CN112083402B - 一种水池条件下的水下目标走航探测实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种水池条件下的水下目标走航探测实验方法，探测声呐水平安装在水池的可旋转吊装杆下端，被测目标布放于距声呐水平距离L处，设定探测声呐的探测频次并使能其工作，配置吊装杆旋转角度范围和旋转速度，旋转、平移吊装杆，精准再现探测声呐搭载平台的走航行程和走航速度特征量，实现对水下目标走航探测实验的全流程复现；本发明在不使用舰船、水下潜航器等探测声呐搭载平台的情况下，再现了探测声呐搭载平台走航行程、走航速度和距目标垂向距离改变等特征，在环境参数和条件可控的实验水池中实现了水下目标走航探测实验的全流程复现。

Description

一种水池条件下的水下目标走航探测实验方法
技术领域
本发明涉及一种水下目标走航探测实验方法，尤其涉及一种水池条件下的水下目标走航探测实验方法，属于水声实验技术领域。
背景技术
水声学是一门实验科学，无论技术理论研究还是仪器装备研制都需要开展大量的各类科学实验，并且水声学的学习和教学也都离不开水声实验。水下目标探测是声呐的主要功能之一，目前，随着水声技术的快速发展，探测声呐被搭载于水面舰船、水下潜航器等各类水上、水下航行平台对水下目标进行走航探测。而在专业教学、水下目标探测技术研究和声呐装备研制过程中，均基于实际的搭载平台开展与之相关的水下目标走航探测实验研究通常是难以实现的，主要表现在以下几个方面：(1)声呐系统复杂，其搭载平台也由于不仅限于搭载声呐这一种载荷，也具有很高的系统复杂度和研制成本，不宜作为通用的教具被广泛应用在水声实验教学中；(2)外场的现场试验花费高、操作困难，特别易受恶劣水文、海况等条件的影响，所有科研环节均基于实际的搭载平台开展科学实验会带来成本高、实验时间窗口不易掌控、问题原因难以分析等问题；(3)在技术研究和装备研制各阶段均需开展实验研究，而探测技术和声呐载荷通常是早于搭载平台或并行开展研究的，在未完成搭载平台研制的情况下，如何开展水下目标走航探测技术及探测声呐的实验研究也是需要有效解决的问题。
水池实验是水声技术实验研究过程中非常重要的环节，可操作性强、实验环境和实验条件均可精准操控、具有良好的可重复性，为水声技术研究、声呐测试校准等活动提供了重要支撑。对于水池条件下如何开展水下目标走航探测实验的设计与实现，最为重要的是在有限的水池空间、不使用探测声呐搭载平台的情况下，如何使实验过程具备搭载平台重要功能特征的准确模拟和水池复现，充分发挥水池实验优越特性的同时解决依赖搭载平台开展实验存在的上述问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决不使用探测声呐搭载平台的情况下，如何在水池条件下科学开展水下目标走航探测实验的问题而提供一种水池条件下的水下目标走航探测实验方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种水池条件下的水下目标走航探测实验方法，探测声呐水平安装在水池的可旋转吊装杆下端，被测目标布放于距声呐水平距离L处，设定探测声呐的探测频次并使能其工作，配置吊装杆旋转角度范围和旋转速度，旋转、平移吊装杆，精准再现探测声呐搭载平台的走航行程和走航速度特征量，实现对水下目标走航探测实验的全流程复现
本发明还包括这样一些特征：
吊装杆的平移方向与探测声呐辐射面几何中心与被测目标连线的方向重合，可靠近目标水平移动，也可远离目标水平移动。对应复现实际水下目标实时探测时，各探测样本点对应时刻探测声呐与被测目标所处水平面间的垂直距离，由下式进行计算：
Hn＝ΔLn+L
其中，n表示探测样本点序号，n＝1、2···N；ΔLn为探测第n个样本点时，实际探测过程中由于波浪起伏等因素引起的探测声呐距被测目标所在平面垂直距离的改变量，当距离增大时ΔLn为正值，当距离变小时ΔLn为负值。
探测声呐搭载平台走航行程由下式计算得到：
Figure BDA0002681758820000021
其中，Δθ为吊装杆旋转的角度范围，单位为度；θv为吊装杆的旋转速度，单位为度/分； L为布放被测目标距探测声呐辐射面的水平距离，单位为米；N为Δθ角度范围内探测声呐探测的样本点数；fping为探测声呐的探测频次(Ping率)，单位为Hz。
探测声呐搭载平台走航速度由下式计算得到：
Figure BDA0002681758820000022
探测声呐辐射面垂直方向的中线要与旋转吊装杆的轴线重合。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明在不使用舰船、水下潜航器等探测声呐搭载平台的情况下，再现了探测声呐搭载平台走航行程、走航速度和距目标垂向距离改变等特征，在环境参数和条件可控的实验水池中实现了水下目标走航探测实验的全流程复现。解决了基于走航探测的水下目标探测技术研究、探测声呐研制以及相关水声实验教学过程中，不借助探测声呐搭载平台开展条件可控、操作简便的水下目标走航探测水声实验研究的问题。
附图说明
图1是为水池条件下水下目标走航探测实验方法流程；
图2为本发明方案实施示意图；
图3为探测声呐搭载平台功能特征复现原理示意图；
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明提出一种水池条件下的水下目标走航探测实验方法，仅利用水池可旋转吊装杆水平按照探测声呐，合理布放被测目标和配置控制参数，实现走航探测声呐搭载平台行程和航行速度等特征参数的准确量化复现，方法简单、成本低、易于实施。
发明的目的是为了解决不使用探测声呐搭载平台的情况下，如何在水池条件下科学开展水下目标走航探测实验的问题。提供一种水池条件下的水下目标走航探测实验方法，为水下目标探测技术研究、探测声呐研制以及水声教学等提供了一种新的技术途径。
本发明的目的是这样实现的：
探测声呐水平安装在水池的可旋转吊装杆下端，被测目标布放于距声呐水平距离L处，设定探测声呐的探测频次(Ping率)并使能其工作，配置吊装杆旋转角度范围和旋转速度，旋转、平移吊装杆，精准再现探测声呐搭载平台的走航行程和走航速度特征量，实现对水下目标走航探测实验的全流程复现；
所述的吊装杆的平移方向与探测声呐辐射面几何中心与被测目标连线的方向重合，可靠近目标水平移动，也可远离目标水平移动。对应复现实际水下目标实时探测时，各探测样本点对应时刻探测声呐与被测目标所处水平面间的垂直距离，由下式进行计算：
Hn＝ΔLn+L
其中，n表示探测样本点序号，n＝1、2···N；ΔLn为探测第n个样本点时，实际探测过程中由于波浪起伏等因素引起的探测声呐距被测目标所在平面垂直距离的改变量，当距离增大时ΔLn为正值，当距离变小时ΔLn为负值。
所述的探测声呐搭载平台走航行程由下式计算得到：
Figure BDA0002681758820000031
其中，Δθ为吊装杆旋转的角度范围，单位为度；θv为吊装杆的旋转速度，单位为度/分；L为布放被测目标距探测声呐辐射面的水平距离，单位为米；N为Δθ角度范围内探测声呐探测的样本点数；fping为探测声呐的探测频次(Ping率)，单位为Hz。
所述的探测声呐搭载平台走航速度由下式计算得到：
Figure BDA0002681758820000032
所述的探测声呐辐射面垂直方向的中线要与旋转吊装杆的轴线重合。
本发明的有益效果是：在不使用舰船、水下潜航器等探测声呐搭载平台的情况下，再现了探测声呐搭载平台走航行程、走航速度和距目标垂向距离改变等特征，在环境参数和条件可控的实验水池中实现了水下目标走航探测实验的全流程复现。解决了基于走航探测的水下目标探测技术研究、探测声呐研制以及相关水声实验教学过程中，不借助探测声呐搭载平台开展条件可控、操作简便的水下目标走航探测水声实验研究的问题。
如图1所示，一种水池条件下的水下目标走航探测实验方法，其实施流程为：探测声呐水平安装在水池的可旋转吊装杆下端，被测目标布放于距声呐水平距离L处，设定探测声呐的探测频次(Ping率)并使能其工作，配置吊装杆旋转角度范围和旋转速度，旋转、平移吊装杆，精准再现探测声呐搭载平台的走航行程和走航速度特征量，实现对水下目标走航探测实验的全流程复现；
吊装杆的平移方向与探测声呐辐射面几何中心与被测目标连线的方向重合，可靠近目标水平移动，也可远离目标水平移动。对应复现实际水下目标实时探测时，各探测样本点对应时刻探测声呐与被测目标所处水平面间的垂直距离，由下式进行计算：
Hn＝ΔLn+L
其中，n表示探测样本点序号，n＝1、2···N；ΔLn为探测第n个样本点时，实际探测过程中由于波浪起伏等因素引起的探测声呐距被测目标所在平面垂直距离的改变量，当距离增大时ΔLn为正值，当距离变小时ΔLn为负值。
探测声呐搭载平台走航行程由下式计算得到：
Figure BDA0002681758820000041
其中，Δθ为吊装杆旋转的角度范围，单位为度；θv为吊装杆的旋转速度，单位为度/分；L为布放被测目标距探测声呐辐射面的水平距离，单位为米；N为Δθ角度范围内探测声呐探测的样本点数；fping为探测声呐的探测频次(Ping率)，单位为Hz。
探测声呐搭载平台走航速度由下式计算得到：
Figure BDA0002681758820000042
探测声呐辐射面垂直方向的中线要与旋转吊装杆的轴线重合。
为了更加清晰地说明本发明方案的实施和有益效果，结合实验方案示意图和探测声呐搭载平台功能特征复现原理示意图进一步进行说明，实验方案实施示意图见图2，探测声呐搭载平台功能特征复现原理示意图见图3。图2直观地显示出了本发明的实施方式和实施流程，其中，探测声呐在水下目标探测过程中会辐射出探测声束，随着旋转吊装杆的旋转，探测声束将向相应地向方向进行目标扫测，见图3中左图(该图对应图2实验过程的俯视示意图)，其中：在实验开始前设定了探测声呐的探测频次(Ping率)fping，以任意角度为起点，旋转Δθ的角度范围，可理解为在目标所处距离上探测声束会获得N个探测样本点(波束脚印，该值可由探测声呐系统计数得到)。
本发明涉及的一种水池条件下的水下目标走航探测实验复现了实际水下目标走航探测的完整流程(见图3，其中图3的右图为实际探测过程示意图。为了便于说明，这里仅以探测声呐距被测目标所在平面的垂直距离不发生改变为例，但不限于这一情况，该发明同样适用于该距离发生实时变化的情况)，利用目标物距探测声呐的距离L和距离该变量ΔLn，连同吊装杆旋转角度范围Δθ(或旋转速度θv、探测声呐探测频次fping、以及探测样本点数N)就可以准确地获取实际探测声呐搭载平台的走航行程和走航速度，从实施的角度复现了实际探测全流程，准确再现了探测声呐搭载平台的运动特征。同时指出，上述参量用于复现搭载平台走航运动特征量的对应关系时，具有很好的灵活性，具体为：R可由L、ΔLn和Δθ来表述(即已知目标距离、距离改变量和旋转角度范围，再现搭载平台走航行程)，也可由L、ΔLn、fping、θv和N来共同表述(见权利 要求2中公式)(即已知目标距离、距离改变量、探测声呐Ping 率、吊装杆旋转速度以及探测样本点数，也可再现搭载平台走航行程)；同样，v可由R、fping和N来表述(即已知走航行程、探测声呐Ping率和探测样本点数时，可再现搭载平台走航速度)，也可由L、ΔLn和fping共同表述(即已知目标距离、距离改变量、探测声呐Ping率，也可再现搭载平台走航速度)。上述每种对应关系相应地对应一种实际水下目标走航探测复现方式，为不同实验需求提供了便捷、多样的实施方案，均属本发明保护的范围。
最后，在旋转吊装杆下端安装探测声呐时，探测声呐辐射面垂直方向的中线要与旋转吊装杆的轴线重合，目的是保证吊装杆在旋转过程中探测声呐(辐射面几何中心)距探测目标所在位置的距离保持不变，这也是本发明实施过程成立的前提条件。
综上所述：本发明公开了一种水池条件下的水下目标走航探测实验方法，属水声实验技术领域。探测声呐水平安装在水池的可旋转吊装杆下端，被测目标布放于距声呐水平距离L 处，设定探测声呐探测频次(Ping率)并使能其工作，配置吊装杆旋转角度范围和旋转速度，旋转、平移吊装杆，精准再现探测声呐搭载平台的走航行程和走航速度特征量，实现对水下目标走航探测实验的全流程复现。在水池条件下，本发明从实验方式方法设计的角度出发，无需使用探测声呐搭载平台，仅利用特定的安装布放方式和控制参数配置，即实现了水下目标走航探测的全流程实验模拟，方法简便、功能完善，无需使用探测声呐搭载平台实体，很大程度上解决了水下目标探测技术研究、探测声呐研制以及水声工程实验教学对大量开展水下目标走航探测实验的需求等问题。

Claims (3)

1.一种水池条件下的水下目标走航探测实验方法，其特征在于：探测声呐水平安装在水池的可旋转的吊装杆下端，被测目标布放于距声呐水平距离L处，设定探测声呐的探测频次并使能其工作，配置吊装杆旋转角度范围和旋转速度，旋转、平移吊装杆，沿 探测声呐辐射面几何中心与被测目标连线方向平移吊装杆实现探测声呐搭载平台的走航行程特征量的再现，吊装杆的旋转实现探测声呐搭载平台走航速度特征量的再现，实现对水下目标走航探测实验的全流程复现；
探测声呐搭载平台走航行程由下式计算得到：
Figure FDA0003854862600000011
其中，Δθ为吊装杆旋转的角度范围，单位为度；θv为吊装杆的旋转速度，单位为度/分；L为布放被测目标距探测声呐辐射面的水平距离，单位为米；N为Δθ角度范围内探测声呐探测的样本点数；fping为探测声呐的探测频次，单位为Hz；Hn为各探测样本点对应时刻探测声呐与被测目标所处水平面间的垂直距离，n表示探测样本点序号，n＝1、2…N；
探测声呐搭载平台走航速度由下式计算得到：
Figure FDA0003854862600000012
2.根据权利要求1所述的一种水池条件下的水下目标走航探测实验方法，其特征在于：吊装杆的平移方向与探测声呐辐射面几何中心与被测目标连线的方向重合，可靠近目标水平移动，也可远离目标水平移动；对应复现实际水下目标实时探测时，各探测样本点对应时刻探测声呐与被测目标所处水平面间的垂直距离，由下式进行计算：
Hn＝ΔLn+L
其中，ΔLn为探测第n个样本点时，实际探测过程中由于波浪起伏因素引起的探测声呐距被测目标所在平面垂直距离的改变量，当距离增大时ΔLn为正值，当距离变小时ΔLn为负值。
3.根据权利要求1所述的一种水池条件下的水下目标走航探测实验方法，其特征在于：探测声呐辐射面垂直方向的中线要与吊装杆的轴线重合。
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