系數(shù)直接相關(guān),而且還受到海洋背景場(chǎng)的影響。下面在原仿真的基礎(chǔ)上,將不同航速、不同吃水深度、不同粘滯系數(shù)的浮標(biāo)尾跡波分別疊加海表面風(fēng)速3m/s(2級(jí)海況)、9m/s(5級(jí)海況),風(fēng)向45度的海洋背景場(chǎng),對(duì)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析。

4.1 不同航速的疊加

1) 風(fēng)速3m/s,風(fēng)向45°

(a)V=2kn

(b)V=5kn

(c)V=8kn

2) 風(fēng)速9m/s,風(fēng)向45°

(a)V=2kn

(b)V=5kn

(c)V=8kn

4.2 不同吃水深度

1) 風(fēng)速3m/s,風(fēng)向45°

(a)d=0.25m

(b)d=0.5m

(c)d=1m

2) 風(fēng)速9m/s,風(fēng)向45°

(a)d=0.25m

(b)d=0.5m

(c)d=1m

4.3 不同粘滯系數(shù)

1) 風(fēng)速3m/s,風(fēng)向45°

(a)C=0.1

(b)C=0.2

(c)C=0.3

2) 風(fēng)速9m/s,風(fēng)向45°

(a)C=0.1

(b)C=0.2

(c)C=0.3

可以看出,在2級(jí)海況情況下,航速越大,吃水深度越深,粘滯系數(shù)越大,波形越明顯,海洋背景場(chǎng)對(duì)尾跡波的影響越小;在5級(jí)海況情況下,海洋背景場(chǎng)對(duì)尾跡波的影響顯著,波形被淹沒(méi)。

5 結(jié)語(yǔ)

為了提高潛艇的隱蔽性,必須考慮潛艇浮標(biāo)天線在海面形成的尾跡波被反潛兵力發(fā)現(xiàn)而造成的潛艇暴露問(wèn)題。利用開(kāi)爾文尾跡仿真模型,對(duì)拖曳式浮標(biāo)海面尾跡進(jìn)行仿真研究。潛艇航速、浮標(biāo)吃水深度、海水粘滯系數(shù)等因素對(duì)浮標(biāo)尾跡波的影響比較大,相對(duì)平靜海況下,當(dāng)吃水深度一定,隨著航速的增加,尾跡特征越明顯,航速5kn時(shí),浮標(biāo)尾跡特征已經(jīng)明顯;當(dāng)航速一定時(shí),隨著浮標(biāo)吃水深度越深,尾跡波越明顯,吃水深度1m時(shí)尾跡特征明顯;海水粘滯系數(shù)越大,尾跡波越明顯,但波形變化不大。從對(duì)尾跡波疊加海洋背景場(chǎng)的仿真來(lái)看,在2級(jí)海況的下,浮標(biāo)尾跡波形明顯,當(dāng)海況達(dá)到5級(jí)時(shí),尾跡波淹沒(méi)在海洋背景下。由于缺少與真實(shí)的SAR圖像的對(duì)比,本文的模型和仿真還有待進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化。

[1] 劉新安,羅曼,吳坤興.潛艇通信浮標(biāo)發(fā)展研究[C]//中國(guó)通信學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì),2008.

[2] 王光源,馬海洋,李冬.拖曳式通信浮標(biāo)對(duì)潛艇隱蔽性的影響[J].艦船科學(xué)技術(shù),2012,34(3):107-110.

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[8] 侯海平,陳標(biāo),劉翠華等.海洋背景下開(kāi)爾文尾跡仿真與分析[J].計(jì)算機(jī)仿真,2007,24(8):12-15.

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Towed Buoy Sea Wake Image Simulation Research

LIU Yan1WANG Yongsheng1LIU Cuihai1SUN Huaqing1HAO Xiaohu2

(1. Navy Submarine Academy, Qingdao 266000)(2. No. 91033 Troops of PLA, Qingdao 266000)

A trail simulation model of towed buoy is established based on the Kelvin ship wake model. Trail simulations on various options, i.e. speed, navigation depth and viscous coefficient, are made combined with ocean background field to gain wake diagram for analysis. The results show that, considering only the wake model, the transverse wave arises with the navigation speed within a range when depth is certain, the wake varies a lot with the depth when the navigation speed is certain.

towed buoy, wake model, simulation analysis

2016年8月10日,

2016年9月18日

劉巖,女,碩士研究生,助理工程師,研究方向:軍事通信。王永生,男,碩士,教授,研究方向:軍事通信。劉翠海,男,碩士,副教授,研究方向:軍事通信。孫華慶,男,碩士研究生,研究方向:磁異常信號(hào)檢測(cè)。郝曉虎,男,助理工程師,研究方向:軍事通信。

TN92

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.017