基于COMSOL的主动式声诱饵仿真系统
发布时间：2021-12-31 00:05
边收边发模式是现代化主动式声诱饵智能化的重要标志之一,针对该模式下发射/接收声场传递函数畸变以及发射串漏的问题,文中建立了一套基于COMSOL平台的主动式声诱饵阵元域信号仿真系统,阐述了系统的架构、模块化的设计思想,设计了六大功能模块:模型构建模块、声学有限元模块、海洋环境模块、接收机模块、发射机模块和信号处理模块;介绍了基于有限元方法与和板块元方法的目标/被模拟目标的散射声场传递函数仿真算法;提供了频谱分析、时频分析、包络提取等信号处理功能;通过建立器材声振耦合状态下发射端-接收端声场串漏反馈数学模型,模拟边收边发工作模式下声诱饵接收机输入电压与发射机输出电压之间传递函数。系统通过COMSOL Server部署在集群计算机上,相比现有边收边发技术的研究,考虑了器材自身声振耦合作用的影响,仿真了以阵元时域信号为呈现结果的完整诱饵工作过程,将具体的代码实现后台化,交互界面简单易操作,模块间通过共享文件通信,具有通用性和可扩展性。经多次运行,系统性能稳定,计算速度快。通过对比经典球型电子舱模型仿真结果与理论解,验证了系统精度。文中所述系统可为边收边发工作模式下主动式声诱饵的设计与部署提供参...
【文章来源】：水下无人系统学报. 2020,28(05)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图2串漏反馈模型Fig.2Modelofcross-leakfeedback
通过作业配置调度程序PBS(portablebatchsystem)实现仿真计算程序的协同处理。2.1.2集群软件配置各节点安装的操作系统为Linux,其中节点1为主节点,安装的软件为COMSOLServer5.3a。COMSOLServer是由COMSOL公司开发的专业平台[20],用于部署和运行已构建好的仿真模块,界面内置多种管理工具,可以管理已上传APP的访问权限、用户帐户、用户组以及多处理器的使用情况等。通过COMSOLServer内置的集群计算技术部署各模块,使其能够在集群架构中运行。系统主界面如图4所示。图4系统主界面Fig.4Mainsysteminterface2.1.3模块开发方法各模块均采用COMSOLMultiphysics内置的APP开发器进行开发。APP开发器不仅可以通过运行方法对有限元仿真进行控制,还支持嵌入算法、定制APP的界面、控制输入和输出等操作。该系统使用Java语言在APP开发器中实现。首先,将常用的数据处理算法如插值函数、快速傅立叶变换等采用面向对象的方式封装成应用程序接口(applicationprogramminginterface,API),然后在方法中进行API调用,最后设计界面。通过按钮关联方法,得到具有特定功能的模块,各模块通过维护公共的文件进行信息传递。2.2参数设计与界面显示1)海洋环境模块具体设置如图5所示。左侧为海洋环境参数设置部分,包含主动声呐发射信号、发射指向性、海洋噪声谱以及信道参数等;右侧为图形展示部分,结果图分别为主动声呐发射信号、海洋环境噪声信号和海洋混响信号。2)声学有限元模块具体设置如图6所示。左侧为参数设置部分,主要包含导入电子舱计算模型,发射接收阵阵元类型、?
2020年10月唐丽媛,等:基于COMSOL的主动式声诱饵仿真系统第5期水下无人系统学报www.yljszz.cn559图5海洋环境模块Fig.5Marineenvironmentmodule图6声学有限元模块Fig.6Acousticfiniteelementmodule虑电子舱时的接收传递函数、发射传递函数和串漏传递函数的结果。3)接收机模块具体设置如图7所示。左侧参数设置包含接收机增益、滤波器设置、傅里叶点数以及相关共享文件名;右侧图形展示部分分别为滤波器频谱和接收阵输出电压信号。图7接收机模块Fig.7Receivermodule4)发射机模块具体设置如图8所示。左侧参数设置包含发射机增益、卷积函数文件导入以及相关共享文件名;右侧为图形展示部分,第1行分别为转发信号时域和频域图,第2行分别为存储转发模式和实时转发模式主动声呐接收信号。图8发射机模块Fig.8Transmittermodule5)信号处理模块具体设置如图9所示。左侧参数设置包含待分析信号k(t)、参考信号s(t)和待计算潜艇模型文件,并设置相关配置文件;右侧第1列图分别为待分析信号、参考信号和分析信号时域波形,第2列分别为时频分析、包络检测和匹配滤波结果,第3列分别为被模拟目标模型、目标强度和模拟回波。图9信号处理模块Fig.9Signalprocessingmodule2.3精度与性能测试2.3.1精度测试计算考虑诱饵电子舱散射对接收/转发声场影响的传递函数是该系统的关键。球壳和有限长柱壳均具有解析解,但对于有限长柱壳仿真时需要增加无限长的障板,无法计算轴向声场,因此该部分采用具有理论解的球壳电子舱进行验证。应用弹性理论推导点源激励下球壳散射声场在柱坐标系下可表示
【参考文献】：
期刊论文
[1]声诱饵简化模型隔离度数值仿真计算[J]. 徐盛瀛,刘雨东. 声学与电子工程. 2019(04)
[2]声障板对圆柱换能器轴向波束抑制技术研究[J]. 王敏慧,胡健辉,王艳. 声学技术. 2019(04)
[3]基于边收边发技术的声隔离度研究[J]. 吴培荣. 声学技术. 2013(04)
[4]声呐目标回声特性预报的板块元方法[J]. 范军,汤渭霖,卓琳凯. 船舶力学. 2012(Z1)
[5]现代水声对抗装备发展及其对海战的影响[J]. 李本昌,刘春跃,郑援. 鱼雷技术. 2011(06)
[6]悬浮式矢量边发、边收声诱饵关键技术[J]. 王自娟,惠俊英,余赟,何文翔. 声学技术. 2010(03)
[7]潜艇水声对抗及水声对抗器材的应用[J]. 汪伟,李本昌,罗笛. 指挥控制与仿真. 2008(05)
[8]声诱饵仿真试验系统[J]. 苑秉成,陈喜,周徐昌,张振山. 应用声学. 2003(04)
[9]水声对抗系统中声诱饵仿真研究[J]. 孙仲阜. 声学技术. 2003(02)
[10]基于声诱饵仿真系统的水声对抗仿真系统研究[J]. 董阳泽,罗修波,刘平香,姚蓝. 舰船电子工程. 2003(01)
博士论文
[1]海底声散射强度测量方法及不规则海域混响特性研究[D]. 张明辉.哈尔滨工程大学 2011
[2]声诱饵仿真评估系统的研究和实现[D]. 董阳泽.西北工业大学 2002
硕士论文
[1]基于有限元原理的弹性目标声散射计算[D]. 卢笛.哈尔滨工程大学 2014
[2]智能声诱饵第一类边发边收方案及信号处理技术研究[D]. 王守义.哈尔滨工程大学 2009
本文编号：3559230
【文章来源】：水下无人系统学报. 2020,28(05)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图2串漏反馈模型Fig.2Modelofcross-leakfeedback
通过作业配置调度程序PBS(portablebatchsystem)实现仿真计算程序的协同处理。2.1.2集群软件配置各节点安装的操作系统为Linux,其中节点1为主节点,安装的软件为COMSOLServer5.3a。COMSOLServer是由COMSOL公司开发的专业平台[20],用于部署和运行已构建好的仿真模块,界面内置多种管理工具,可以管理已上传APP的访问权限、用户帐户、用户组以及多处理器的使用情况等。通过COMSOLServer内置的集群计算技术部署各模块,使其能够在集群架构中运行。系统主界面如图4所示。图4系统主界面Fig.4Mainsysteminterface2.1.3模块开发方法各模块均采用COMSOLMultiphysics内置的APP开发器进行开发。APP开发器不仅可以通过运行方法对有限元仿真进行控制,还支持嵌入算法、定制APP的界面、控制输入和输出等操作。该系统使用Java语言在APP开发器中实现。首先,将常用的数据处理算法如插值函数、快速傅立叶变换等采用面向对象的方式封装成应用程序接口(applicationprogramminginterface,API),然后在方法中进行API调用,最后设计界面。通过按钮关联方法,得到具有特定功能的模块,各模块通过维护公共的文件进行信息传递。2.2参数设计与界面显示1)海洋环境模块具体设置如图5所示。左侧为海洋环境参数设置部分,包含主动声呐发射信号、发射指向性、海洋噪声谱以及信道参数等;右侧为图形展示部分,结果图分别为主动声呐发射信号、海洋环境噪声信号和海洋混响信号。2)声学有限元模块具体设置如图6所示。左侧为参数设置部分,主要包含导入电子舱计算模型,发射接收阵阵元类型、?
2020年10月唐丽媛,等:基于COMSOL的主动式声诱饵仿真系统第5期水下无人系统学报www.yljszz.cn559图5海洋环境模块Fig.5Marineenvironmentmodule图6声学有限元模块Fig.6Acousticfiniteelementmodule虑电子舱时的接收传递函数、发射传递函数和串漏传递函数的结果。3)接收机模块具体设置如图7所示。左侧参数设置包含接收机增益、滤波器设置、傅里叶点数以及相关共享文件名;右侧图形展示部分分别为滤波器频谱和接收阵输出电压信号。图7接收机模块Fig.7Receivermodule4)发射机模块具体设置如图8所示。左侧参数设置包含发射机增益、卷积函数文件导入以及相关共享文件名;右侧为图形展示部分,第1行分别为转发信号时域和频域图,第2行分别为存储转发模式和实时转发模式主动声呐接收信号。图8发射机模块Fig.8Transmittermodule5)信号处理模块具体设置如图9所示。左侧参数设置包含待分析信号k(t)、参考信号s(t)和待计算潜艇模型文件,并设置相关配置文件;右侧第1列图分别为待分析信号、参考信号和分析信号时域波形,第2列分别为时频分析、包络检测和匹配滤波结果,第3列分别为被模拟目标模型、目标强度和模拟回波。图9信号处理模块Fig.9Signalprocessingmodule2.3精度与性能测试2.3.1精度测试计算考虑诱饵电子舱散射对接收/转发声场影响的传递函数是该系统的关键。球壳和有限长柱壳均具有解析解,但对于有限长柱壳仿真时需要增加无限长的障板,无法计算轴向声场,因此该部分采用具有理论解的球壳电子舱进行验证。应用弹性理论推导点源激励下球壳散射声场在柱坐标系下可表示
【参考文献】：
期刊论文
[1]声诱饵简化模型隔离度数值仿真计算[J]. 徐盛瀛,刘雨东. 声学与电子工程. 2019(04)
[2]声障板对圆柱换能器轴向波束抑制技术研究[J]. 王敏慧,胡健辉,王艳. 声学技术. 2019(04)
[3]基于边收边发技术的声隔离度研究[J]. 吴培荣. 声学技术. 2013(04)
[4]声呐目标回声特性预报的板块元方法[J]. 范军,汤渭霖,卓琳凯. 船舶力学. 2012(Z1)
[5]现代水声对抗装备发展及其对海战的影响[J]. 李本昌,刘春跃,郑援. 鱼雷技术. 2011(06)
[6]悬浮式矢量边发、边收声诱饵关键技术[J]. 王自娟,惠俊英,余赟,何文翔. 声学技术. 2010(03)
[7]潜艇水声对抗及水声对抗器材的应用[J]. 汪伟,李本昌,罗笛. 指挥控制与仿真. 2008(05)
[8]声诱饵仿真试验系统[J]. 苑秉成,陈喜,周徐昌,张振山. 应用声学. 2003(04)
[9]水声对抗系统中声诱饵仿真研究[J]. 孙仲阜. 声学技术. 2003(02)
[10]基于声诱饵仿真系统的水声对抗仿真系统研究[J]. 董阳泽,罗修波,刘平香,姚蓝. 舰船电子工程. 2003(01)
博士论文
[1]海底声散射强度测量方法及不规则海域混响特性研究[D]. 张明辉.哈尔滨工程大学 2011
[2]声诱饵仿真评估系统的研究和实现[D]. 董阳泽.西北工业大学 2002
硕士论文
[1]基于有限元原理的弹性目标声散射计算[D]. 卢笛.哈尔滨工程大学 2014
[2]智能声诱饵第一类边发边收方案及信号处理技术研究[D]. 王守义.哈尔滨工程大学 2009
本文编号：3559230
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