水下航行体收发分置回波多普勒频移特征仿真评估方法技术

本发明专利技术提供一种水下航行体收发分置回波多普勒频移特征仿真评估方法，主要包括水下航行体总体方案设计成果分析及结构建模参数梳理、建立水下航行体几何结构仿真模型、基于Kirchhoff近似建立单/双壳水下航行体声散射预报模型、不同声波信号发射频段的回波多普勒频移特征仿真评估几个步骤。本发明专利技术实现对单双壳水下航行体收发分置回波多普勒频移特征定量仿真计算，大大提高水下航行体收发分置回波多普勒频移特征评估结果的合理性和准确性。多普勒频移特征评估结果的合理性和准确性。多普勒频移特征评估结果的合理性和准确性。

【技术实现步骤摘要】
水下航行体收发分置回波多普勒频移特征仿真评估方法


[0001]本专利技术涉及水下航行体回波多普勒频移特征仿真预报分析
，尤其涉及一种适用于水下航行体回波多普勒频移特征仿真评估的方法。

技术介绍

[0002]目前，随着水下目标定位技术的不断发展，基于声信号的水下目标定位技术为目标的定位提供了可靠的技术服务，保障了水声工程开展的安全，因此水下声目标定位技术越来越受到人们的重视，并被广泛用于军事及民事应用等。特别的，当水下目标和传感器存在相对运动时，传感器与目标因多普勒效应产生多普勒频移信息，传感器能够利用多普勒频移测量信息来对水下目标完成定位。但国内外针对高频声呐探测下的回波多普勒频移特征缺乏有效的计算方法，尚未建立基于定量计算或仿真的评估方法。
[0003]而在水下航行体总体方案设计阶段，水下航行体总体方案设计成果包括总体方案设计说明书、基本结构设计说明书、型线图、基本结构图、总布置图、附体结构图等文件和图纸资料，与水下航行体总体方案相关的水下航行体内外壳结构、基座结构和舷间结构等形式、尺寸、壳体厚度等参数，以及声散射特性指标、主动声呐声源特性数据等信息已初步明确。
[0004]如果以这些参数为输入建立一种水下航行体收发分置回波多普勒频移特征仿真评估方法，就可以实现对水下航行体总体方案回波多普勒频移特征指标实现风险定量评估，用于评价分析多基地探测下水下航行体回波多普勒频移特征，具有重要实际应用价值。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：提供一种适用于水下航行体收发分置回波多普勒频移特征仿真评估的方法，能够根据水下航行体总体设计方案，以收发分置主动声纳声源特性数据为输入，评估不同发射、接收方位角与声波信号发射频段的多普勒频移特征，与多普勒频移特征指标要求、实际应用需求对比，实现对收发分置回波多普勒频移特征指标风险大小的评估。
[0006]技术方案：水下航行体收发分置回波多普勒频移特征仿真评估方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1.根据水下航行体总体方案设计成果及结构建模参数，建立水下航行体几何结构仿真模型，主要包括：
[0008]分析水下航行体总体方案设计成果，包括总体方案设计说明书、基本结构设计说明书、型线图、基本结构图、总布置图等文件和图纸资料，与水下航行体总体方案相关的水下航行体内外壳结构等形式、尺寸、壳体厚度等参数；对于未明确厚度参数的结构，参照标准水下航行体相关参数进行取值；
[0009]步骤2.根据步骤1中确定的几何参数，建立水下航行体实尺度几何模型，对几何模型的内、外壳分别剖分三角形面网格，主要包括：
[0010]步骤2.1根据步骤1获取的相关数据参数，采用三维建模方法建立水下航行体结构
实尺度几何模型，模型包括内外壳体形式、结构、尺寸等。模型不需要建立成带厚度的实体模型，只需要建立成壳模型，且坐标原点最好调整为模型的几何声学中心。
[0011]步骤2.2利用有限元软件对水下航行体结构实尺度几何模型的内外壳分别剖分三角形面网格，并导出网格的拓扑信息和节点信息，分别保存为txt文件。
[0012]步骤3确定入射、接收点的坐标并采用水平方位角和入射/接收点与水下航行体的等效几何声学中心之间距离进行描述；
[0013]步骤4根据水下航行体的单壳体结构或双壳体结构形式，以及评估水下航行体外壳在不同频率下的反射系数和透射系数；
[0014]步骤5，读取节点信息和三角形面网格文件，分别绘制内外壳的网格模型，在设定初始发射、接收点后，保证网格的法向朝向水下航行体外部；
[0015]步骤6，通过步骤5，建立水下航行体壳体的声散射评估模型；
[0016]步骤6.1Kirchhoff近似原理，假定在高频情况下，忽略几何影区对声场的贡献，且散射体表面满足刚性条件。忽略时间因子e
‑
jw
，收发分置情况下的散射波势函数表示为，收发分置情况下的散射波势函数表示为其中，S是散射体表面；r1和r2分别为入射点和散射点矢径，相同时为r；α1和α2分别为表面外法线方向与入射点和散射点矢径间的夹角，相同时为α；V(α)为表面反射系数；
[0017]步骤6.2根据步骤2保存的实尺度几何模型网格的拓扑信息和节点信息，利用编写程序读取其节点和网格的txt文件，分别绘制内外壳的网格模型，在设定初始发射、接收点后，检查网格的法向，保证网格的法向朝向水下航行体外部。
[0018]步骤6.3利用面元求和得到总散射声压；
[0019]步骤7，根据多普勒频移基本原理，建立水下航行体收发分置回波多普勒频移特征仿真评估方法。
[0020]步骤7.1多普勒频移基本原理是通过假设由于声源和目标双方的运动而产生的相对速度为vm/s，信号的载频为f
c
Hz，信号在介质中的传播速度为cm/s，信号的传输方向与相对运动方向的夹角为θrad，多普勒频移频率为f
d
Hz，表达式为：
[0021]步骤7.2水下航行体收发分置回波多普勒频移特征仿真评估方法，选择典型评估频率，计算水下航行体在不同声波信号发射频段收发分置回波多普勒频移特征随水平距离变化，以及典型频点下多普勒频移频率随相对航速变化结果。
[0022]专利技术原理：在总体方案设计阶段，根据水下航行体总体设计方案，利用Kirchhoff近似，以收发分置主动声纳声源特性数据为输入评估不同发射、接收方位角与声波信号发射频段的回波多普勒频移特征，并与指标要求和实际应用需求对比，实现对水下航行体收发分置回波多普勒频移特征指标风险大小的评估。
[0023]有益效果：本专利技术方法合理易行，克服了目前国内外针对高频声呐探测下的回波多普勒频移特征缺乏有效的计算困难，以及尚未建立基于定量计算或仿真的评估方法，并通过指标要求对比得到总体方案实现回波多普勒频移特征指标风险大小的评估结论，有效解决目前高频声呐探测下的回波多普勒频移特征的计算困难，可大大提高水下航行体总体方案回波多普勒频移特征仿真评估结果的合理性和准确性。
附图说明
[0024]图1是本专利技术水下航行体回波多普勒频移特征仿真评估方法的一个优选实施例中 Benchmark水下航行体的几何模型示意图；
[0025]图2是图1所示实施例中水下航行体外壳的网格示意图；
[0026]图3是图1所示实施例中Benchmark水下航行体内壳网格示意图；
[0027]图4是图1所示实施例中Benchmark水下航行体外壳网格法线示意图；
[0028]图5是图1所示实施例中Benchmark水下航行体内壳网格法线示意图；
[0029]图6是图1所示实施例中Benchmark水下航行体在20～40kHz频点收发分置回波多普勒频移特征随水平距离(
‑
400～400m)变化的计算结果；
[0030]表1是图1所示实施例中Benchmark水下航行体在20～40kHz典型频点下多普勒频移频率随相对航速变化结果。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水下航行体收发分置回波多普勒频移特征仿真评估方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1.根据水下航行体总体设计方案，确定水下航行体结构几何参数、材料参数以及水下航行体几何模型坐标原点；步骤2.建立水下航行体整体外轮廓几何模型；对水下航行体几何模型剖分三角形面网格，并导出网格的拓扑信息和节点信息；步骤3.确定声波入射/接收点的位置并采用坐标的形式以水平方位角和入射/接收点与水下航行体的等效几何声学中心之间距离进行描述；步骤4.根据水下航行体的外壳壁厚以及材料参数，评估水下航行体外壳在不同频率下各角度的反射系数和透射系数；步骤5.读取节点信息和三角形面网格文件，分别绘制内外壳的网格模型，在设定初始发射、接收点后，保证网格的法向朝向水下航行体外部；步骤6.基于Kirchhoff近似原理，建立水下航行体的声散射评估模型，利用面元求和得到总散射声压；步骤7.根据多普勒频移基本原理，建立水下航行体收发分置回波多普勒频移特征仿真评估方法。2.根据权利要求1所述的水下航行体收发分置回波多普勒频移特征仿真评估方法，其特征在于，步骤1中水下航行体总体方案设计成果及结构建模参数包括总体方案设计说明书、基本结构设计说明书、型线图、基本结构图和总布置图，与水下航行体总体方案相关的水下航行体内外壳结构形式、尺寸和壳体厚度参数。3.根据权利要求2所述的水下航行体收发分置回波多普勒频移特征仿真评估方法，其特征在于，步骤1中对于未明确厚度参数的结构，参照标准水下航行体的相关参数取值。4.根据权利要求1所述的水下航行体收发分置回波多普勒频移特征仿真评估方法，其特征在于，步骤2中对水下航行体结构实尺度几何模型的内、外壳分别剖分...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐宇航，彭子龙，李海超，陈昌雄，宋昊，高晟耀，寻波，张艳涛，
申请(专利权)人：中国人民解放军九二五七八部队，
类型：发明
国别省市：