CN114706083A - 一种水下凹面目标的中高频声目标强度预报方法 - Google Patents

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赵开琦
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Abstract

本发明涉及声学技术领域，公开了一种水下凹面目标的中高频声目标强度预报方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：将目标曲面划分为若干三角板块；步骤2：判断板块间的遮挡效应；步骤3：考虑板块间的初次散射声场的相互作用，将每一个面元接收到其他面元的初次散射声场当作二次入射声波再次进行声散射，产生二次散射声场，按照此规律依次进行迭代，直到达到计算精度要求为止，再叠加所有面元的多次散射声场得到总散射声场的近似值。本发明考虑了板块元间的遮挡效应、多次散射作用，可以快速计算中高频凹面目标散射声场。可以快速计算中、高频条件下复杂凹面目标的散射声场，可以评估主动声纳对水中复杂目标探测距离以及对水中复杂目标声隐身性能进行评估。

Description

一种水下凹面目标的中高频声目标强度预报方法
技术领域
本发明涉及声学技术领域，具体为一种水下凹面目标的中高频声目标强度预报方法。
背景技术
随着声纳技术的发展，需要更加精确和快速地预报水中复杂目标的回波特性。当复杂目标存在凹面或腔体时，声波会发生多次散射，比如潜艇的指挥台与艇体之间、围壳与艇体之间、导管与螺旋桨之间、螺旋桨的叶片之间等精细结构都会导致声波的多次散射。常采用有限元方法、边界元方法等数值方法计算此类复杂目标的散射声场，但是由于网格剖分量巨大，只适用于低频计算。而传统的板块元方法仅能快速计算复杂“凸”目标的散射声场，不能计算上述“凹”结构的多次散射声场。声束弹跳法虽然解决了存在多次散射时目标声场的计算问题，然而忽略了非镜反射方向上二阶或高阶声线没有追踪到的面元对散射声场的贡献，影响了计算结果的准确性。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种水下凹面目标的中高频声目标强度预报方法，考虑了板块元间的遮挡效应、多次散射作用，可以快速计算中高频凹面目标散射声场。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种水下凹面目标的中高频声目标强度预报方法，其特点在于：包括以下步骤：
步骤1：将目标曲面划分为若干三角板块；
步骤2：判断板块间的遮挡效应；
步骤3：考虑板块间的初次散射声场的相互作用，将每一个面元接收到其他面元的初次散射声场当作二次入射声波再次进行声散射，产生二次散射声场，按照此规律依次进行迭代，直到达到计算精度要求为止，再叠加所有面元的多次散射声场得到总散射声场的近似值。
进一步，步骤1，将目标曲面划分为若干三角板块，具体是：
每个三角板块的尺寸满足条件：Rmin＞＞D2/λ，其中Rmin是需要计算的最小距离，D是三角板块的最大尺寸，λ是入射声波波长。
进一步，步骤2：判断板块间的遮挡效应，具体是：
为了判断目标板块和参考板块是否存在遮挡关系，将两个板块进行投影，投影面为入射波矢的法平面；
判断目标板块中心的投影是否在参考板块投影内部：若不是，则目标板块未被参考板块遮挡，执行下一个遮挡判断；若是，则继续判断目标板块深度值是否小于参考板块深度值，如小于，则目标板块未被参考板块遮挡；否则，目标板块被参考板块遮挡。
进一步，步骤3：具体是：
J个板块元已经迭代了q次，则求解第j个板块元的第(q+1)次散射声场的迭代方程为
Figure BDA0003578140340000021
其中，
Figure BDA0003578140340000022
其中，ω是角频率，ρ0是介质密度；s是小板块元S上选取的参考点，矢径为
Figure BDA0003578140340000023
q是小板块元S上任意点，矢径为
Figure BDA0003578140340000024
接收点的矢径为
Figure BDA0003578140340000025
R是板块到接收点的距离；
Figure BDA0003578140340000026
是接收点
Figure BDA0003578140340000027
的散射声压值，
Figure BDA0003578140340000028
是板块元的表面外法线，vn是板块表面法向振速，vi是板块表面振速，I是板块的面积分；下标g，j分别代表第g，j个板块，上标(q+1)代表第(q+1)次迭代；
迭代收敛条件为
Figure BDA0003578140340000031
其中，ε是一个很小的正数。若进行Q次迭代后满足迭代收敛条件(12)，迭代终止，那么多次散射的总声场为
Figure BDA0003578140340000032
其中，第一个求和号表示对各次散射声场进行叠加，第二个求和号表示对一次声散射中每个板块元的散射声场进行叠加。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
1)本发明考虑了板块元间的遮挡效应、多次散射作用，可以快速计算中高频凹面目标散射声场。
2)通过上述的考虑多重散射的修正板块元方法，可以快速计算中、高频条件下复杂凹面目标的散射声场，可以评估主动声纳对水中复杂目标探测距离以及对水中复杂目标声隐身性能进行评估。
附图说明
图1为本发明水下凹面目标的中高频声目标强度预报方法的流程图；
图2为本发明遮挡判别的近似算法流程图；
图3球冠几何模型示意图；
图4球冠TS随垂直方位入射角的变化。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明主要分为二部分，一是遮挡判别的近似算法，即判断任意两个板块间否存在遮挡关系；二是修正的板块元方法，即迭代计算板块间的多次散射效应。
本发明水下凹面目标的中高频声目标强度预报方法的流程图，如图1所示。
1、遮挡判别的近似算法
在板块划分足够精细的前提下，对板块之间的遮挡问题进行如下简化：若从声源与板块1中心的连线中途经过了板块2内部，则称板块2遮挡了板块1；若板块1被立管上的板块2遮挡，则计算散射声场时须将其剔除。
遮挡问题采用图像学中常用的深度缓冲算法进行判断。深度缓冲算法又名Z-Buffer算法，其思想为将两个板块的中心投影到投影平面上，并计算两者的深度值(Z值)。深度值较大的板块，说明其位于前方；而深度值较小的板块，说明其位于后方。该遮挡算法流程如图2所示。
2、修正的板块元方法
修正的板块元方法在传统板块元方法的基础上，考虑板块间的初次散射声场的相互作用，将每一个面元接收到其他面元的初次散射声场当作二次入射声波再次进行声散射，产生二次散射声场，按照此规律依次进行迭代，直到达到计算精度要求为止，再叠加所有面元的多次散射声场就得到了总散射声场的近似值。
将该方法推广至J个板块元的(Q+1)次散射(Q次迭代)。不妨设，J个板块元已经迭代了q次，则求解第j个板块元的第(q+1)次散射声场的迭代方程为
Figure BDA0003578140340000041
其中，
Figure BDA0003578140340000051
其中，ω是角频率，ρ0是介质密度；s是小板块元S上选取的参考点，矢径为
Figure BDA0003578140340000052
q是小板块元s上任意点，矢径为
Figure BDA0003578140340000053
接收点的矢径为
Figure BDA0003578140340000054
R是板块到接收点的距离；
Figure BDA0003578140340000055
是接收点
Figure BDA0003578140340000056
的散射声压值，
Figure BDA0003578140340000057
是板块元的表面外法线，vn是板块表面法向振速，vi是板块表面振速，I是板块的面积分；下标g，j分别代表第g，j个板块，上标(q+1)代表第(q+1)次迭代。
迭代收敛条件为
Figure BDA0003578140340000058
其中，ε是一个很小的正数。若进行Q次迭代后满足迭代收敛条件(12)，迭代终止，那么多次散射的总声场为
Figure BDA0003578140340000059
其中，第一个求和号表示对各次散射声场进行叠加，第二个求和号表示对一次声散射中每个板块元的散射声场进行叠加。
为了验证修正的板块元方法的准确性，分别采用有限元法、声线弹跳法和修正板块元法来计算圆心角90°球冠的目标强度，几何模型如图3所示，其中几何尺寸R＝1m，开角β＝45°。
图4给出了当入射波频率为10kHz时，90度开角的球冠目标强度随垂直方位入射角θ的变化。从图中可以看出，在θ＞30°时，有限元法、声线弹跳法和修正板块元法结果吻合较好；而在θ＜30°时，声线弹跳法结果要比有限元法结果小得多，修正板块元法结果却与有限元法结果较为吻合，验证了所提方法的准确性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种水下凹面目标的中高频声目标强度预报方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将目标曲面划分为若干三角板块；
步骤2：判断板块间的遮挡效应；
步骤3：考虑板块间的初次散射声场的相互作用，将每一个面元接收到其他面元的初次散射声场当作二次入射声波再次进行声散射，产生二次散射声场，按照此规律依次进行迭代，直到达到计算精度要求为止，再叠加所有面元的多次散射声场得到总散射声场的近似值。
2.根据权利要求1所述的水下凹面目标的中高频声目标强度预报方法，其特征在于：步骤1，将目标曲面划分为若干三角板块，具体是：
每个三角板块的尺寸满足条件：Rmin＞＞D2/λ，其中Rmin是需要计算的最小距离，D是三角板块的最大尺寸，λ是入射声波波长。
3.根据权利要求1所述的水下凹面目标的中高频声目标强度预报方法，其特征在于：步骤2：判断板块间的遮挡效应，具体是：
将两个板块进行投影，投影面为入射波矢的法平面；
判断目标板块中心的投影是否在参考板块投影内部：若不是，则目标板块未被参考板块遮挡，执行下一个遮挡判断；若是，则继续判断目标板块深度值是否小于参考板块深度值，如小于，则目标板块未被参考板块遮挡；否则，目标板块被参考板块遮挡。
4.根据权利要求1所述的水下凹面目标的中高频声目标强度预报方法，其特征在于：步骤3：具体是：
J个板块元已经迭代了q次，则求解第j个板块元的第(q+1)次散射声场的迭代方程为
Figure FDA0003578140330000011
其中，
Figure FDA0003578140330000021
其中，ω是角频率，ρ0是介质密度；s是小板块元S上选取的参考点，矢径为
Figure FDA0003578140330000022
q是小板块元s上任意点，矢径为
Figure FDA0003578140330000023
接收点的矢径为
Figure FDA0003578140330000024
R是板块到接收点的距离；
Figure FDA0003578140330000025
是接收点
Figure FDA0003578140330000026
的散射声压值，
Figure FDA0003578140330000027
是板块元的表面外法线，vn是板块表面法向振速，vi是板块表面振速，I是板块的面积分；下标g，j分别代表第g，j个板块，上标(q+1)代表第(q+1)次迭代；
迭代收敛条件为
Figure FDA0003578140330000028
其中，ε是一个很小的正数。若进行Q次迭代后满足迭代收敛条件(12)，迭代终止，那么多次散射的总声场为
Figure FDA0003578140330000029
其中，第一个求和号表示对各次散射声场进行叠加，第二个求和号表示对一次声散射中每个板块元的散射声场进行叠加。
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111830493A (zh) * 2020-06-24 2020-10-27 上海交通大学 水中目标收发分置中高频声目标强度预报系统及方法

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