薄壳目标的多基地声散射特性研究

文章对水中薄壳目标的多基地声散射特性进行了理论仿真与试验测量研究。首先采用有限元耦合边界元和基尔霍夫(Kirchhoff)近似积分两种不同的数值计算方法对内部充气球冠圆柱壳的多基地声散射特性进行建模仿真,然后通过目标在消声水池的散射声场试验测量验证仿真结果的有效性。采用相同的数值计算方法对Benchmark模型的多基地散射声场进行仿真计算,分析多基地(全向)声散射特性及散射机理。结果表明,水中目标多基地散射的回波强度与回波结构与多基地分置角相关,且回波亮点的主瓣宽度也随多基地分置角变化而变化;Benchmark模型的艇体和指挥舱之间存在强烈的干涉作用,使多基地(全向)散射声场的竖状条纹发生倾斜。研究为水下目标的多基地探测提供理论支持。     

水下刚性角反射器散射特性

为了分析水下角反射器的声散射特性,提出了一种计算水下凹面目标散射声场的方法。采用ANSYS软件构建水下角反射器实体模型,再利用声学分析软件SYSNOISE对其远场散射声场进行仿真。计算了二面角反射器的目标强度,并与声束弹跳法和板块元法的计算结果进行对比,验证了该方法的适用性和精确性。对三面角反射器的散射特性进行了分析,得到了不同声波入射角度下的目标强度、目标强度随频率的变化规律以及散射方向图,结果表明,正方形角反射器的目标强度最大,三角形角反射器的散射宽度最大,角反射器目标强度不存在明显的频率效应。计算了八面角反射体的方向图,计算结果表明角反射器组合可以有效增大目标强度和散射宽度。     

复杂非水密结构目标强度预报方法研究

为准确预报表面敷设声学覆盖层，内部含耐压圆柱体的非水密结构声目标强度，构建了一种新的参数反演方法。将遗传算法与非线性规划相结合，在考虑斜入射、多次散射、吻合效应以及横波波速阈值的情况下，利用分层介质理论建立了双层弹性介质层反演模型，以此替代含复杂内部结构的声学覆盖层，该反演模型与原结构在各个角度下均具有基本相同的反射系数与透射系数。进而，应用COMSOL Multiphysics软件建立表面敷设声学覆盖层，内部含耐压圆柱体的复杂非水密结构与外壳由两种反演材料组成的等效结构，并求其声散射特性。研究表明：收发合置情况下，原结构与等效结构目标强度值基本一致，各个方向入射时研究频段整体误差在1.5 dB以下；30°收发分置情况下，原结构与等效结构目标强度波峰波谷趋势相同，各个方向入射时研究频段整体误差在2 dB以下。中高频段，原结构与等效结构目标强度指向性吻合程度较好；中低频段，原结构与等效结构目标强度指向性基本一致，但幅值存在差异；总体来看，-30°～30°范围内，除个别频率外，原结构与等效结构目标强度基本吻合。     

深海波导中目标低频声散射特性研究

针对深海环境中目标的主动探测问题,建立了深海波导中目标低频声散射仿真的简正波耦合边界元理论模型。首先仿真了深海波导中Munk声速剖面条件下的声传播特性,然后根据深海波导中的声传播特性,仿真计算了声源位于不同深度时,波导中目标低频散射回波强度随声源与目标之间水平距离变化的特性。仿真结果表明,当声源深度为100 m(近海面)与1 400 m(声道轴)时,受完全声道的影响,在会聚区附近范围内散射回波强度较大;声源深度为4 900 m(近海底)时,受直达波与一次海面反射波的影响,在中近距离(小于40 km)范围内散射回波强度较大;对于接收水听器而言,置于临界深度以下时主动探测的距离更远。     

非入射方向水下弹性目标声散射特性

本文介绍了非入射方向,水下有限长弹性圆柱目标声散射问题的求解方法。该方法假设有限长柱为具有同样半径无限长柱的一部分,通过一定的近似,推导出了在声波非入射方向,水下有限长弹性柱的声散射波形函数,并与Stanton的柱方法进行了比较,验证了该方法的正确性。通过数值仿真实验,给出了有限长弹性柱的目标强度随频率和分置角的变化关系曲线。     

声呐目标跟踪关联中的模糊关联方法

声呐目标跟踪关联是为了获得精确的状态和属性估计、完全和实时的态势和威胁评估。在多台声呐系统联合探测中,根据相同目标、不同观测具有相似特征,提出了声呐目标模糊关联算法。模糊关联能够处理模糊性和不确定性信息,求解具有相似特征目标的关联值。通过将探测目标的方位数据模糊化,利用观测的模糊量和模糊隶属度函数进行数据关联,计算关联时长内两台声呐探测目标方位的关联值,仿真分析验证了上述算法的有效性并取得了较好的实验效果。     

宽吻海豚声散射特性研究

基于COMSOL多物理场仿真平台构建宽吻海豚3D模型，利用有限元数值方法计算在频率为1～5 kHz的调频信号照射条件下，海豚收发合置散射指向特性。结果表明：（1）由海豚模型0°～360°全向目标强度概率分布可知，其目标强度主要分布在-36.4～-11.2 dB;（2）肺部模型和海豚模型的频率响应特性具有较高的相似性，肺部是海豚总体声散射的主要贡献；（3）海豚频率响应在1.2、1.9、2.9、3.7 kHz附近，在4.3 kHz和4.8 kHz频率处出现较窄的共振模态谷值，验证生物组织介质中存在Whispering-Gallery波；（4）当频率为5 kHz时，海豚（肌体+肺部）的目标强度指向分布呈现“蝶形”，正横方向目标强度为-22.3 dB，头部方向目标强度为-34.2 dB，尾部目标强度为-34.3 dB。通过缩比海豚模型的水池回声测试实验，验证了数值计算的正确性。     

刚性曲面障板散射对多模球形水听器测向的影响

文章将板块元法应用于收-发分置时近场散射声场的计算,讨论了存在刚性曲面障板时障板散射对多模球形水听器测向的影响。研究结果表明,刚性曲面障板会使水听器在某些方位出现较大的测向误差,此时目标信号频率和俯仰角变化也会对测向产生较大的影响。存在刚性曲面障板时,等效声中心不对称对测向误差的影响较小,而等效声中心不共面对测向误差的影响要比不对称时明显得多。     

双基地声呐接收站散射波低截获技术

双基地声呐的接收站因散射主动信号存在暴露的风险,对此提出了基于发射声屏蔽的双基地声呐低截获技术。发射站采用垂直发射阵,利用屏蔽权对原始信号进行预处理,获得的低截获信号在接收站处被自动抵消,从而降低接收站散射信号的能量。仿真结果表明,发射声屏蔽技术能有效增加接收站散射信号到达目标处的能量衰减,而对到达接收站处的待测目标散射信号则无较大影响。该方法突破了以往低截获技术只是改变信号能量时频域分布的局限(在信号处理层面),利用多途结构真实降低了被截获信号能量(在物理层面),并适用于多种信号形式。     

一种沉底小目标的主动高频仿生波形分析及探测方法

为研究和分析用仿生信号及处理方法探测沉底小目标的可行性及探测性能,分别从时域频域波形、模糊度函数、抗混响性能方面分析了仿海豚声呐信号,并用计算机仿真了复杂背景下沉底小目标的探测。理论分析和仿真结果表明:在几种仿海豚声呐信号中,频率重叠较多的信号混响抑制效果最好;仿生探测方法的性能比标准声呐探测方法有了明显的提高。仿生信号及探测方法可作为一种新型的沉底小目标探测信号及处理方法。     

舰载声呐与航空吊放声呐协同双基地搜索范围研究

针对舰载声呐与航空吊放声呐构成的异类传感器双基地工作问题,建立了基于声呐方程的海洋环境噪声背景下双基地搜索范围模型。在舰载声呐与航空吊放声呐双基地协同工作系统中,舰载声呐发射探测信号,舰载声呐和航空吊放声呐均接收水下目标回波信号。根据能量关系建立了扩展面积、扩展距离、等效半径模型,定量分析了声源级、基线长度等因素对系统搜索范围的影响。仿真结果表明,当舰载声呐声源级相对于吊放声呐声源级足够大时,协同双基地工作模式在较大的基线长度范围内不仅在搜索范围上优于舰载声呐和吊放声呐均独立工作时的单基地联合搜潜,而且在搜索宽度上也有优势。     

水中规则波纹表面球回声特性研究

运用声呐目标回声特性预报的板块元方法,研究了平面波入射水中规则波纹(正弦平方曲线波纹)表面球体的目标回声特性。分析了表面波纹高度、周期、入射平面波频率和入射方位角对声目标强度空间分布和频率响应特性的影响规律。讨论了不同频段目标强度空间分布特性的形成机理,得到了表面波纹参数与目标强度频率响应和空间分布特性的近似定量关系。通过水槽实验测量得到了3D打印的规则波纹表面尼龙球目标强度的频率响应和空间分布特性,测量结果与理论计算结果吻合较好。掌握规则波纹表面球体回声特性,有助于开展利用声学超构材料对散射声场调控的研究。     

一种外部加翼的圆柱小目标声隐身结构设计

针对水下小型航行器日益增强的声隐身需求,基于菲涅耳(Fresnel)半波带理论,提出一种可提高目标声隐身性能的外部加翼结构。利用板块元方法计算并分析不同结构参数的优化翼型结构声隐身性能的提升效果。研究结果表明,外翼覆盖了圆柱散射贡献最大的半波带,加速相位变化,降低入射方向相同投影面积的散射贡献,使得圆柱正横方位的目标强度有效降低。当翼的开角为第一Fresnel半波带对应圆心角度且外翼与圆柱主体相切时,该结构在节约制造成本的同时可使声隐身性能的提升效果最好。文中进行了加翼模型声散射特性水池实验,优化结构的 0°方位目标强度下降约 7 dB,俯仰方向角检测概率显著降低,证明该类翼型结构可以有效提高目标声隐身性能。     

浅海海底地形对吊放声呐探测距离的影响

吊放声呐的探测距离不仅与装备的自身性能和海洋水声环境特性有关,还受海底地形影响.利用射线声学模型,仿真分析了正声速梯度和带有跃变层声速梯度下,不同高度和深度的海底山体和海底盆地(简称:海盆)两种典型地形下的声传播特性.通过声传播特性,得出了不同高度和深度的海底山体和海盆两种典型地形对吊放声呐作用距离的影响.根据声传播特...     

Experimental verification of a radar target discrimination technique using multiple‐frequency amplitude returns

Abstract

An experimental study of radar target discrimination using multiple‐frequency scattering amplitude without phase data is presented. Based on the concept of natural resonance frequencies, the technique is aspect‐angle independent so that a priori information of the aspect‐angle is not necessary. The radar cross sections of a spheroid and a thin wire are measured at different aspect ‐ and bistatic‐angles to distinguish different spheroids and wires in the resonance frequency range. The results show that the discrimination algorithm works well and can be applied to both monostatic and bistatic radars.     

潜艇回声隐身效果评估方法

本文探讨了吸声材料的声压反射系数、吸声系数、回声降低(ER)与目标强度变化(△TS)等参数之间的解析关系。建立了敷瓦潜艇目标强度降低与声呐作用距离减小的数学表达式。按照＇当量原理＇对假想潜艇缩比模型裸体与敷瓦时的目标强度进行了测量。ER与△TS的实测值一致性很好。     

基于方位-距离量测的舰艇搜潜定位算法研究

结合舰艇拖曳线列阵声纳实际搜潜装备,利用舰载声纳测得的潜艇目标方位和距离信息,建立了基于目标方位-距离量测的舰艇对潜艇目标定位的数学模型,并对定位误差进行了分析,在该模型基础上,仿真研究了潜艇与舰艇之间的初始距离、舰艇测得潜艇目标初始方位角、潜艇航向等因素对定位性能的影响,给出了仿真结果并进行了分析,仿真结果表明：不同的目标运动态势,对声纳探测定位性能影响很大,因此,根据目标运动态势合理选择声纳的位置和探测方位在一定程度上可提高声纳的探测定位性能.     

浅海波导远程信混比预报模型

浅海主动探测时,海底混响是目标回波的主要背景干扰,信混比影响主动声纳的性能.混响和目标回波都属于海洋中的散射问题,利用简正波方法,结合平面波散射函数建立了浅海远程信混比预报模型,实现了不同环境参数下信混比的量化分析.仿真比较了不同信号形式、频率以及不同海底底质下的刚性球信混比曲线,从理论上分析了回波随距离的振荡现象.结果表明：用无指向性的声源探测目标时,信混比较低,探测较为困难;宽带信号照射下目标回波更加平稳;简正波之间的干涉导致回波随距离发生振荡,频率越高,干涉结构越复杂;在硬海底环境中信混比相对较小且目标回波振荡剧烈.     

潜艇深度变化后的声纳跟踪条件

从理论上分析了正在跟踪目标的潜艇在其深度变化后，影响声纳继续跟踪该目标的主要因素，从跟踪条件下的声纳方程中，分析深度的变化引起声传播损失和干扰噪声的变化，给出了声传播损失和十扰噪声的计算方法，得出了潜艇变深后保证声纳得以继续跟踪目标的本艇航速及其预报方法和计算实例。