潘明 鄧偉

（91388部隊94分隊 湛江 524022）

1 引言

魚雷是水下最具威脅力的主戰(zhàn)武器之一，聲自導(dǎo)魚雷是現(xiàn)代魚雷發(fā)展的趨勢，它能通過聲自導(dǎo)系統(tǒng)將魚雷導(dǎo)向目標(biāo)，其中目標(biāo)強度在魚雷捕獲、追蹤、識別目標(biāo)整個過程中起著重要的作用，許多情況下我們把目標(biāo)強度簡單地認(rèn)為是一固定值，這是不合理的。目標(biāo)回波強度不但與入射波束開角緊密相關(guān)，而且在不同方位角上的值是不同的。實戰(zhàn)中當(dāng)魚雷攻擊目標(biāo)時目標(biāo)會采取相應(yīng)的規(guī)避和逃逸措施，兩者的位置一直在發(fā)生變化。在近距離情況下由于受到魚雷波束扇面限制，波束照射到的目標(biāo)面積也會隨著變化，導(dǎo)致魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)獲得的目標(biāo)回波特性存在較大的差異。因此對運動狀態(tài)下潛艇的回波特性進行研究具有重要的軍事價值，本文用板塊元方法對Benchmark潛艇運動狀態(tài)下的回波特性及不同距離條件下的亮點結(jié)構(gòu)分布情況進行了探討。

2 運動狀態(tài)下潛艇回波精確板塊元方法

從圖1魚雷與目標(biāo)運動關(guān)系出發(fā)，為了準(zhǔn)確地進行潛艇坐標(biāo)和魚雷彈道坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換，把坐標(biāo)系原點O建立在目標(biāo)模型的幾何中心。首先通過仿真得到魚雷追蹤過程中各個時間點的坐標(biāo)值，解算各個坐標(biāo)值下魚雷波束照射目標(biāo)表面積，最后對照射表面單元進行積分求和，積分求和及板塊元方法推導(dǎo)過程可以參考文獻［2～3］。

圖1 魚雷與潛艇目標(biāo)運動關(guān)系

采用板塊元方法計算目標(biāo)回波強度的關(guān)鍵是對目標(biāo)進行精確幾何建模，建模的精度直接影響計算結(jié)果的精度，尤其是像魚雷這種窄波束的情況。本文研究中采用三維建模軟件UG建立了標(biāo)準(zhǔn)的Benchmark潛艇模型，通過Ansys軟件進行了網(wǎng)格劃分，圖2是目標(biāo)局部表面網(wǎng)格劃分示意圖。

圖2 目標(biāo)表面網(wǎng)格圖

目標(biāo)強度TS是一個遠場聲納參數(shù)，魚雷攻擊目標(biāo)時從遠場過渡到近場，在遠場中TS與回波強度ES（Echo Strength）等同，近場中TS無定義，而ES仍存在，因此用ES描述目標(biāo)的近場特性。ES不僅取決于目標(biāo)特性，而且還取決于目標(biāo)中心的選取和接收點中心和發(fā)射點中心距離，其值可以通過近場板塊元方法來計算，近場板塊元方法詳細推導(dǎo)可參考文獻［3］，回波強度可表示為

其中 pi是目標(biāo)中心點的入射聲壓，ps是水聽器測得的聲壓，r0是上述兩點之間的距離。在收-發(fā)合置情況下計算回波聲壓的物理聲學(xué)或Kirchhoff近似是

其中r是目標(biāo)上一點的距離，θ是r與表面法線的夾角，入射波 pi=(A/r)exp(ikr)，A是幅值，式（2）既適用于遠場也適用于近場。近場時保證目標(biāo)劃分的網(wǎng)格足夠小時，對于每個小面元來說還是滿足遠場條件，在同一板塊內(nèi)r可以近似為常數(shù)移出積分號外，得到:

其中Δrij是第ij號板塊與參考點的距離，對所有板塊元計算結(jié)果進行求和就可以得到目標(biāo)總的散射聲壓。

這樣式（4）中的積分又可以用板塊元法來計算。

3 運動狀態(tài)下潛艇目標(biāo)強度仿真

為了簡單起見，本文假定魚雷與目標(biāo)處于同一深度，魚雷提前角ηT=0，考慮魚雷波束開角2α=60°，目標(biāo)舷角φt=0作水平直線運動，魚雷采用尾追法追擊目標(biāo)作直線運動的潛艇，如圖3所示。

圖3 尾追法

1）建立平面坐標(biāo)系xy:A(x1,y1)，B(x2,y2)；

2）在計算時取步長間隔為Δt，這樣就可以計算每一時刻點的坐標(biāo)，設(shè)在t時刻的坐標(biāo)為(xi,yi)，則在t+Δt時刻的坐標(biāo)為

3）計算中當(dāng)兩者之間的距離d＜設(shè)定值時計算結(jié)束；

4）對兩者對應(yīng)的每一點進行連線即代表魚雷速度瞬間矢量方向。

魚雷速度設(shè)定為50kn，潛艇目標(biāo)速度設(shè)定為15kn和20kn兩種情況。將需要的關(guān)鍵參數(shù)保存作為板塊元程序輸入?yún)?shù)，這樣可以計算出不同時刻的目標(biāo)回波強度。圖4和圖5是信號頻率為20kHz的相對應(yīng)的目標(biāo)回波強度隨距離變化的情況。

圖4 Benchmark潛艇回波強度（v雷:v艇=50:15）

圖5 Benchmark潛艇回波強度（v雷:v艇=50:20）

上述仿真參數(shù)除了目標(biāo)航速不同之外其他參數(shù)都保持相同。通過對圖4到圖5仿真結(jié)果進行分析可以得出以下結(jié)論:隨著魚雷與目標(biāo)速度之比（vB:vA）減小，魚雷命中目標(biāo)的航程將會增加，末段魚雷與目標(biāo)的舷角趨于零，兩者成直線運動，目標(biāo)回波強度趨于一常值。由于入射方位角的變化，潛艇目標(biāo)回波強度起伏劇烈，總體存在變小的趨勢，起伏變化規(guī)律與靜止目標(biāo)相比存在較大的差異。

4 運動狀態(tài)下潛艇回波圖譜仿真

潛艇運動過程中會出現(xiàn)兩種情況:一是照射波束隨著潛艇運動而伴隨運動，不改變潛艇與發(fā)射基陣之間的相位角；二是發(fā)射基陣固定不動，照射波束方向不改變，由于潛艇運動導(dǎo)致潛艇與基陣相位角發(fā)生變化。

1）潛艇直線運動狀態(tài)下回波仿真

對運動的潛艇回波進行預(yù)報更加接近實際，因此，對潛艇運動軌跡進行設(shè)計，假設(shè)潛艇自左向右恒速運動，潛艇運行航路設(shè)置如圖6所示。對Benchmark潛艇作運動狀態(tài)下潛艇回波仿真預(yù)報。其運動軌跡設(shè)計如下:在距潛艇運動軌跡790m處有一發(fā)射聲源，發(fā)射信號頻率30kHz，脈寬填充3個周期，信號步長2s，共獲得161組目標(biāo)運動傳遞函數(shù)。仿真得到Benchmark潛艇運動狀態(tài)下回波圖譜圖7。

圖6 潛艇運動軌跡

圖7 Benchmark潛艇運動回波圖譜

2）潛艇和基陣相對運動狀態(tài)下潛艇回波仿真

運動軌跡設(shè)計如下:發(fā)射基陣伴隨潛艇100m距離運動，伴隨運動距離為L1=20m*2m*5.5m*0.5m，L2=20m*2m*5.5m*0.5m之和，圖8所示潛艇運動態(tài)勢圖，仿真得到Benchmark潛艇運動回波圖9。

圖8 潛艇運動態(tài)勢圖

圖9 Benchmark潛艇運動回波圖譜

從圖7仿真得到的Benchmark潛艇運動回波圖譜，可以發(fā)現(xiàn)有三條比較明顯的亮線，判斷是潛艇頭部、圍殼、尾部反射亮點運動形成的，潛艇運動到發(fā)射基陣正橫方向時亮點最強。從圖9仿真得到的Benchmark潛艇運動回波圖譜，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)射基陣伴隨潛艇運動時，回波圖像保持不變，由于潛艇的外形結(jié)構(gòu)影響，不同部位的亮點圖像存在較大差異。

5 結(jié)語

本文主要研究了運動狀態(tài)下潛艇回波特性，建立了運動狀態(tài)下潛艇精確板塊元方法，對運動狀態(tài)下潛艇回波圖譜進行預(yù)報仿真，結(jié)果表明:潛艇處于連續(xù)運動狀態(tài)時，不同時刻下回波亮點串聯(lián)到一起形成了奇特的聲亮線，亮線的結(jié)構(gòu)和形狀不僅與觀察方位角有關(guān)，而且與潛艇和觀察者之間的相對運動狀態(tài)、觀察者有效觀察視角、兩者之間的距離等因素密切相關(guān)，潛艇的回波亮點主要集中在三個區(qū)域:頭部、圍殼和尾部，正橫方向時觀察得到的亮點強度最強。