潜艇目标强度的模拟叠加计算

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1、维普资讯http://www.cqvip.com乙／，兰里兰一张小铭赵富宽(交通科学与工程学院)(中国船舶工业总公司第701研究所)摘要以XXX潜艇黥目标强度的计算为研究对象。首先介绍了简单形状物体目标强度的近似计算式；其次阐述了基于惠更斯原理和费涅尔带法的叠加理论，并用规则形状的物体加以验证；最后运用基于叠加理论的数值模拟方法近似计算了XXX潜艇的目标强度并分析其结果。计算为了提高海军的战斗力和潜艇的隐蔽性，众多国家都十分重视水下物体目标强度这一课题的研究。物体目标橄强度的大小取决于目标的形状、大小、材料、结构和入射声波的频率、方向等。物体的目标强度，实际上是波动方程的边值问题。对于

2、规则形状的物体，通过基于惠更斯原理的Kirchhoff积分可得到它们的求解公式。但对于不规则复杂形状的物体，则只能借助于数值方法(如有限元组觳法F，EM，边界元法BEM等)近似得到。随着计算声学的发展，用数值模拟方法研究潜艇目标强度越来越受到各国水声界的重视。早在70年代，美国便近似用简单几何形体组合模拟潜艇外形。[1本文研究的是把潜艇分解成一些具有简单几何形体的几部分，如椭球、柱面和矩形板等，然后用Kirchhoff近似公式分别计算它们的目标强度，而总的目标强度则是各部分目标强度的叠加。采用这种方法计算、预估潜艇的目标强度，不仅工作量小，而且如果近似得当，可得到较为精确的结论，因而很

3、适合工程上应用。2简单形状物体目标强度的计算对于任意缓曲面，当入射点离目标很远时，其目标强度可由式(1)近似计算得到TS一101。g下RxRz(1)式中，丁(TargetStrength)表示目标强度值，尺、尺2表示目标反射表面与声线垂直处的主曲率半径，它们可通过曲面的第一、第二基本形式求得。[2当缓曲面方程为x=acosO，y=bsinOsin9，=bsinOcos~o，即为旋转椭球时，其目标强度值为TS(O)一101。g(2)式中，R，椭球()一÷口。sin+6cos当缓曲面方程为=acosO，y=bsinO，一f(O

4、p://www.cqvip.com度值为TS(O)一10log(3)式中，尺()一—．2h(a2sin+6c。s，为入射波波长，^为椭柱的高。目标强度的叠加理论丁一圳。g)一2g一)㈤若目标反射面S由N个子反射面S(一1～Ⅳ)组成，则S的散射波可看成是这N个S。子散射波的叠加，即：=+。+⋯+一∑(5)从而有一。g]=20lu⋯1⋯ffe-lZ~dsI)(6一若定义尺一为了目标的等效散射半径，可得到丁—一20log一10log孚㈩(7)式中R一∑R，。，定义目标的等效散射面积a,=lrR~，则有丁一101。g(8)根据式(7)知，若已求得S(i-1～Ⅳ)的等效散射半径R，则可求得其组合

5、体S的等效散射半径R，，从而求取组合的目标强度值TS。由前述知，简单形状物体的目标强度值可用公式计算得到，则其等效散射半径为：R，一2×10面(9)4叠加理论的验证设有两共轴有限长椭圆柱，线性参数为a，6，^；a，6，^，波长为的声波垂直于轴入射，水平入射角为0。由有限长椭圆柱目标强度计算表达式可得：尺，一√^竺i羔：_一√^(a，6，)(1。)式中(，6，)一生丝(一1，2)，由式(7)有nbt维普资讯http://www.cqvip.comTS(O)一101。g÷一101。g丛(11)如果令a：a。一a，b：==6。：==6，即当两段椭圆柱合二为一，构成一段线性尺寸为a，b，h(其

6、中h一^+^：)的椭圆柱时，则有f一f2一厂，从而式(11)化简为厶2／'z丁S()一10log(12)A式(12)正是线性尺寸为a，b，h的椭圆柱目标强度的计算表达式，这便证明了叠加式(7)的正确性。5叠加理论的应用——XXX潜艇目标强度的模拟计算根据XXX潜艇的型值特点，可将其分割成4部分处理：(1)艇体——用旋转椭球进行模拟；(2)指挥塔——用共轴的两段有限长椭圆柱模拟；(3)舵——用一段有限长椭圆柱模拟；(4)翼——潜艇的翼共包括4块：2块垂直稳定翼和2块水平稳定翼。当声波近似于水平方向入射时，水平稳定翼反射很少，基本上可以不加考虑。对于上下两块垂直稳定翼，可分别用一段有限长椭

7、圆柱模拟。当声波沿水平方向入射时，运用规则物体目标强度的计算式可分别求得4部分各自的目标强度值；再应用叠加式(7)便可得到4部分叠加后整个潜艇的目标强度值。实践表明，这些结果具有一定的精确度，可满足工程需要。6数据结果分析采用简单规则几何体组合成复杂非规则几何体，并运用基于叠加理论的数值模拟方法近似计算物体的目标强度，虽不可避免地存在一定的误差，但是其数据和图像却基本上反映了物体(潜艇)目标强度随入射角(舷角)的变化规律：舷侧(入射角为90。)