基于COMSOL的主動式聲誘餌仿真系統(tǒng)
發(fā)布時間：2021-12-31 00:05
邊收邊發(fā)模式是現(xiàn)代化主動式聲誘餌智能化的重要標志之一,針對該模式下發(fā)射/接收聲場傳遞函數(shù)畸變以及發(fā)射串漏的問題,文中建立了一套基于COMSOL平臺的主動式聲誘餌陣元域信號仿真系統(tǒng),闡述了系統(tǒng)的架構(gòu)、模塊化的設計思想,設計了六大功能模塊:模型構(gòu)建模塊、聲學有限元模塊、海洋環(huán)境模塊、接收機模塊、發(fā)射機模塊和信號處理模塊;介紹了基于有限元方法與和板塊元方法的目標/被模擬目標的散射聲場傳遞函數(shù)仿真算法;提供了頻譜分析、時頻分析、包絡提取等信號處理功能;通過建立器材聲振耦合狀態(tài)下發(fā)射端-接收端聲場串漏反饋數(shù)學模型,模擬邊收邊發(fā)工作模式下聲誘餌接收機輸入電壓與發(fā)射機輸出電壓之間傳遞函數(shù)。系統(tǒng)通過COMSOL Server部署在集群計算機上,相比現(xiàn)有邊收邊發(fā)技術的研究,考慮了器材自身聲振耦合作用的影響,仿真了以陣元時域信號為呈現(xiàn)結(jié)果的完整誘餌工作過程,將具體的代碼實現(xiàn)后臺化,交互界面簡單易操作,模塊間通過共享文件通信,具有通用性和可擴展性。經(jīng)多次運行,系統(tǒng)性能穩(wěn)定,計算速度快。通過對比經(jīng)典球型電子艙模型仿真結(jié)果與理論解,驗證了系統(tǒng)精度。文中所述系統(tǒng)可為邊收邊發(fā)工作模式下主動式聲誘餌的設計與部署提供參...
【文章來源】：水下無人系統(tǒng)學報. 2020,28(05)北大核心
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
圖2串漏反饋模型Fig.2Modelofcross-leakfeedback
通過作業(yè)配置調(diào)度程序PBS(portablebatchsystem)實現(xiàn)仿真計算程序的協(xié)同處理。2.1.2集群軟件配置各節(jié)點安裝的操作系統(tǒng)為Linux,其中節(jié)點1為主節(jié)點,安裝的軟件為COMSOLServer5.3a。COMSOLServer是由COMSOL公司開發(fā)的專業(yè)平臺[20],用于部署和運行已構(gòu)建好的仿真模塊,界面內(nèi)置多種管理工具,可以管理已上傳APP的訪問權限、用戶帳戶、用戶組以及多處理器的使用情況等。通過COMSOLServer內(nèi)置的集群計算技術部署各模塊,使其能夠在集群架構(gòu)中運行。系統(tǒng)主界面如圖4所示。圖4系統(tǒng)主界面Fig.4Mainsysteminterface2.1.3模塊開發(fā)方法各模塊均采用COMSOLMultiphysics內(nèi)置的APP開發(fā)器進行開發(fā)。APP開發(fā)器不僅可以通過運行方法對有限元仿真進行控制,還支持嵌入算法、定制APP的界面、控制輸入和輸出等操作。該系統(tǒng)使用Java語言在APP開發(fā)器中實現(xiàn)。首先,將常用的數(shù)據(jù)處理算法如插值函數(shù)、快速傅立葉變換等采用面向?qū)ο蟮姆绞椒庋b成應用程序接口(applicationprogramminginterface,API),然后在方法中進行API調(diào)用,最后設計界面。通過按鈕關聯(lián)方法,得到具有特定功能的模塊,各模塊通過維護公共的文件進行信息傳遞。2.2參數(shù)設計與界面顯示1)海洋環(huán)境模塊具體設置如圖5所示。左側(cè)為海洋環(huán)境參數(shù)設置部分,包含主動聲吶發(fā)射信號、發(fā)射指向性、海洋噪聲譜以及信道參數(shù)等;右側(cè)為圖形展示部分,結(jié)果圖分別為主動聲吶發(fā)射信號、海洋環(huán)境噪聲信號和海洋混響信號。2)聲學有限元模塊具體設置如圖6所示。左側(cè)為參數(shù)設置部分,主要包含導入電子艙計算模型,發(fā)射接收陣陣元類型、?
2020年10月唐麗媛,等:基于COMSOL的主動式聲誘餌仿真系統(tǒng)第5期水下無人系統(tǒng)學報www.yljszz.cn559圖5海洋環(huán)境模塊Fig.5Marineenvironmentmodule圖6聲學有限元模塊Fig.6Acousticfiniteelementmodule慮電子艙時的接收傳遞函數(shù)、發(fā)射傳遞函數(shù)和串漏傳遞函數(shù)的結(jié)果。3)接收機模塊具體設置如圖7所示。左側(cè)參數(shù)設置包含接收機增益、濾波器設置、傅里葉點數(shù)以及相關共享文件名;右側(cè)圖形展示部分分別為濾波器頻譜和接收陣輸出電壓信號。圖7接收機模塊Fig.7Receivermodule4)發(fā)射機模塊具體設置如圖8所示。左側(cè)參數(shù)設置包含發(fā)射機增益、卷積函數(shù)文件導入以及相關共享文件名;右側(cè)為圖形展示部分,第1行分別為轉(zhuǎn)發(fā)信號時域和頻域圖,第2行分別為存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式和實時轉(zhuǎn)發(fā)模式主動聲吶接收信號。圖8發(fā)射機模塊Fig.8Transmittermodule5)信號處理模塊具體設置如圖9所示。左側(cè)參數(shù)設置包含待分析信號k(t)、參考信號s(t)和待計算潛艇模型文件,并設置相關配置文件;右側(cè)第1列圖分別為待分析信號、參考信號和分析信號時域波形,第2列分別為時頻分析、包絡檢測和匹配濾波結(jié)果,第3列分別為被模擬目標模型、目標強度和模擬回波。圖9信號處理模塊Fig.9Signalprocessingmodule2.3精度與性能測試2.3.1精度測試計算考慮誘餌電子艙散射對接收/轉(zhuǎn)發(fā)聲場影響的傳遞函數(shù)是該系統(tǒng)的關鍵。球殼和有限長柱殼均具有解析解,但對于有限長柱殼仿真時需要增加無限長的障板,無法計算軸向聲場,因此該部分采用具有理論解的球殼電子艙進行驗證。應用彈性理論推導點源激勵下球殼散射聲場在柱坐標系下可表示
【參考文獻】：
期刊論文
[1]聲誘餌簡化模型隔離度數(shù)值仿真計算[J]. 徐盛瀛,劉雨東. 聲學與電子工程. 2019(04)
[2]聲障板對圓柱換能器軸向波束抑制技術研究[J]. 王敏慧,胡健輝,王艷. 聲學技術. 2019(04)
[3]基于邊收邊發(fā)技術的聲隔離度研究[J]. 吳培榮. 聲學技術. 2013(04)
[4]聲吶目標回聲特性預報的板塊元方法[J]. 范軍,湯渭霖,卓琳凱. 船舶力學. 2012(Z1)
[5]現(xiàn)代水聲對抗裝備發(fā)展及其對海戰(zhàn)的影響[J]. 李本昌,劉春躍,鄭援. 魚雷技術. 2011(06)
[6]懸浮式矢量邊發(fā)、邊收聲誘餌關鍵技術[J]. 王自娟,惠俊英,余赟,何文翔. 聲學技術. 2010(03)
[7]潛艇水聲對抗及水聲對抗器材的應用[J]. 汪偉,李本昌,羅笛. 指揮控制與仿真. 2008(05)
[8]聲誘餌仿真試驗系統(tǒng)[J]. 苑秉成,陳喜,周徐昌,張振山. 應用聲學. 2003(04)
[9]水聲對抗系統(tǒng)中聲誘餌仿真研究[J]. 孫仲阜. 聲學技術. 2003(02)
[10]基于聲誘餌仿真系統(tǒng)的水聲對抗仿真系統(tǒng)研究[J]. 董陽澤,羅修波,劉平香,姚藍. 艦船電子工程. 2003(01)
博士論文
[1]海底聲散射強度測量方法及不規(guī)則海域混響特性研究[D]. 張明輝.哈爾濱工程大學 2011
[2]聲誘餌仿真評估系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)[D]. 董陽澤.西北工業(yè)大學 2002
碩士論文
[1]基于有限元原理的彈性目標聲散射計算[D]. 盧笛.哈爾濱工程大學 2014
[2]智能聲誘餌第一類邊發(fā)邊收方案及信號處理技術研究[D]. 王守義.哈爾濱工程大學 2009
本文編號：3559230
【文章來源】：水下無人系統(tǒng)學報. 2020,28(05)北大核心
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
圖2串漏反饋模型Fig.2Modelofcross-leakfeedback
通過作業(yè)配置調(diào)度程序PBS(portablebatchsystem)實現(xiàn)仿真計算程序的協(xié)同處理。2.1.2集群軟件配置各節(jié)點安裝的操作系統(tǒng)為Linux,其中節(jié)點1為主節(jié)點,安裝的軟件為COMSOLServer5.3a。COMSOLServer是由COMSOL公司開發(fā)的專業(yè)平臺[20],用于部署和運行已構(gòu)建好的仿真模塊,界面內(nèi)置多種管理工具,可以管理已上傳APP的訪問權限、用戶帳戶、用戶組以及多處理器的使用情況等。通過COMSOLServer內(nèi)置的集群計算技術部署各模塊,使其能夠在集群架構(gòu)中運行。系統(tǒng)主界面如圖4所示。圖4系統(tǒng)主界面Fig.4Mainsysteminterface2.1.3模塊開發(fā)方法各模塊均采用COMSOLMultiphysics內(nèi)置的APP開發(fā)器進行開發(fā)。APP開發(fā)器不僅可以通過運行方法對有限元仿真進行控制,還支持嵌入算法、定制APP的界面、控制輸入和輸出等操作。該系統(tǒng)使用Java語言在APP開發(fā)器中實現(xiàn)。首先,將常用的數(shù)據(jù)處理算法如插值函數(shù)、快速傅立葉變換等采用面向?qū)ο蟮姆绞椒庋b成應用程序接口(applicationprogramminginterface,API),然后在方法中進行API調(diào)用,最后設計界面。通過按鈕關聯(lián)方法,得到具有特定功能的模塊,各模塊通過維護公共的文件進行信息傳遞。2.2參數(shù)設計與界面顯示1)海洋環(huán)境模塊具體設置如圖5所示。左側(cè)為海洋環(huán)境參數(shù)設置部分,包含主動聲吶發(fā)射信號、發(fā)射指向性、海洋噪聲譜以及信道參數(shù)等;右側(cè)為圖形展示部分,結(jié)果圖分別為主動聲吶發(fā)射信號、海洋環(huán)境噪聲信號和海洋混響信號。2)聲學有限元模塊具體設置如圖6所示。左側(cè)為參數(shù)設置部分,主要包含導入電子艙計算模型,發(fā)射接收陣陣元類型、?
2020年10月唐麗媛,等:基于COMSOL的主動式聲誘餌仿真系統(tǒng)第5期水下無人系統(tǒng)學報www.yljszz.cn559圖5海洋環(huán)境模塊Fig.5Marineenvironmentmodule圖6聲學有限元模塊Fig.6Acousticfiniteelementmodule慮電子艙時的接收傳遞函數(shù)、發(fā)射傳遞函數(shù)和串漏傳遞函數(shù)的結(jié)果。3)接收機模塊具體設置如圖7所示。左側(cè)參數(shù)設置包含接收機增益、濾波器設置、傅里葉點數(shù)以及相關共享文件名;右側(cè)圖形展示部分分別為濾波器頻譜和接收陣輸出電壓信號。圖7接收機模塊Fig.7Receivermodule4)發(fā)射機模塊具體設置如圖8所示。左側(cè)參數(shù)設置包含發(fā)射機增益、卷積函數(shù)文件導入以及相關共享文件名;右側(cè)為圖形展示部分,第1行分別為轉(zhuǎn)發(fā)信號時域和頻域圖,第2行分別為存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式和實時轉(zhuǎn)發(fā)模式主動聲吶接收信號。圖8發(fā)射機模塊Fig.8Transmittermodule5)信號處理模塊具體設置如圖9所示。左側(cè)參數(shù)設置包含待分析信號k(t)、參考信號s(t)和待計算潛艇模型文件,并設置相關配置文件;右側(cè)第1列圖分別為待分析信號、參考信號和分析信號時域波形,第2列分別為時頻分析、包絡檢測和匹配濾波結(jié)果,第3列分別為被模擬目標模型、目標強度和模擬回波。圖9信號處理模塊Fig.9Signalprocessingmodule2.3精度與性能測試2.3.1精度測試計算考慮誘餌電子艙散射對接收/轉(zhuǎn)發(fā)聲場影響的傳遞函數(shù)是該系統(tǒng)的關鍵。球殼和有限長柱殼均具有解析解,但對于有限長柱殼仿真時需要增加無限長的障板,無法計算軸向聲場,因此該部分采用具有理論解的球殼電子艙進行驗證。應用彈性理論推導點源激勵下球殼散射聲場在柱坐標系下可表示
【參考文獻】：
期刊論文
[1]聲誘餌簡化模型隔離度數(shù)值仿真計算[J]. 徐盛瀛,劉雨東. 聲學與電子工程. 2019(04)
[2]聲障板對圓柱換能器軸向波束抑制技術研究[J]. 王敏慧,胡健輝,王艷. 聲學技術. 2019(04)
[3]基于邊收邊發(fā)技術的聲隔離度研究[J]. 吳培榮. 聲學技術. 2013(04)
[4]聲吶目標回聲特性預報的板塊元方法[J]. 范軍,湯渭霖,卓琳凱. 船舶力學. 2012(Z1)
[5]現(xiàn)代水聲對抗裝備發(fā)展及其對海戰(zhàn)的影響[J]. 李本昌,劉春躍,鄭援. 魚雷技術. 2011(06)
[6]懸浮式矢量邊發(fā)、邊收聲誘餌關鍵技術[J]. 王自娟,惠俊英,余赟,何文翔. 聲學技術. 2010(03)
[7]潛艇水聲對抗及水聲對抗器材的應用[J]. 汪偉,李本昌,羅笛. 指揮控制與仿真. 2008(05)
[8]聲誘餌仿真試驗系統(tǒng)[J]. 苑秉成,陳喜,周徐昌,張振山. 應用聲學. 2003(04)
[9]水聲對抗系統(tǒng)中聲誘餌仿真研究[J]. 孫仲阜. 聲學技術. 2003(02)
[10]基于聲誘餌仿真系統(tǒng)的水聲對抗仿真系統(tǒng)研究[J]. 董陽澤,羅修波,劉平香,姚藍. 艦船電子工程. 2003(01)
博士論文
[1]海底聲散射強度測量方法及不規(guī)則海域混響特性研究[D]. 張明輝.哈爾濱工程大學 2011
[2]聲誘餌仿真評估系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)[D]. 董陽澤.西北工業(yè)大學 2002
碩士論文
[1]基于有限元原理的彈性目標聲散射計算[D]. 盧笛.哈爾濱工程大學 2014
[2]智能聲誘餌第一類邊發(fā)邊收方案及信號處理技術研究[D]. 王守義.哈爾濱工程大學 2009
本文編號：3559230
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