一种水下刚性目标回波信号强度模拟优化方法技术

本发明专利技术公开了一种水下刚性目标回波信号强度模拟优化方法，该方法包括：根据水下刚性目标模型的型线图，建立三维水下目标模型，建立三角形面网格模型；将建立好的三角形面网格模型导入到软件，根据激励信号目标函数构造出不同频率带宽的线性调频激励信号；选定数值模型所使用的时域边界元算法；得到时域目标信号回波，基于快速傅里叶变换得到目标频域内的信号回波，通过目标强度公式定义计算出目标强度；将所得的水下刚性目标回波信号强度与理论公式计算所得回波信号强度进行对比，当结果一致，则为水下刚性目标回波信号强度。本发明专利技术通过数值模型所使用的时域边界元算法，对水下刚性目标回波信号强度进行精确快速的模拟。性目标回波信号强度进行精确快速的模拟。性目标回波信号强度进行精确快速的模拟。

【技术实现步骤摘要】
一种水下刚性目标回波信号强度模拟优化方法


[0001]本专利技术属于水中目标声散射
，具体涉及一种水下刚性目标回波信号强度模拟优化方法。

技术介绍

[0002]随着声呐技术的发展及水下航行体隐身技术的不断进步，现代水下航行体变得越来越安静，这使得被动声呐的作用距离变短，但是，由于水下目标结构的复杂性，对于潜艇等水下航行体进行整体的回声隐身设计尚处于起始阶段，不可能做到全频段、全方位隐身，这就为运用主动声呐探测水下目标提供了可能。鉴于水下目标回波特征在目标隐身技术和主动声呐目标检测和识别中的重要意义，相关问题的研究已引起了国内外学者的广泛关注。
[0003]现有的水下刚性目标回波信号强度计算，通过采用以有限元为代表的数值方法和物理声学方法，其中：有限元方法虽然可以准确计算水中刚性目标回波信号强度，然而这种方法计算速度慢，只适用于低频散射声场计算。以及随着模型尺寸的增加和求解频率的升高，计算成本大幅增加，达不到精确及快速预报的要求。物理声学方法采用了Kirchhoff高频近似方法，虽然可以快速计算水中目标回波信号强度，但是仅适用于高频散射声场计算，对于水中目标的时域回波信号计算，物理声学方法通常采用频域间接法，根据信号处理中线性系统时间域响应和频率域响应相互对应的原理得到水中目标时域回波，然而该方法基于亥姆霍兹方程，忽略了时间因子，仅仅保留了目标频域内的回波特征却忽略了时域内的回波信息，所得水中目标时域回波信号与实际回波信号存在一定的偏差。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对上述的不足之处提供一种回波信号精准度高、回波信号速度快的水下刚性目标回波信号强度模拟优化方法。
[0005]本专利技术目的是这样实现的：一种水下刚性目标回波信号强度模拟优化方法，其特征在于：所述该方法包括：
[0006]步骤1：根据水下刚性目标模型的型线图，利用三维建模软件，建立三维水下目标模型；
[0007]步骤2：将建立好的刚性目标模型，利用网格剖分软件剖分成三角形面网格，建立三角形面网格模型；
[0008]步骤3：将建立好的三角形面网格模型导入到软件Virtual.Lab，定义其网格类型，设置好水域空间材料参数及属性，采用平面波声源，根据激励信号目标函数构造出不同频率带宽的线性调频激励信号(LFM)；
[0009]步骤4：选定数值模型所使用的时域边界元算法；
[0010]步骤5：选定不同入射角、入射距离，计算出目标的声压散射场，得到任一指定接收点处的时域目标信号回波，基于快速傅里叶变换得到目标频域内的信号回波，通过目标强
度公式定义计算出各个入射角度、入射距离下的目标强度；
[0011]步骤6：将步骤5所得的水下刚性目标回波信号强度与理论公式计算所得回波信号强度进行对比，当结果一致，则为水下刚性目标回波信号强度。
[0012]优选的，所述三角形面网格的尺寸满足：
[0013]D≤λ
min
/6，
[0014]式中：λ
min
为入射波的最小波长，D为三角形面网格的最大边长。
[0015]优选的，所述步骤3中的目标函数为：
[0016]u(t)＝sin(2πf1t+π(f2‑
f1)t2/T)
[0017]式中，f1为信号起始频率，f2为信号终止频率，f2‑
f1为信号频率带宽，T为信号持续时间。
[0018]优选的，所述步骤4中时域边界元算法的理论依据是考虑刚硬边界条件下的Kirchhoff迟滞积分方程，对于被无限范围的流体介质包围并受到通过介质传播的声扰动的影响的刚性散射体表面的压力p可以表示为：
[0019][0020]t
′
＝t
‑
R/c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0021]R＝|r
′‑
r|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0022]式中，等式右边第一项p
w
(r,t)是观测时间t时刻的入射场压力，r和r
′
分别为入射点和散射点矢径，第二项是声压p和其在源时间或延迟时间处t
′
的时间变化率在散射面S上所有点的积分，c是流体介质中的声传播速度，n
′
表示r
′
垂直于表面S且远离流体介质的方向所述步骤5中通过目标强度公式定义计算出各个入射角度、入射距离下的目标强度，具体操作如下：从回声强度的角度描述了目标的声学特性，设有强度为I
i
的平面波入射到某物体上，测得空间某方向上物体回声强度为I
r
，
[0023]则目标强度
[0024]式中，I
r
|
r＝1
是距目标等效声中心1米处的回声强度。
[0025]优选的，所述三维建模软件采用UG，建立水平面以下的三维几何模型。UG操作简捷、功能强大且具有高性能机械设计功能.
[0026]优选的，所述刚性目标模型采用刚性Benchmark模型，使用刚性Benchmark模型的型线图，利用三维建模软件，建立三维水下目标模型。刚性Benchmark模型于2001年由德国FWG机构提出，包含外壳、内壳、环肋、指挥台、前水平舵、稳定翼和艉舵，足够胜任水下航行器回波模拟仿真。
[0027]优选的，所述网格剖分软件采用Hypermesh，利用网格剖分软件Hypermesh对三维几何模型剖分三角形面网格，导出网格的节点及单元的拓扑信息。Hypermesh具有强大有限元网格划分前处理功能，使用方便灵活，并能够与众多CAD系统和有限元求解器进行方便数据交换的有限元前后处理软件。
[0028]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：1、通过水中刚性目标的面网格建立了数值模型，在计算速度上有显著的优势，在目标尺度在2～3m范围内，其相比于传统有限元计算方法计算目标回波特征节省了2～3个小时，且目标模型尺寸越大节省时间也越长。
[0029]2、通过Kirchhoff迟滞积分方程理论，建立了水下刚性目标时域边界元模型，对水下目标声压散射场进行时域求解，以获得目标时域回波信号特征，回波信号强度数值模拟预报幅值与理论预报幅值平均误差小于0.3dB，对水下刚性目标回波信号强度进行精确快速的模拟。
附图说明
[0030]图1为本专利技术的方法流程图。
[0031]图2为刚性圆柱模型线图。
[0032]图3为刚性Benchmark模型线图。
[0033]图4为线性调频平面波激励信号(500Hz～10kHz)图。
[0034]图5为线性调频平面波激励信号(1kHz～5kHz)图。
[0035]图6为刚性圆柱目标收发合置情况且入射角度为90度下100m处时域回波信号幅值图。
[0036]图7为刚性Benchmark模型目标收发合置情况且入射角度为90度下100m处时域回波信号幅值图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水下刚性目标回波信号强度模拟优化方法，其特征在于：所述该方法包括：步骤1：根据水下刚性目标模型的型线图，利用三维建模软件，建立三维水下目标模型；步骤2：将建立好的刚性目标模型，利用网格剖分软件剖分成三角形面网格，建立三角形面网格模型；步骤3：将建立好的三角形面网格模型导入到软件Virtual.Lab，定义其网格类型，设置好水域空间材料参数及属性，采用平面波声源，根据激励信号目标函数构造出不同频率带宽的线性调频激励信号(LFM)；步骤4：选定数值模型所使用的时域边界元算法；步骤5：选定不同入射角、入射距离，计算出目标的声压散射场，得到任一指定接收点处的时域目标信号回波，基于快速傅里叶变换得到目标频域内的信号回波，通过目标强度公式定义计算出各个入射角度、入射距离下的目标强度；步骤6：将步骤5所得的水下刚性目标回波信号强度与理论公式计算所得回波信号强度进行对比，当结果一致，则为水下刚性目标回波信号强度。2.根据权利要求1所述的一种水下刚性目标回波信号强度模拟优化方法，其特征在于：所述三角形面网格的尺寸满足：D≤λ
min
/6，式中：λ
min
为入射波的最小波长，D为三角形面网格的最大边长。3.根据权利要求1所述的一种水下刚性目标回波信号强度模拟优化方法，其特征在于：所述步骤3中的目标函数为：u(t)＝sin(2πf1t+π(f2‑
f1)t2/T)式中，f1为信号起始频率，f2为信号终止频率，f2‑
f1为信号频率带宽，T为信号持续时间。4.根据权利要求1所述的一种水下刚性目标回波信号强度模拟优化方法，其特征在于：所述步骤4中时域边界元算法的理论依据是考虑刚硬边界条件下的Kirchhoff迟滞积分方程，对于被无限范围的流体介质包围并受到通过介质传播的声扰动的影响的刚性散射体表面的压力p可以表示为：t
′

【专利技术属性】
技术研发人员：孙瑶，陈添宝，彭子龙，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：