一种敷设消声瓦目标的收发合置目标强度的快速算法

技术领域

本发明涉及水中目标声散射技术，尤其涉及一种敷设消声瓦目标的收发合置目标强度的快速算法。

背景技术

舰船作为海上军事力量的重要组成部分，其隐身性一直备受瞩目。随着现代水下航行体降噪措施日趋完善，尤其是各种性能优良的声学覆盖层的出现，使得水下航行体的隐身性能得到很大程度的提高，同时也提高了其目标强度的计算难度，故需要更加精准且快速的目标强度计算方法。传统的目标强度计算方法不仅计算速度较慢，且精度易受网格数量限制。当计算高频范围时，这种劣势将更加明显。

本发明提出一种水下航行体模型敷设含喇叭腔消声瓦后，进行收发合置目标强度计算的快速算法。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种敷设消声瓦目标的收发合置目标强度的快速算法，为水下航行体模型敷设含喇叭腔消声瓦后，进行收发合置目标强度计算的快速算法。

为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：

一种敷设消声瓦目标的收发合置目标强度的快速算法，包括步骤：

S1：建立消声瓦模型，根据敷设消声瓦的水下航行体壳体类型，选择消声瓦不同的结构厚度和背衬材料；对声波在不同入射角度和工作频率下进入消声瓦后发生的散射情况进行仿真；

S2：计算入射声压和总声压的比值，求得消声瓦不同角度和频率入射情况下的反射系数矩阵；

S3：利用三维建模软件COMSOL有限元建立三维水下航行体模型；

S4：将建好的三维水下航行体模型，对其表面进行三角形面网格剖分并导出网格单元信息；

S5：根据步骤S4导出的三角形面网格信息，通过板块元算法求得其散射声压，继而求得未敷设消声瓦时水下航行体模型的目标强度；

S6：对步骤S2求得的反射系数矩阵进行角度插值，再将插值后得到的反射系数矩阵和三角形面网格信息代入到板块元算法中，求得敷设消声瓦后水下航行体模型的散射声压，进而得到敷设消声瓦后水下航行体模型的目标强度。

进一步地，步骤S2中，消声瓦不同角度和频率入射情况下的反射系数R为：

其中，p

进一步地，步骤S4中，三角形面网格的尺寸满足条件z

板块元网格最大尺寸为

进一步地，步骤S5中，根据三角形面网格信息通过板块元算法求得其散射声压的过程为，

基于Kirchhoff公式计算散射声场为：

在模型表面满足刚性边界条件：

其中，φ

上式中，s是散射体表面，r

由以上可得散射声压P

其中，

此时，未敷瓦模型的目标强度TS为：

式中，R

进一步地，步骤S5中，插值后的反射系数矩阵计算过程为，

将步骤S2计算得到的反射系数导入到板块元算法中，此时的反射矩阵为频率和角度的矩阵，对其对角度进行插值：

/>

式中，n

取变量flag为s1和s2二者数据中正数的交集：

angle＝arccos(s1(flag))

此时的angle即为插值所用的角度，经插值之后即可获得角度步长更小的反射系数矩阵M′。

进一步地，步骤S5中，将求得的插值后的反射系数矩阵乘以散射声压，可得到在敷设消声瓦后水下航行体模型的散射声压：

P′

式中，M′为插值后的反射系数矩阵。

此时敷设消声瓦后模型的目标强度即为：

式中，R

进一步地，还包括步骤S7：将步骤S5和步骤S6计算得到的目标强度进行对比，观察敷瓦前后水下航行体模型的目标强度的数值变化，验证消声瓦结构的有效性和快速算法的正确性。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明的敷设消声瓦目标的收发合置目标强度的快速算法，基于Kifchhoff理论，通过有限元和板块元的结合使用，实现对敷瓦结构目标强度的快速计算。

本发明的计算速度相较于单一有限元而言具有明显优势，传统有限元在进行敷瓦计算时，不仅计算时间长，而且在较高频段的计算时受网格质量影响较大，进而无法保证计算精度。本发明的算法能够实现对敷瓦前后水下航行体模型目标强度的快速且精准地计算，不仅可以大幅度节约计算时间，且具有较高的计算精度。

附图说明

图1是本发明所述的敷设消声瓦目标的收发合置目标强度的快速算法流程图；

图2是耐压壳型消声瓦结构示意图；

图3是敷设所用含喇叭腔消声瓦结构及入射波示意图；

图4是水下航行体模型及入射波示意图；

图5是水下航行体模型参数示意图；

图6是不同方位角入射时含喇叭腔消声瓦的反射系数曲线图；

图7是光壳和敷设含喇叭腔消声瓦的水下航行体模型的收发合置目标强度角度-频率谱；

图8是不同频率下光壳和敷设含喇叭腔消声瓦的水下航行体模型的收发合置目标强度指向性图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

如图1所示，本发明所述的敷设消声瓦目标的收发合置目标强度的快速算法，包括如下步骤：

S1：利用仿真软件，建立耐压壳型消声瓦模型；将消声瓦结合相应水下航行体壳体的声学参数模型，根据所选择的敷设消声瓦的水下航行体壳体类型，选择消声瓦不同的结构厚度和背衬材料；并通过改变入射波方向，实现对不同入射角度和工作频率下的平面波进入消声瓦后发生的散射情况进行仿真；

如图2所示，本实施例中，选用耐压壳型消声瓦，消声瓦的边长为X＝60mm，橡胶层的厚度为H

如图3所示，敷设所用的含喇叭腔消声瓦，内部含有参数化锥形腔，锥形腔顶部和底部的半径分别为r

S2：在步骤S1中定义的入射面上通过计算散射声压(即总声压减去入射声压)和入射声压的比值，可求得消声瓦不同角度和频率入射情况下的反射系数M，即为：

其中，p

如图6所示，不同方位角入射时含喇叭腔消声瓦的反射系数曲线图。

S3：利用三维建模软件COMSOL有限元建立三维水下航行体模型；

如图4所示，声波入射方向规定为：沿着水下航行器艏部入射时定为0°入射，并在xoy平面内作绕z轴的旋转入射，得到周向目标强度指向性。

本实施例中，具体参数如图5所示，航行体长为62m，指挥台高度为5m，航行体高度为7.5m；

S4：将建好的三维水下航行体模型，利用COMSOL对其表面进行三角形面网格剖分并导出网格单元信息；

本实施例中，最小单元质量为0.0699，平均单元质量为0.8204，三角形网格数量为203704。

每个三角形面网格的尺寸满足条件z

板块元网格最大尺寸为：

其中，L为探测距离，λ为波长。

板块元三角形网格数量为：

其中，S为目标的表面积。

S5：根据步骤S4导出的三角形面网格模型，将其导入到Matlab中，通过板块元算法，求得其散射声压，继而求得未敷设消声瓦时水下航行体模型的目标强度；

板块元算法基于Kirchhoff公式，散射声场为：

在模型表面满足刚性边界条件：

其中，φ

上式中，s是散射体表面，r

由以上可得散射声压P

其中，

此时，未敷瓦模型的目标强度TS为：

式中，R

S6：对步骤S2求得的反射系数矩阵进行角度的插值，再将插值后得到的反射系数矩阵和三角形面网格信息代入到板块元算法中，求得敷设消声瓦后水下航行体模型的散射声压，进而得到敷设消声瓦后水下航行体模型的目标强度；

反射系数由步骤S2计算得到，将其导入到板块元算法中，此时的反射矩阵为频率和角度的矩阵，对其对角度进行插值。

/>

式中，n

取变量flag为s1和s2二者数据中正数的交集。

angle＝arccos(s1(flag))

此时的angle即为插值所用的角度，经插值之后即可获得角度步长更小的反射系数矩阵M′。

将求得的新反射系数矩阵乘以散射声压即可得到在敷设消声瓦后水下航行体模型的散射声压。

P′

式中，M′为插值后的反射系数矩阵。

此时敷设消声瓦后模型的目标强度即为：

式中，R

S7：将步骤S5和步骤S6计算得到的目标强度进行对比，观察敷瓦前后水下航行体模型的目标强度的数值变化，进而验证消声瓦结构的有效性和快速算法的正确性。

如图7所示，光壳和敷设含喇叭腔消声瓦的水下航行体模型的收发合置目标强度角度-频率谱；如图8所示，不同频率下光壳和敷设含喇叭腔消声瓦的水下航行体模型的收发合置目标强度指向性图。可知，在敷设消声瓦后降低水下航行体模型的目标强度，且该方法用时较短，计算结果较为准确，受网格精度影响较小，进而验证消声瓦结构的有效性和快速算法的正确性。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明的敷设消声瓦目标的收发合置目标强度的快速算法，基于Kirchhoff理论，通过有限元和板块元的结合使用，实现对敷瓦结构目标强度的快速计算。

本发明的计算速度相较于单一有限元而言具有明显优势，传统有限元在进行敷瓦计算时，不仅计算时间长，而且在较高频段的计算时受网格质量影响较大，进而无法保证计算精度。本发明的算法能够实现对敷瓦前后水下航行体模型目标强度的快速且精准地计算，不仅可以大幅度节约计算时间，且具有较高的计算精度。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。