CN113705035B - 一种运动水面船回波信号强度模拟优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种运动水面船回波信号强度模拟优化方法，步骤是：根据船模型线图，建立水面以下的三维船体模型并剖分三角形面网格，结合不同海况参数求解三维船体模型运动姿态和二维粗糙海面复反射系数，根据建立的水面船“四路径”回波模型，按运动水面船“四路径”回波信号，叠加各路径的回波信号强度，对运动水面船回波信号强度进行模拟。本发明的方法在计算速度上有显著的优势，以及其回波信号强度理论模拟结果与实测结果平均误差小于2dB，能够对运动水面船回波信号强度进行精确快速的模拟。
Description
技术领域
本发明属于水中目标声散射技术领域。涉及一种运动水面船回波信号强度模拟优化方法。
背景技术
近年来，鉴于运动与复杂目标复合散射研究在目标隐身技术、海洋遥感和雷达探测中的重要意义，相关问题的研究已引起了国内外学者的广泛关注。目前，对于运动水面船回波信号强度模拟方法，其均处于自由场的静止状态，未考虑水面船运动姿态随波浪时变以及海面散射问题，也未考虑运动水面船与运动耦合的多次散射问题，以及模拟速度和精度上达不到现实模拟的要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题和不足，提供一种运动水面船回波信号强度模拟优化方法。
本发明从工程应用的角度出发，考虑了海面散射的影响、水面船的运动姿态的变化，通过基于切片理论建立了水面船“四路径”回波模型，尤其在计算速度上有显著的优势，其相比于势流理论计算船的运动姿态节省了7～8个小时，以及精度上其回波信号强度(120kHz～ 180kHz)理论预报幅值与实测结果平均误差小于2dB，能够对运动水面船回波信号强度进行精确快速的模拟。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
一种运动水面船回波信号强度模拟优化方法，包括如下步骤：
S1:根据忽略螺旋桨和艉轴的水面船模型的型线图，利用三维建模软件UG(Unigraphics) 建立水面以下的三维船体模型；
S2:将建立好的三维船体模型，利用网格剖分软件COMSOL对三维船体模型水下剖分三角形面网格，导出网格的节点及单元的拓扑信息；
S3:将建立好的三维船体模型导入到软件AQWA，定义三维船体模型的重心和浮心，设置海面的波浪谱信息、浪高、跨零周期、流向以及风向相关海况参数，构造出PM海谱；软件AQWA基于切片理论求解出三维船体模型在PM海谱中运动姿态，得到在不同海况参数下三维船体模型随时间变化的运动姿态，导出各运动姿态的节点运动坐标；
S4:根据S3中构造的PM海谱，再基于海面反射系数计算经验公式与蒙特卡洛算法，通过软件MATLAB，求解出三维船体模型随时间变化的二维粗糙海面复反射系数，导出随时间变化的二维粗糙海面复反射系数；
S5:根据S2、S3和S4分别导出的结果，建立水面船“四路径”回波模型，通过板块元算法，求解运动水面船的回波信号强度，然后按运动水面船“四路径”回波信号，叠加各路径的回波信号强度，对运动水面船回波信号强度进行模拟；
S6：将S5模拟所得运动水面船回波信号强度与实验数据处理所得回波信号强度进行对比，当结果一致，则为运动水面船回波信号强度。
进一步优选，步骤S2中所述的三角形面网格，其每个三角形面网格的尺寸应满足Rmin>D2/λ条件，保证此计算场点为远场，式中，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，λ为入射波波长。
进一步优选，步骤S3中所述的切面理论求解出三维船体模型在PM海谱中运动姿态的具体方法是，将船体6自由度的运动分解为2组耦合方程，即升沉-纵摇运动方程：横荡-横摇-偏航运动方程：式中，y和z分别为横荡和升沉唯一；θ、/>ψ分别为纵摇、横摇和偏航角度；m为水面船质量；I4、I5、I6分别为船体绕x、y、z轴的质量惯性矩；Aij、Bij、Cij(i,j＝2,3,...,6)为水动力系数；Fij(i,j＝2,3,...,6)为各自由度上产生的扰动力和扰动力矩。
进一步优选，步骤S4中所述的海面反射系数计算经验公式，其表达式为式中：Vv是风的速度，单位是节(0≤Vv≤70节)，该风速根据海况给出；θ是掠射角度，其范围为[0°,90°]；f是频率，单位是Hz。蒙特卡洛算法又称统计模拟法、随机抽样技术，是一种随机模拟方法，以概率和统计理论方法为基础的一种计算方法，是使用随机数(或更常见的伪随机数)来解决很多计算问题的方法。
进一步优选，步骤S5中所述的板块元算法，其最基本的理论依据是Kirchhoff公式，忽略时间因子e-jωt,收发合置和收发分置情况下的散射波势函数分别表示为
其中，式(1)为式(2)的特殊情况。式中，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。S5中所述运动水面船“四路径”回波信号，其表达式为式中，p0i(t)(i＝1,2,4)为目标本体坐标系下的散射声场；L0i(t)(i＝1,2,4)为声程差；k为声波波数；ρ(t)为海面的镜像反射系数。
本发明与现有技术相比，其优点和有益效果为：
本发明的运动水面船回波信号强度模拟优化方法，基于随机运动水面船目标六自由度动力学模型和界面附近目标多路径声散射理论，建立了运动水面船“四路径”回波模型，实现精确快速的模拟。本专利在计算速度上有显著的优势，其相比于势流理论计算船的运动姿态节省了7～8个小时，以及其回波信号强度(120kHz～180kHz)理论预报幅值与实测结果平均误差小于2dB，能够对运动水面船回波信号强度进行精确快速的模拟。
附图说明
图1是运动水面船回波信号强度模拟优化方法流程示意图；
图2是运动水面船六个运动姿态示意图；
图3是运动水面船“四路径”回波模型；
图4(a)是运动水面船回波信号强度实测值1和计算值1的频响曲线对比图；
图4(b)是运动水面船回波信号强度实测值2和计算值2的频响曲线对比图；
图5(a)是波浪频率为0.8Hz,入射波频率为f＝140kHz时运动船体回波信号强度时变曲线图；
图5(b)是波浪频率为0.8Hz,入射波频率为f＝140kHz时运动船体回波信号强度统计规律对比图；
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，下面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。
如图1所示，本发明的一种运动水面船回波信号强度模拟优化方法，包括如下步骤：
S1:根据忽略螺旋桨和艉轴的运动水面船模型的型线图，利用三维建模软件UG(Unigraphics)建立水面以下的三维船体几何模型，船长为3.7m，宽为0.46m，吃水深度为0.16m；
S2:将建立好的三维船体模型，利用网格剖分软件COMSOL对三维船体模型水下部分剖分三角形面网格，为保证网格大小具有较高的质量以及满足远场条件，网格最大单元大小为 0.025，共剖分10349个三角形面网格，导出网格的节点及单元的拓扑信息；
S3:将建立好的三维船体模型导入到软件AQWA，定义三维船体模型的重心和浮心(重心坐标为(0,0,-3)，浮心坐标为(0,0,-2))，以及其惯性矩(kxx＝7.2216m， kyy＝36.3325m,kzz＝36.3325m)，根据2级海况参数，设置海面的波浪谱信息(有义波高＝0.5m，跨零周期＝4s，浪向＝45°，风向＝45°，风速＝3.3m/s)，构造PM海谱；软件AQWA基于切片理论计算出三维船体模型在PM海谱中运动姿态，如图2所示，得到在2级海况下三维船体模型六个自由度随时间变化的运动姿态，然后导出各运动姿态的节点运动坐标；
S4:根据S3中构造的PM海谱，再基于海面反射系数计算经验公式：
以及蒙特卡洛算法，通过软件MATLAB，求解出三维船体模型随时间变化的二维粗糙海面复反射系数，导出随时间变化的二维粗糙海面复反射系数；
S5:根据上述S2、S3和S4导出的结果，建立水面船“四路径”回波模型，通过板块元算法，求解出运动水面船的回波信号强度，然后按运动水面船“四路径”回波信号，如图3所示，分别为直达波回波信号入射波或散射波之一经过水面后的回波信号以及入射波和散射波均经过水面后的回波信号/>四部分，考虑运动的影响，叠加各路径的回波信号强度：对运动水面船回波信号强度进行模拟；
S6:将S5模拟所得运动水面船回波信号强度与实验数据处理所得回波信号强度进行对比，如图4所示为运动船体回波信号强度频响曲线，两者整体趋势基本一致，且数值较接近，平均误差小于3dB；在波浪频率为0.8Hz，入射声波频率为140kHz，如图5所示，从运动船体的实验数据处理所得结果和模拟结果来看，波浪作用下运动船体的回波信号强度随时间符合χ2分布的统计规律，两者整体趋势基本一致，且数值较接近，平均误差小于2dB，则得到一种运动水面船回波信号强度。
Claims (7)
1.一种运动水面船回波信号强度模拟优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1:根据忽略螺旋桨和艉轴的运动水面船模型的型线图，利用三维建模软件，建立水面以下的三维船体模型；
S2:将建立好的三维船体模型，利用网格剖分软件剖分其三角形面网格；
S3:将建立好的三维船体模型导入到软件AQWA，定义其重心和浮心，设置海面的波浪谱信息、浪高、跨零周期、流向以及风向相关海况参数，构造出PM海谱；软件AQWA基于切片理论求解出三维船体模型在PM海谱中运动姿态；
S4:根据S3中构造的PM海谱，再基于海面反射系数计算经验公式与蒙特卡洛算法，通过软件求解出三维船体模型随时间变化的二维粗糙海面复反射系数；
S5:根据S2、S3和S4分别导出的结果，建立运动水面船“四路径”回波模型，通过板块元算法，求解出运动水面船的回波信号强度，然后按运动水面船“四路径”回波信号，叠加各路径的回波信号强度，对运动水面船回波信号强度进行模拟；
S6:将S5模拟所得运动水面船回波信号强度与实验数据处理所得回波信号强度进行对比，当结果一致，则为运动水面船回波信号强度。
2.根据权利要求1所述的一种运动水面船回波信号强度模拟优化方法，其特征在于，步骤S2中所述的三角形面网格，其每个三角形面网格的尺寸满足Rmin>D2/λ条件，保证此计算场点为远场，式中，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，λ为入射波波长。
3.根据权利要求1所述的一种运动水面船回波信号强度模拟优化方法，其特征在于，步骤S3中所述的切片理论求解出三维船体模型在PM海谱中运动姿态的具体方法是，将船体6自由度的运动分解为2组耦合方程，即升沉-纵摇运动方程：横荡-横摇-偏航运动方程：式中，y和z分别为横荡和升沉唯一；θ、/>ψ分别为纵摇、横摇和偏航角度；m为水面船质量；I4、I5、I6分别为船体绕x、y、z轴的质量惯性矩；Aij、Bij、Cij(i,j＝2,3,…,6)为水动力系数；Fij(i,j＝2,3,…,6)为各自由度上产生的扰动力和扰动力矩。
4.根据权利要求1所述的一种运动水面船回波信号强度模拟优化方法，其特征在于，步骤S4中所述的海面反射系数计算经验公式为式中：Vv是风的速度，单位是节(0≤Vv≤70节)，该风速根据海况给出；θ是掠射角度，其范围为[0°,90°]；f是频率，单位是Hz。
5.根据权利要求1所述的一种运动水面船回波信号强度模拟优化方法，其特征在于，步骤S4中所述的蒙特卡洛算法为统计模拟法，具体是一种随机模拟方法，是以概率和统计理论方法为基础的一种计算方法，是使用随机数，或更常见的伪随机数来解决很多计算问题的方法。
6.根据权利要求1所述的一种运动水面船回波信号强度模拟优化方法，其特征在于，步骤S5中所述的板块元算法，其最基本的理论依据是Kirchhoff公式，忽略时间因子e-jωt，收发合置和收发分置情况下的散射波势函数分别表示为： 其中，式(1)为式(2)的特殊情况；式中，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。
7.根据权利要求1所述的一种运动水面船回波信号强度模拟优化方法，其特征在于，步骤S5中所述运动水面船“四路径”回波信号，分别为直达波回波信号入射波或散射波之一经过水面后的回波信号/>以及入射波和散射波均经过水面后的回波信号/>四种回波信号，考虑运动的影响，所述运动水面船“四路径”回波信号/>式中，p0i(t)(i＝1,2,4)为目标本体坐标系下的散射声场；L0i(t)(i＝1,2,4)为声程差；k为声波波数；ρ(t)为海面的镜像反射系数。
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102176017A (zh) * | 2011-01-28 | 2011-09-07 | 复旦大学 | 电大复杂体目标与粗糙面背景复合电磁散射数值仿真方法 |
| CN103472443A (zh) * | 2013-09-24 | 2013-12-25 | 上海无线电设备研究所 | 一种动态海面激光脉冲波束回波仿真方法 |
| CN107356906A (zh) * | 2017-06-13 | 2017-11-17 | 西安电子科技大学 | 一种利用布儒斯特效应的超低空目标镜像干扰抑制方法 |
| CN109472065A (zh) * | 2018-10-23 | 2019-03-15 | 哈尔滨工程大学 | 预报恶劣海况下低速肥大型船舶波浪增阻的三维数值方法 |
| CN110244305A (zh) * | 2019-07-10 | 2019-09-17 | 南京信息工程大学 | 一种水下目标信号散射的仿真方法 |
| WO2020044915A1 (ja) * | 2018-08-27 | 2020-03-05 | 古野電気株式会社 | 追尾対象識別装置、追尾対象識別方法、および、追尾対象識別プログラム |
| CN111025246A (zh) * | 2019-11-28 | 2020-04-17 | 北京遥测技术研究所 | 一种静止轨道sar对海面及船只复合场景成像仿真系统及方法 |
-
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- 2021-07-19 CN CN202110812465.7A patent/CN113705035B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102176017A (zh) * | 2011-01-28 | 2011-09-07 | 复旦大学 | 电大复杂体目标与粗糙面背景复合电磁散射数值仿真方法 |
| CN103472443A (zh) * | 2013-09-24 | 2013-12-25 | 上海无线电设备研究所 | 一种动态海面激光脉冲波束回波仿真方法 |
| CN107356906A (zh) * | 2017-06-13 | 2017-11-17 | 西安电子科技大学 | 一种利用布儒斯特效应的超低空目标镜像干扰抑制方法 |
| WO2020044915A1 (ja) * | 2018-08-27 | 2020-03-05 | 古野電気株式会社 | 追尾対象識別装置、追尾対象識別方法、および、追尾対象識別プログラム |
| CN109472065A (zh) * | 2018-10-23 | 2019-03-15 | 哈尔滨工程大学 | 预报恶劣海况下低速肥大型船舶波浪增阻的三维数值方法 |
| CN110244305A (zh) * | 2019-07-10 | 2019-09-17 | 南京信息工程大学 | 一种水下目标信号散射的仿真方法 |
| CN111025246A (zh) * | 2019-11-28 | 2020-04-17 | 北京遥测技术研究所 | 一种静止轨道sar对海面及船只复合场景成像仿真系统及方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 海面舰船目标SAR回波信号仿真;刁桂杰;许小剑;倪虹;路军杰;;系统仿真学报(第09期);69-76 * |
Also Published As
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