唐麗媛，汪海濤，王 斌

(1.上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，200240；2.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱，150001；3.中國船舶重工集團(tuán)公司 第726 研究所，上海，201108)

0 引言

目前反魚雷技術(shù)主要集中在自我保護(hù)和軟殺傷2 個方面。其中聲誘餌是各國海軍廣泛采用的武器裝備之一[1-2]。

聲誘餌按工作方式分為主動式和被動式2 種，主動式聲誘餌通過模擬潛艇的散射特性應(yīng)答敵方的搜尋信號；被動式聲誘餌通過連續(xù)發(fā)出與潛艇輻射噪聲相似的寬帶噪聲，達(dá)到誘騙敵方聲吶的目的[3]。聲誘餌按運(yùn)動方式分為拖拽式、自航式和懸浮式，懸浮式聲誘餌由共軸的發(fā)射陣、接收陣、聲障板以及電子艙組成，其中，電子艙為耐壓殼體結(jié)構(gòu)，用于連接發(fā)射接收裝置，儲存參與工作的電子設(shè)備[4]。

為了對抗智能化魚雷，現(xiàn)代主動式聲誘餌通常采用邊收邊發(fā)工作模式[5]，即發(fā)射信號的同時不關(guān)閉接收機(jī)，該技術(shù)的關(guān)鍵在于降低發(fā)射信號串漏對接收信號的影響。向大威等[6]指出邊收邊發(fā)模式下聲串漏是由發(fā)射-接收端直接聲串漏和海底/海面反射引起的間接聲串漏兩部分組成。王自娟[7]、王守義[5]討論了利用矢量傳感器的組合指向性抑制聲串漏。吳培榮[8]分析了發(fā)射/接收的指向性和干擾抵消算法對聲串漏的抑制效果。王敏慧等[9]定量分析了圓柱換能器軸向波束隨聲障板安裝距離和直徑的變化。徐盛瀛等[10]討論了聲誘餌電子艙材料、結(jié)構(gòu)及其與發(fā)射點(diǎn)距離對接收隔離度的影響。上述研究對聲誘餌串漏抑制具有重要的指導(dǎo)意義，但不具備系統(tǒng)仿真分析能力。

董陽澤[11]、苑秉成等[12]基于Matlab、VC 平臺研制了聲誘餌仿真系統(tǒng)。董陽澤等[13]對水聲對抗仿真系統(tǒng)的設(shè)計思路和具體的實(shí)施方案進(jìn)行了闡述。以上仿真系統(tǒng)的重點(diǎn)為聲誘餌的防御策略，對陣元域信號仿真關(guān)注較少。

針對以上問題，文中設(shè)計了一套邊收邊發(fā)工作模式的主動式聲誘餌仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)借助多物理場耦合數(shù)值仿真軟件COMSOL Multiphysics仿真電子艙聲振耦合的聲場，將串漏反饋模型和時域波形仿真等算法通過其內(nèi)置的APP 開發(fā)器在不同的模塊中實(shí)現(xiàn)，完成了陣元域接收/發(fā)射信號完整仿真流程；同時，提供了包括模擬潛艇回波功能的信號處理模塊，可以對信號進(jìn)行分析；采用模塊化設(shè)計，獨(dú)立性高。最后分析了電子艙引起的發(fā)射/接收聲場畸變以及邊收邊發(fā)模式下串漏引起的器材增益變化。

1 仿真原理與系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 仿真原理

主動式聲誘餌工作原理如圖1 所示。

圖1 聲誘餌工作原理圖Fig.1 Principle of acoustic bait

由主動聲吶發(fā)射探測信號，經(jīng)過海洋信道傳播至聲誘餌，接收陣將入射聲波及其在聲隔離障板和電子艙上的散射聲波一同轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)接收機(jī)、信號處理機(jī)以及發(fā)射機(jī)濾波、放大，驅(qū)動發(fā)射基陣將電信號轉(zhuǎn)換為聲波，與接收過程類似發(fā)射聲波在聲隔離障板和電子艙上發(fā)生散射，經(jīng)過海洋信道傳播至主動聲吶。

將包含聲隔離障板和電子艙散射的海洋信道聲傳播作為一個線性系統(tǒng)考慮，并根據(jù)Ignenito近似[14]忽略聲誘餌與海面/海底之間多次散射，聲誘餌接收陣輸出電壓信號可表示為

式中：S（ω）為主動聲吶發(fā)射信號頻譜；θi、G（θi）和φ（θi）分別為本征聲線入射角、幅度和相位；H1（ω，θi）為θi方向單位幅度平面波激勵自由場環(huán)境下聲誘餌接收陣輸出復(fù)電壓；n（t）為海洋環(huán)境噪聲激勵下輸出電壓。

主動聲吶接收應(yīng)答信號可表示為

式中：Z（ω）為輸出機(jī)輸出電壓頻譜；H2（ω，θ i）為自由場環(huán)境下單位電壓激勵下聲誘餌接發(fā)射陣在θi方向和距離歸一化后的復(fù)聲壓。

傳統(tǒng)存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式時，輸出機(jī)輸出電壓z（t）與接收機(jī)輸入電壓y（t）的頻譜滿足

其中，H（ω）為存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式下聲誘餌接收機(jī)輸入電壓與發(fā)射機(jī)輸出電壓之間的傳遞函數(shù)，為已知量。

在邊收邊發(fā)工作模式下，發(fā)射陣發(fā)射信號經(jīng)接收陣接收后同時轉(zhuǎn)發(fā)，形成一個典型反饋閉環(huán)系統(tǒng)[15]，如圖2 所示。

圖2 串漏反饋模型Fig.2 Model of cross-leak feedback

此時接收機(jī)輸入電壓與發(fā)射機(jī)輸出電壓之間傳遞函數(shù)由H（ω）變?yōu)?/p>

其中，H3（ω）為自由場環(huán)境單位聲壓驅(qū)動下發(fā)射陣發(fā)射聲波時接收陣輸出電壓的傳遞函數(shù)。

由此可知聲誘餌陣元域信號仿真流程如下：1) 根據(jù)海洋環(huán)境參數(shù)、主動聲吶/聲誘餌深度和水平距離計算本征聲線入射角、幅度與相位；2) 根據(jù)聲隔離障板、電子艙結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)以及發(fā)射/接收陣配置參數(shù)(形狀、尺度以及壓電響應(yīng)或靈敏度)計算傳遞函數(shù)；3) 根據(jù)接收機(jī)輸入電壓與發(fā)射機(jī)輸出電壓之間的傳遞函數(shù)，計算接收機(jī)輸入電壓以及發(fā)射陣應(yīng)答信號時域波形。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

針對上述仿真流程，該系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計，模塊間采用共享文件的方式通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 System structure

各模塊具體功能如下。

1) 模型構(gòu)建模塊： 具備豐富的CAD 接口，支持用戶導(dǎo)入待計算的聲誘餌模型，并同時展示該模型二維剖面圖和三維立體圖，輸出二維模型。

2) 海洋環(huán)境模塊： 用于生成主動聲吶信號和模擬海洋信道多途效應(yīng)、背景噪聲和混響。基于射線聲學(xué)計算主動聲吶與聲誘餌之間的本征聲線入射角、幅度和相位，同時根據(jù)Wenz 譜[16]和單元散射模型[17]模擬海洋環(huán)境噪聲和混響時域波形。

3) 聲學(xué)有限元模塊： 根據(jù)海洋環(huán)境模塊輸出的本征聲線入射角，計算自由場情況下各個角度聲波入射時考慮誘餌電子艙的聲場傳遞函數(shù)，包含發(fā)射、接收和串漏傳遞函數(shù)。為了提高計算速度，系統(tǒng)采用了基于軸向諧波展開的有限元方法[18]計算傳遞函數(shù)，計算速度與效率相對于三維有限元方法具有顯著優(yōu)勢[18]。

4) 接收機(jī)模塊： 根據(jù)海洋環(huán)境模塊和聲學(xué)有限元模塊計算得到的本征聲線和傳遞函數(shù)，應(yīng)用式(1)計算接收機(jī)輸入電壓時域波形。

5) 發(fā)射機(jī)模塊： 根據(jù)海洋環(huán)境模塊和聲學(xué)有限元模塊計算得到的本征聲線和傳遞函數(shù)，結(jié)合式(2)、式(3)和式(5)計算存儲轉(zhuǎn)發(fā)和邊收邊發(fā)2種模式下的主動聲吶應(yīng)答信號時域波形。

6) 信號處理模塊： 對仿真設(shè)計的效果進(jìn)行評估，具體通過對式(5)計算得到的應(yīng)答信號進(jìn)行信號處理和與模擬潛艇回波對比進(jìn)行評估。信號處理部分采用較為成熟的頻譜分析，匹配濾波和包絡(luò)檢測以及時頻分析方法處理聲吶應(yīng)答信號。

模擬潛艇回波部分，設(shè)包含潛艇目標(biāo)散射聲場傳遞函數(shù)為Hv，則模擬潛艇的回波為

由于通常要模擬的潛艇等目標(biāo)尺寸很大，主要為幾何回波，若采用有限元軟件計算，對計算機(jī)的要求很高，計算速度較慢，因此采用板塊元方法[19]快速計算Hv，即

其中，αij是第(i，j)個板塊元的法向與入射和反射方向的夾角。

2 仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件與平臺配置

2.1.1 集群系統(tǒng)硬件資源

該系統(tǒng)配置集群系統(tǒng)包含4 臺曙光C500-3K刀片服務(wù)器，每臺服務(wù)器配置2 個型號為Intel(R)Xeon(R) CPU E5-2695 v4@2.10 GHz 的處理器，每個處理器核心數(shù)為18 個。服務(wù)器內(nèi)存128 GB。數(shù)據(jù)均置于本地硬盤中存儲，其中3 個節(jié)點(diǎn)的容量為2 479 GB，第4 個節(jié)點(diǎn)容量為479 GB。各節(jié)點(diǎn)通過千兆有線局域網(wǎng)連接，通過作業(yè)配置調(diào)度程序PBS (portable batch system)實(shí)現(xiàn)仿真計算程序的協(xié)同處理。

2.1.2 集群軟件配置

各節(jié)點(diǎn)安裝的操作系統(tǒng)為Linux，其中節(jié)點(diǎn)1為主節(jié)點(diǎn)，安裝的軟件為COMSOL Server 5.3a。

COMSOL Server 是由COMSOL 公司開發(fā)的專業(yè)平臺[20]，用于部署和運(yùn)行已構(gòu)建好的仿真模塊，界面內(nèi)置多種管理工具，可以管理已上傳APP 的訪問權(quán)限、用戶帳戶、用戶組以及多處理器的使用情況等。通過COMSOL Server 內(nèi)置的集群計算技術(shù)部署各模塊，使其能夠在集群架構(gòu)中運(yùn)行。系統(tǒng)主界面如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)主界面Fig.4 Main system interface

2.1.3 模塊開發(fā)方法

各模塊均采用COMSOL Multiphysics 內(nèi)置的APP 開發(fā)器進(jìn)行開發(fā)。APP 開發(fā)器不僅可以通過運(yùn)行方法對有限元仿真進(jìn)行控制，還支持嵌入算法、定制APP 的界面、控制輸入和輸出等操作。

該系統(tǒng)使用Java 語言在APP 開發(fā)器中實(shí)現(xiàn)。首先，將常用的數(shù)據(jù)處理算法如插值函數(shù)、快速傅立葉變換等采用面向?qū)ο蟮姆绞椒庋b成應(yīng)用程序接口(application programming interface，API)，然后在方法中進(jìn)行API 調(diào)用，最后設(shè)計界面。通過按鈕關(guān)聯(lián)方法，得到具有特定功能的模塊，各模塊通過維護(hù)公共的文件進(jìn)行信息傳遞。

2.2 參數(shù)設(shè)計與界面顯示

1) 海洋環(huán)境模塊

具體設(shè)置如圖5 所示。左側(cè)為海洋環(huán)境參數(shù)設(shè)置部分，包含主動聲吶發(fā)射信號、發(fā)射指向性、海洋噪聲譜以及信道參數(shù)等；右側(cè)為圖形展示部分，結(jié)果圖分別為主動聲吶發(fā)射信號、海洋環(huán)境噪聲信號和海洋混響信號。

2) 聲學(xué)有限元模塊

具體設(shè)置如圖6 所示。左側(cè)為參數(shù)設(shè)置部分，主要包含導(dǎo)入電子艙計算模型，發(fā)射接收陣陣元類型、位置及靈敏度，各區(qū)域材料以及計算頻率范圍等；右側(cè)為圖形展示部分，其中，第1 列為計算模型和計算后聲場，第2 列3 幅圖分別為考慮電子艙時的接收傳遞函數(shù)、發(fā)射傳遞函數(shù)和串漏傳遞函數(shù)的結(jié)果。

圖5 海洋環(huán)境模塊Fig.5 Marine environment module

圖6 聲學(xué)有限元模塊Fig.6 Acoustic finite element module

3) 接收機(jī)模塊

具體設(shè)置如圖7 所示。左側(cè)參數(shù)設(shè)置包含接收機(jī)增益、濾波器設(shè)置、傅里葉點(diǎn)數(shù)以及相關(guān)共享文件名；右側(cè)圖形展示部分分別為濾波器頻譜和接收陣輸出電壓信號。

圖7 接收機(jī)模塊Fig.7 Receiver module

4) 發(fā)射機(jī)模塊

具體設(shè)置如圖8 所示。左側(cè)參數(shù)設(shè)置包含發(fā)射機(jī)增益、卷積函數(shù)文件導(dǎo)入以及相關(guān)共享文件名；右側(cè)為圖形展示部分，第1 行分別為轉(zhuǎn)發(fā)信號時域和頻域圖，第2 行分別為存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式和實(shí)時轉(zhuǎn)發(fā)模式主動聲吶接收信號。

圖8 發(fā)射機(jī)模塊Fig.8 Transmitter module

5) 信號處理模塊

具體設(shè)置如圖9 所示。左側(cè)參數(shù)設(shè)置包含待分析信號k(t)、參考信號s(t) 和待計算潛艇模型文件，并設(shè)置相關(guān)配置文件；右側(cè)第1 列圖分別為待分析信號、參考信號和分析信號時域波形，第2 列分別為時頻分析、包絡(luò)檢測和匹配濾波結(jié)果，第3 列分別為被模擬目標(biāo)模型、目標(biāo)強(qiáng)度和模擬回波。

圖9 信號處理模塊Fig.9 Signal processing module

2.3 精度與性能測試

2.3.1 精度測試

計算考慮誘餌電子艙散射對接收/轉(zhuǎn)發(fā)聲場影響的傳遞函數(shù)是該系統(tǒng)的關(guān)鍵。球殼和有限長柱殼均具有解析解，但對于有限長柱殼仿真時需要增加無限長的障板，無法計算軸向聲場，因此該部分采用具有理論解的球殼電子艙進(jìn)行驗(yàn)證。

應(yīng)用彈性理論推導(dǎo)點(diǎn)源激勵下球殼散射聲場在柱坐標(biāo)系下可表示為[21]

球殼電子艙參數(shù)為： 半徑0.2 m，厚度0.02 m，設(shè)置材料密度為，泊松比0.3，楊氏模量設(shè)置為復(fù)數(shù)210×(1+0.01i) GPa。分析頻段為7～15 kHz，發(fā)射陣和接收陣均為三元點(diǎn)源陣列，間距為3 cm。各發(fā)射陣元發(fā)送電壓響應(yīng)均為120 dB，各陣元接收靈敏度均為-120 dB。兩陣中心分別位于電子艙上方0.78 m 和0.08 m 處。

將誘餌電子艙存在時水平方位的接收、發(fā)射傳遞函數(shù)和串漏傳遞函數(shù)與理論解對比，如圖10所示，可見總體吻合較好。

圖10 彈性球殼散射聲場傳遞函數(shù)隨頻率變化曲線Fig.10 Curves of transfer function of acoustic field scattered by elastic spherical shell versus frequency

2.3.2 性能測試

為測試仿真平臺的穩(wěn)定性和可行性，對平臺進(jìn)行多次仿真運(yùn)行。測試主要在2.1 節(jié)所介紹的硬件系統(tǒng)下完成。測試采用動態(tài)測試方法，即所有模塊均被執(zhí)行1 次。測試所用模型為球冠圓柱殼，具體參數(shù)見3.1 節(jié)，完成1 次測試所用時間定義為1 次仿真時間。

測試結(jié)果如表1 所示，仿真平臺運(yùn)行良好，操作時運(yùn)行流暢，時間可控。對比1、3、4 結(jié)果可知，頻率提高時網(wǎng)格數(shù)量增多，運(yùn)行時間隨之增長；對比1、2 結(jié)果可知，相同網(wǎng)格時，運(yùn)行時間和頻點(diǎn)數(shù)呈非線性正相關(guān)，這是由于1 次運(yùn)算只需要1 次節(jié)點(diǎn)任務(wù)分配和組裝時間，計算規(guī)模越大計算效率越高。

表1 系統(tǒng)仿真測試結(jié)果Table 1 System simulation test results

3 仿真分析

3.1 電子艙散射聲場對傳遞函數(shù)影響分析

設(shè)置導(dǎo)入球冠圓柱殼形電子艙總長1.2 m、半徑0.2 m、殼厚0.02 m、殼體材料為鋼材料、密度、泊松比0.3、楊氏模量210 GPa。設(shè)置敵方距離2 km，水平深度相同，均勻聲速梯度，直達(dá)聲波入射角0°。計算頻段為7～15 kHz。發(fā)射陣和接收陣配置同2.3 節(jié)。

圖11 給出了考慮/忽略電子艙2 種情況下發(fā)射、接收傳遞函數(shù)隨頻率的變化規(guī)律。從圖中可以看出，在壓電響應(yīng)或靈敏度隨頻率不變的假設(shè)條件下，忽略電子艙時，水平方位發(fā)射/接收傳遞函數(shù)不隨頻率變化；考慮電子艙時，由于電子艙殼體的散射作用，水平方位發(fā)射/接收傳遞函數(shù)隨著頻率快速起伏。相比于接收陣，發(fā)射陣距離電子艙更遠(yuǎn)，因此發(fā)射傳遞函數(shù)起伏程度較接收傳遞函數(shù)弱。盡管發(fā)射/接收陣處于電子艙同一端，但2 個傳遞函數(shù)隨頻率起伏的趨勢不同步，這是由于近場散射聲場特性造成的。

圖11 球冠圓柱電子艙散射聲場傳遞函數(shù)隨頻率變化曲線Fig.11 Curves of transfer function of acoustic field scattered by spherical crown cylinder electronic cabin versus frequency

圖12 給出了考慮/忽略電子艙2 種情況下串漏傳遞函數(shù)幅度和相位隨頻率的變化規(guī)律。從圖中可以看出，忽略電子艙時，串漏函數(shù)隨著頻率提高而單調(diào)降低，當(dāng)電子艙存在時，串漏函數(shù)隨頻率變化起伏程度明顯高于水平方位發(fā)射/接收指向性，這是由于發(fā)射/接收陣軸向空間濾波能力不足造成的，尤其是低頻情況。

綜上所述，電子艙對發(fā)射、接收以及串漏傳遞函數(shù)的影響是不容忽視的。仿真時可以通過在發(fā)射-接收陣之間加入障板、增大發(fā)射-接收陣和電子艙的距離以及更改電子艙的結(jié)構(gòu)和材料等方法降低電子艙的影響，具體方法文中不予討論。

3.2 邊收邊發(fā)模式器材增益分析

根據(jù)式(4)計算的邊收邊發(fā)模式和存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式下接收機(jī)輸入電壓與發(fā)射機(jī)輸出電壓之間傳遞函數(shù)比值為

其中，H（ω）相位設(shè)為0。上式結(jié)果幅值即有無反饋系統(tǒng)增益比如圖13 所示。

圖12 串漏傳遞函數(shù)隨頻率變化曲線Fig.12 Curves of cross-leak transfer function versus frequency

圖13 邊收邊發(fā)工作模式下系統(tǒng)增益比Fig.13 Gain ratio of system in receiving and sending mode

從圖中可以看出，頻率不同時，邊收邊發(fā)模式系統(tǒng)反饋方式不定。當(dāng)H（ω）H3（ω）遠(yuǎn)大于1時，系統(tǒng)增益減弱，呈負(fù)反饋；當(dāng)H（ω）H3（ω）幅值接近1、相位接近 -π時，系統(tǒng)增益變得非常大，易引起系統(tǒng)自激；H（ω）H3（ω）越接近0，系統(tǒng)增益受串漏影響越小。無論是負(fù)反饋還是正反饋均會降低聲誘餌器材的穩(wěn)定性，影響誘騙性能。因此在實(shí)際工程中，采取聲隔離措施時需要充分考慮串漏函數(shù)的影響并對其有效隔離。

4 結(jié)束語

文中利用COMSOL 軟件仿真定制的特點(diǎn)和強(qiáng)大的部署能力，設(shè)計了一套基于COMSOL 的主動式聲誘餌仿真系統(tǒng)，為考慮電子艙聲振耦合作用邊收邊發(fā)工作模式的聲誘餌器材性能提供了一個仿真平臺。該系統(tǒng)可快速仿真存儲轉(zhuǎn)發(fā)和邊收邊發(fā)2 種情況下的回波，同時兼具信號處理和仿真目標(biāo)回波的功能，用戶可通過仿真結(jié)果評估設(shè)計器材的性能。該系統(tǒng)將各部分功能模塊化，獨(dú)立性高，界面簡潔，便于非研發(fā)人員操作，部署在集群上，計算速度快。經(jīng)測試，該系統(tǒng)運(yùn)行流暢，運(yùn)行時間可控，為聲誘餌的性能研究提供了一個可靠的預(yù)評估系統(tǒng)。同時仿真并分析了電子艙對傳遞函數(shù)的影響，以及邊收邊發(fā)工作模式下器材的增益變化，實(shí)際工程中，需采用必要的隔離措施降低電子艙以及聲串漏的影響。

目前該系統(tǒng)中的仿真算法均較基礎(chǔ)，下一步將在各個模塊中增加用戶導(dǎo)入自定義Matlab 處理程序的功能，以實(shí)現(xiàn)用戶定制化仿真。