CN112434467A - 一种水下旋转体目标低目标强度外形设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种水下旋转体目标低目标强度外形设计方法，采用迭代算法以目标函数结果为标准，在满足约束条件的范围内对不同偏离变量范围内的目标函数进行迭代计算，当目标函数结果最低时，确定下对应的偏离变量，将偏离变量带入偏离函数中，将初始水下目标母线线型函数与偏离函数相加即为设计后母线线型函数。偏离函数使用伯恩斯坦多项式或正弦级数多项式表示，偏离变量为多项式的项系数。本发明的方法可使水下目标经设计后在给定探测频率范围和探测角度下相比于原线型具有更低收发合置声目标强度，大大减弱目标的声回波能量，提高水下目标声隐身性能。水下目标通过设计后会使其回声能量更均匀分散到空间方位角中，使得收发合置目标强度极大地降低。

Description

一种水下旋转体目标低目标强度外形设计方法
技术领域
本发明属于水中目标声隐身技术领域。涉及一种水中目标的声隐身迭代算法，尤其涉及一种水下旋转体目标低目标强度外形设计方法。
背景技术
随着水下声对抗技术的发展，如何更加科学的设计水下目标的外形，从而有效地降低其声目标强度，提高其声隐蔽性是水声物理的研究课题之一。传统的舰艇或水下小航行体的外形设计大都采取经验设计的方式，再进行性能比较得到较优外形。但传统的外形设计中并没有考虑基于主动声呐探测发展所带来的回声强度变化问题。随着近些年来计算机的飞速发展，对于船舶外形设计，利用迭代算法实现多参数寻优的相关研究越来越多，但均以水动力性能作为目标函数，并没有将目标强度引入目标函数中，没有考虑水下航行器外形对其声隐蔽性的影响。这导致现有的水下水下航行器声目标强度较大，容易被探测。如图1、图2所示，当探测频率在2.5千赫兹时，533鱼雷在45°～135°探测角度内声目标强度在-23分贝～-15分贝之间，当探测阈值为-21分贝时就能被百分之百探测到。本专利是在利用计算机迭代算法和有限元软件的基础上，通过所述的迭代方法，可实现水下旋转体目标的线型优化设计，使其声目标强度在不同入射频率和入射角下得以显著降低。
发明内容
本发明的目的是为了提高水中声隐身性能，克服现有声学覆盖层在低频性能欠佳的缺陷，提高水中目标高频的隐身效果，通过设计的表面线型能够削弱其刚性回波。本发明为水下旋转体目标的隐身性能提供了一种低目标强度外形设计方法。
本发明是在现有迭代算法的基础上提出一种针对水下目标的低声目标强度线型设计方法，通过以水中目标的目标强度为目标函数，采用迭代算法以目标函数结果为标准，在满足约束条件的范围内对不同偏离变量范围内的各目标函数进行迭代计算。可以使水下目标经过设计后在不同频率和入射方向具有更低收发合置声目标强度，可以大大减弱目标的声回波能量，增强水下目标声隐身性能。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
一种水下旋转体目标低目标强度外形设计方法，包括如下步骤：
S1:针对初始水下目标的外形通过拟合得到其母线线型具体函数表达式或参数化模型。
S2:选定偏离函数，使用偏离函数来表示初始母线线型函数与设计后母线线型函数的偏差；
S3：选定水下目标旋转体体积、母线线型函数表达式梯度与偏离变量取值范围为约束条件；
S4:选定新型声隐外形求解所使用的迭代算法，不同算法所带来的结果不尽相同，但均可以获得新型声隐外形。
S5:选定不同入射角、入射频率，计算设计后水下旋转体目标的目标强度，然后按声强叠加原理推导出各个入射角度、入射频率下的总声压级函数表达式，以总声压级函数表达式作为目标函数；
S6：采用迭代算法以目标函数结果为标准，在满足约束条件的范围内对不同偏离变量范围内的各目标函数进行迭代计算，当目标函数为最低目标函数时，确定下对应的偏离变量，将偏离变量带入偏离函数中，将初始水下目标母线线型函数与偏离函数相加即为设计后母线线型函数。
进一步优选，步骤S2中所述的偏离函数，其表达式为伯恩斯坦多项式
Figure BDA0002792637880000021
或正弦级数多项式
Figure BDA0002792637880000022
式中：i为多项式的起始项数序号，N为多项式的终止项数序号，Ci为多项式的项系数。
进一步优选，步骤S3中所述的偏离变量为伯恩斯坦多项式或正弦级数多项式中的项系数Ci；
进一步优选，步骤S4中所述的迭代算法其特征在于：迭代算法为全局迭代算法，比如遗传算法、模拟退火；或局部最优算法，比如Nelder-Mead算法或遗传算法；
进一步优选，步骤S5中所述目标函数为
Figure BDA0002792637880000023
式中：i、j分别为计算的起始频率序号与计算的起始角度序号，N、M分别为计算的终止频率序号与计算的终止角度序号，
Figure BDA0002792637880000024
为频率为fi的入射平面波在
Figure BDA0002792637880000025
入射角下的收发合置声目标强度。α(fi)和
Figure BDA0002792637880000026
所代表的是分别与平面波入射频率和入射角成函数关系(正比例或反比例函数)的权重系数。
进一步优选，根据权利要求2所述的伯恩斯坦多项式，其多项式中的N选用越大优化得到结果会更准确，但同时优化计算时间会大大加长。
本发明与现有技术相比，其优点和有益效果为：
本发明的水下旋转体目标低目标强度外形设计方法，打破原本只依赖于经验设计水中目标外形的方法，专注于低目标强度水下旋转体的外形设计，基于现有迭代算法，对不同偏离量的目标函数进行自动迭代计算，以获得低目标强度目标外形。相比较原目标的目标强度，经优化设计计算后，在选定频段、选定角度范围内目标强度均有大幅下降。如图1、图2所示，当探测频率在2.5千赫兹时，通过本方法设计后的533鱼雷在45°～135°探测角度内声目标强度在-26分贝～-17分贝之间，较未设计前，单一角度下最大可以下降4分贝，当探测阈值为-26分贝时才能被百分之百探测到，较未设计之前下降了5分贝。
附图说明
图1是声波探测频率为2.5千赫兹时533鱼雷头部设计前后声目标强度随探测角度变化曲线图；
图2是声波探测频率为2.5千赫兹时533鱼雷头部设计前后角检测率-阈值示意图；
图3是水下旋转体目标低目标强度外形设计方法流程示意图；
图4(a)是533鱼雷头部初始母线线型函数图形；
图4(b)是533鱼雷头部初始外形；
图5是鱼雷目标强度计算示意图；
图6(a)是优化设计后鱼雷头部母线线型函数图形；
图6(b)是优化设计后鱼雷头部外形；
图7是优化设计前目标强度角度-频率谱图；
图8是优化设计后目标强度角度-频率谱图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以及结合附图及实施案例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
如图3所示，533鱼雷头部低目标强度外形设计方法，包括如下步骤：
S1：初始533鱼雷头部外形如图4(a)所示，针对初始533鱼雷头部外形通过拟合得到如图4(b)所示的母线线型具体函数，为z＝-0.7(r/0.27)6+0.35；
S2：选定偏离函数为N阶伯恩斯坦多项式：
Figure BDA0002792637880000041
将初始母线线型函数与偏离函数相加即为设计后母线线型函数：
Figure BDA0002792637880000042
从而获得设计后水下旋转体目标外形；
S3：原水下目标旋转体体积为V0＝0.1202m3，选定约束条件为水下目标旋转体体积85％V0≤V≤115％V0、初始母线线型函数梯度
Figure BDA0002792637880000043
偏离变量初始值为0，取值范围为(-5，5)；
S4：选定迭代计算所使用的迭代算法为Nelder-Mead单纯型算法；
S5：如图5所示，选定声波入射角为45°～135°、入射声波频段为2.0kHz～5.0kHz，计算设计后水下旋转体目标的声目标强度，然后按声强叠加原理推导出各个入射角度、入射频率下的总声压级函数表达式为
Figure BDA0002792637880000044
式中：i、j分别为计算的起始频率序号与计算的起始角度序号，N、M分别为计算的终止频率序号与计算的终止角度序号，
Figure BDA0002792637880000045
为频率为fi的入射平面波在
Figure BDA0002792637880000046
入射角下的收发合置声目标强度。α(fi)和
Figure BDA0002792637880000047
所代表的是分别与平面波入射频率和入射角成函数关系(正比例或反比例函数)的权重系数；最后，以总声压级函数表达式作为目标函数；
S6：采用迭代算法以目标函数结果为标准，在满足约束条件的范围内对目标函数进行迭代计算，当目标函数结果为最低时，得到一种如图6(a)、(b)所示的水下旋转体目标低目标强度外形。设计前后533鱼雷头部目标强度角度-频率谱如图7、图8所示。通过本方法的设计，设计前后在设计频段、设计角度范围内533鱼雷头部总平均目标强度下降约4.53dB。

Claims (5)

1.一种水下旋转体目标低目标强度外形设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、针对任意一种水下旋转体目标的外形，通过标准的数学函数描述、近似拟合或用标准的尺寸实现参数化建模来获得其初始母线线型函数；
S2、选定偏离函数，将初始母线线型函数与偏离函数相加即为设计后母线线型函数，从而获得设计后水下旋转体目标外形；
S3、选定水下目标旋转体体积、初始母线线型函数梯度与偏离变量取值范围为约束条件；
S4、选定迭代计算所使用的迭代算法；
S5、选定不同入射角、入射频率，计算设计后水下旋转体目标的目标强度，然后按声强叠加原理推导出各个入射角度、入射频率下的总声压级函数表达式，以总声压级函数表达式作为目标函数；
S6、采用迭代算法以目标函数结果为标准，在满足约束条件的范围内对目标函数进行迭代计算，当目标函数结果为最低时，得到一种水下旋转体目标低目标强度外形。
2.根据权利要求1所述的一种水下旋转体目标低目标强度外形设计方法，其特征在于，步骤S2中所述的偏离函数，其表达式为伯恩斯坦多项式
Figure FDA0002792637870000011
或正弦级数多项式
Figure FDA0002792637870000012
式中：i为多项式的起始项数序号，N为多项式的终止项数序号，Ci为多项式的项系数。
3.根据权利要求1所述的一种水下旋转体目标低目标强度外形设计方法，其特征在于，步骤S3中所述的偏离变量为伯恩斯坦多项式或正弦级数多项式中的项系数Ci。
4.根据权利要求1所述的一种水下旋转体目标低目标强度外形设计方法，其特征在于，步骤S4中所述的迭代算法为全局迭代算法，比如遗传算法、模拟退火；或局部最优算法，比如Nelder-Mead算法或遗传算法。
5.根据权利要求1所述的一种水下旋转体目标低目标强度外形设计方法，其特征在于，步骤S5中所述目标函数为
Figure FDA0002792637870000013
式中：i、j分别为计算的起始频率序号与计算的起始角度序号，N、M分别为计算的终止频率序号与计算的终止角度序号，
Figure FDA0002792637870000014
为频率为fi的入射平面波在
Figure FDA0002792637870000015
入射角下的收发合置声目标强度，α(fi)和
Figure FDA0002792637870000016
所代表的是分别与平面波入射频率和入射角成函数关系(正比例或反比例函数)的权重系数。
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