水下航行体收发分置回波多普勒频移特征仿真评估方法.pdf

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1、(19)国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202211106274.X (22)申请日 2022.09.10 (71)申请人 中国人民解放军92578部队 地址 100161 北京市丰台区1303信箱 (72)发明人 唐宇航彭子龙李海超陈昌雄 宋昊高晟耀寻波张艳涛 (74)专利代理机构 南京行高知识产权代理有限 公司 32404 专利代理师 李晓 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06T 17/00(2006.01) G06F 119/02(2020.01) (54)发明名称 水下航行体收发分置回波多普。

2、勒频移特征 仿真评估方法 (57)摘要 本发明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。 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 CN 115618565 A 2023.01.17 CN 115618565。

3、 A 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。

4、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。

5、。 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、 外壳分别剖分三角形面网格, 每个三角形面网格的尺寸满足RminD2/ 条件, 保证此计算场点为远场; 其中, Rmin为散射点 矢径可计算的最小距离, D为每个板块的最大尺寸, 为入射波波长。 5.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6的。

6、Kirchhoff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ejwt, 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; 1和 2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 ; V( )为外壳表面反射系数。 6.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7的多普勒频移原理是假定声源和目标相对运动, 得到多普勒频移表达式: 其中, fd多普勒频移频率, 单位Hz; v运动的相对速度, 单位m/s; fc信。

7、号的载频, 单位Hz; c 信号在介质中的传播速度, 单位m/s; 信号的传输方向与相对运动方向的夹角, 单位rad。 权利要求书 1/2 页 2 CN 115618565 A 2 7.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7中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。 权利要求书 2/2 页 3 CN 115618565 A 3 水下航行体收发分置回波多普勒频移特征仿真评估方法 。

8、技术领域 0001 本发明涉及水下航行体回波多普勒频移特征仿真预报分析技术领域, 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。 背景技术 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。

9、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。

10、行体回波多普勒频移特征, 具有重要实际应用价值。 发明内容 0005 发明目的: 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:。

11、 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 说明书 1/5 页 4 CN 115618565 A 4 实尺度几何模型。

12、, 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,。

13、 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ejw, 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; 1和 2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 ; V( )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。

14、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fcHz, 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 rad, 多普勒频移频率为fdHz, 表达式为: 0021 步骤7。

15、.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 发明原理: 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: 本发明方法合理易行, 克服了目前国内外针对高频声呐探测下。

16、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。 说明书 2/5 页 5 CN 115618565 A 5 附图说明 0024 图1是本发明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。

17、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2040kHz频点收发分置回波多 普勒频移特征随水平距离(400400m)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2040kHz典型频点下多普勒频 移频率随相对航速变化结果。 具体实施方式 0031 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。 0032 实施例1 0033 本实施。

18、例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具体包括: 0034 步骤1.根据水下航行体总体方案设计成果, 并参考已有类似水下航行体的结构相 关参数, 梳理出水下航行体结构建模参数: 分析水下航行体总体设计成果, 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、 总布置图和附体结构图等, 明确水下 航行体内外壳结构等形式、 尺寸、 壳板厚度及材料属性等建模参数; 对于未明确厚度参数及 材料属性, 参考已有类似水下航行体, 即母型艇的结构相关参数进行取值; 0035 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。

19、剖分三角形面网格, 主要包括: 0036 步骤2.1根据步骤1获取的水下航行体结构建模参数, 采用三维建模方法建立水下 航行体实尺度几何仿真模型, 模型包括内外壳体结构等, 如图1所示, 建立的水下航行体结 构实尺度几何模型, 忽略水下航行体结构实尺度几何模型中内壳体的内部结构和舷间结 构。 0037 步骤2.2利用COMSOL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 剖分三角形面网格如图2和图3所示, 并导出网格的拓扑信息和节点信息, 分别保存为txt文 件。 0038 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;。

20、 0039 设定入射点坐标为x10000cos( /180 ), y10000sin( /180 ), z 0, 其中, 是信号的传输方向与相对运动方向的夹角, 由于是收发分置, 信号入射/接收点的 坐标应该不处于同一位置, 接收坐标为x10000cos(145 /180 ), y 10000sin (145 /180 ), z0。 0040 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; 0041 任意多层的声散射问题理论模型计算对于任一层l, 定义如下声波势函数: 说明书 3/5 页 6 CN 115618565 A 6 0。

21、042 lAl exp(i lz)+Blexp(ialz)expi( xt) (1) 0043 tCtexp(i tz)+Dtexp(i tz)expi( xt (2) 其中, l为纵 波势函数, t为弯曲波势函数。 0044 Bl和Dt为入射波幅值; Al和Ct为反射波幅值, 并且有: 0045 0046 0047 lktsin l (5) 0048 其中, kl和Kt为纵波和弯曲波的波数。 0049 通过一系列的推导过程, 最终可以得到声反射系数表达式如下: 0050 0051 其中, 0052 CijFIJF4J*Fi1/F41 (7) 0053 Z0 0c0/cos 0 (8) 005。

22、4 Zn+1 n+1cn+1/cos n+1 (9) 0055 根据在忽略损耗的情况下反射系数和透射系数的平方和为1的条件下, 由上反射 系数可以推算出投射系数; 0056 步骤5.基于Kirchhoff原理, 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, 如图4与图 5 所示。 0057 Kirchhoff原理, 其基本原理是假定在高频情况下, 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ejwt,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。

23、散射点矢径, 相同时为r; 1和 2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 ; V( )为表面反射系数。 0058 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, 利用面元求和得到总 散射声压, 再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。 0059 步骤6.1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fcHz, 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 rad, 多普勒频移频率为fdHz, 表达式为: 0060 步骤6.2水下航行。

24、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 2040kHz, 计算水下航行体在不同声波信号发射频段即2040kHz, 以1kHz为分析频 率步长的收发分置回波多普勒频移频率随水平距离即400400m变化结果, 如图6所示。 0061 以及不同典型频点下多普勒频移频率即20kHz、 25kHz、 30kHz、 35kHz、 40kHz随相对 航速即4节、 6节、 12节变化结果, 如表1所示。 说明书 4/5 页 7 CN 115618565 A 7 0062 表1 0063 0064 实施例2 0065 本实施例提在方案设计阶段, 进行水下航行体收发分置回波多普勒频移特征仿。

25、真 评估, 可根据水下航行体总体设计方案, 利用Kirchhoff近似和多普勒频移基本原理, 以收 发分置主动声纳声源特性数据为输入评估不同声波信号发射频段的回波多普勒频移特征, 并与指标要求对比实现对总体方案实现回波多普勒频移特征指标风险评估。 0066 包括: 步骤1.确定水下航行体几何模型参数、 材料参数、 几何模型的坐标原点; 0067 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; 0068 步骤3.确定水下航行体的等效几何声学中心及远场计算场点的坐标描述方法; 0069 步骤4.评估水下航行体外壳在不同频率下各角。

26、度的反射系数和透射系数; 0070 步骤5.建立水下航行体的声散射模型; 0071 步骤6.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。 0072 其中, 水下航行体总体方案设计成果分析及结构建模参数梳理主要根据水下航行 体总体方案设计资料梳理、 提取评估建模、 声散射分析所需的结构图纸、 型线资料、 主要壳 体及指挥台等设计资料; 建立水下航行体几何结构仿真模型主要是根据步骤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仿真模型; 基于Kirchhoff近 似法建立单/双壳水下航行体声散射预报模型主要是根据步骤2建立的水下航行体结构实 尺度几何仿真模型, 利。

27、用Kirchhoff近似法(板块元方法)建立水下航行体结构板块元声散 射评估模型; 不同声波信号发射频段的回波多普勒频移特征仿真评估是根据步骤35建立 的单/双壳体水下航行体声散射预报模型结合多普勒频移基本原理, 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变化结果。 该方法能够实现水下航行体收发分置回波多普勒 频移特征的计算, 具有计算速度快、 评估结果可靠等优点, 并可广泛应用于水下航行体水下 装备声目标的评估及设计领域, 评价多基地探测下水下装备声散射特性。 说明书 5/5 页 8 CN 115618565 A 8 图1 图2 说明书附图 1/3 页 9 CN 115618565 A 9 图3 图4 说明书附图 2/3 页 10 CN 115618565 A 10 图5 图6 说明书附图 3/3 页 11 CN 115618565 A 11 。

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内容关键字: 水下 航行 收发 回波 多普勒频移 特征 仿真 评估 方法
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