水下爆炸信號(hào)的定位研究

王曉瑤，張國軍，關(guān)凌綱，王盼盼，張文棟

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

水下爆炸信號(hào)的定位研究

王曉瑤1,2，張國軍1,2，關(guān)凌綱1，王盼盼1，張文棟1,2

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

被動(dòng)聲納中，目標(biāo)定位的測定只能利用目標(biāo)聲源發(fā)出的信號(hào)或噪聲，爆炸聲源與常用的電聲式脈沖聲納發(fā)射器比較起來，具有某些明顯的優(yōu)點(diǎn)，可代替發(fā)射換能器來實(shí)現(xiàn)距離和方位的測定。針對(duì)水下爆炸聲源，采用三元標(biāo)量陣進(jìn)行研究，通過確定信號(hào)到達(dá)各個(gè)陣元的時(shí)延信息來測定其目標(biāo)方位和距離，并利用內(nèi)插方法提高定位精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同位置處爆炸信號(hào)的測向和測距誤差小、精度高，方位估計(jì)基本正確，從而驗(yàn)證了被動(dòng)聲納中水下爆炸信號(hào)作為聲源的可行性，及三元陣時(shí)延測距的準(zhǔn)確性。

水下爆炸信號(hào)；互相關(guān)時(shí)延估計(jì)；被動(dòng)定位

聲納系統(tǒng)的主要任務(wù)之一是在測向的同時(shí)完成對(duì)目標(biāo)距離的測定。在主動(dòng)聲納中，測定目標(biāo)的距離要利用目標(biāo)的回波或應(yīng)答信號(hào)，而在被動(dòng)聲納中，目標(biāo)距離的測定只能利用目標(biāo)聲源發(fā)出的信號(hào)或噪聲[1]。爆炸聲源與常用的電聲式脈沖聲納發(fā)射器比較起來，具有某些明顯的優(yōu)點(diǎn)，爆炸聲不需要用電纜連接，可以方便地投擲并在指定的任意深度上爆炸。爆炸能產(chǎn)生大功率、寬頻帶的短脈沖，當(dāng)需要高的距離分辨率時(shí)，它是很有用的。爆炸聲是無指向性的，因此不存在把足夠的聲能用波束形成的方法聚集到目標(biāo)方向上的問題[2]?；谶@些特性，在被動(dòng)聲納探測中可用水下爆炸信號(hào)代替發(fā)射換能器作為聲源來實(shí)現(xiàn)距離和方位的測定。

為研究水下爆炸信號(hào)作為聲源實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位的可行性，采用三元標(biāo)量陣采集不同位置的水下爆炸信號(hào)，通過互相關(guān)時(shí)延估計(jì)和內(nèi)插方法得到爆炸信號(hào)的方位角和距離，其測向和測距誤差小、精度高。室外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了被動(dòng)聲納中水下爆炸信號(hào)作為聲源的可行性及三元陣定位的準(zhǔn)確性。

圖1 三元陣測距模型

1 三元陣測距模型

三元陣測距是利用三個(gè)水聽器等間距布放在一條直線上，原理如圖1所示[3]。

圖1中，S為聲源，1、2、3分別表示被動(dòng)聲納的三個(gè)陣元。設(shè)陣元間距為d，目標(biāo)方位為θ，目標(biāo)到各陣元的距離分別為 r1，r2，r3，則目標(biāo)到三個(gè)陣元的距離為：

設(shè)聲速為c，則目標(biāo)信號(hào)到達(dá)各個(gè)陣元的時(shí)延差分別為：

由式(3)和式(4)可得到目標(biāo)方位和距離的精確公式分別為：

若假定目標(biāo)在遠(yuǎn)場，d＜＜r，接收的聲波可近似為平面波[4]。對(duì)式(3)及式(4)右側(cè)進(jìn)行泰勒展開，取二階近似，即保留1/r2項(xiàng)，則可得到目標(biāo)方位和距離的近似公式為：

2 互相關(guān)時(shí)延估計(jì)

實(shí)現(xiàn)被動(dòng)測距的關(guān)鍵在于時(shí)延值ε的估計(jì)。互相關(guān)時(shí)延估計(jì)為目前噪聲測距聲吶常用的方法[5]，該方法主要利用了兩信號(hào)時(shí)延差與其相關(guān)函數(shù)峰值位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系：即時(shí)延差估計(jì)值就是使互相關(guān)函數(shù)出現(xiàn)峰值的橫坐標(biāo)值。它的基本原理是利用信號(hào)與干擾的統(tǒng)計(jì)特性(相關(guān)特性)差異來提高系統(tǒng)輸出信噪比，設(shè)兩陣元1和2的接收信號(hào)模型分別為[6]：

式中：s（t）是目標(biāo)輻射的噪聲，設(shè)其是平穩(wěn)的；x1（t）和x2（t）為兩陣元的接收信號(hào)；為兩路接收信號(hào)間的相對(duì)時(shí)延；n1（t）、n2（t）是相互獨(dú)立、平穩(wěn)、均值為零的噪聲，且與 s（t）不相關(guān)，則x1和x2的互相關(guān)函數(shù)為：

式中：Rss（-）是源信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)，由自相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)可知：

在實(shí)際的數(shù)字處理，由于采樣間隔量化、噪聲干擾等各種因素，最高峰值對(duì)應(yīng)的不一定就是要求的時(shí)間差，可以在相關(guān)峰值附近取點(diǎn)通過內(nèi)插[7]等方法求出相關(guān)峰的準(zhǔn)確位置，從而得到所對(duì)應(yīng)的精確時(shí)延。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證水下爆炸信號(hào)的測距方法，課題組在太原汾河水庫進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用的是三元線陣，由三個(gè)標(biāo)量水聽器組成，各陣元間距為0.375 m，標(biāo)量陣分布示意圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中電磁羅經(jīng)固定在標(biāo)量水聽器支架上，用來實(shí)時(shí)監(jiān)視水聽器自身姿態(tài)，保持基陣水平，羅經(jīng)所測方向?yàn)闃?biāo)量傳感器X軸正向與正北方向夾角，吊深為水下4 m，采樣頻率設(shè)置為20 kHz。

圖2 三元標(biāo)量陣分布圖

本實(shí)驗(yàn)利用炮聲模擬水下爆炸聲信號(hào)，聲采集卡同時(shí)采集三個(gè)水聽器的信號(hào)。以1號(hào)水聽器為參考，分別進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)：

圖3 炮聲1的信號(hào)及相關(guān)性

（1）在距標(biāo)量陣5 m左右、方位38°的位置處用炮聲1模擬爆炸信號(hào)（圖3）。圖3（a）為三路水聽器采集到的炮聲信號(hào)，由圖可知，炮聲信號(hào)的波形特征主要表現(xiàn)為幅值呈跳躍式陡峭上升，然后又迅速按指數(shù)規(guī)律下降，整個(gè)作用過程只有5 ms，符合爆炸信號(hào)的主要特征，可以作為水下聲源進(jìn)行定位研究。三個(gè)水聽器采集到的信號(hào)為有延時(shí)的信號(hào)，故可利用時(shí)延估計(jì)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，但其估計(jì)精度不高，為了提高分辨率，采用內(nèi)插算法，得到各水聽器的相關(guān)性如圖3（b）所示；

（2）在距標(biāo)量陣10 m左右、方位70°的位置處用炮聲2模擬爆炸信號(hào)（圖4）。圖4（a）為三路水聽器采集到的炮聲信號(hào)，圖4（b）為利用內(nèi)插算法后各水聽器的相關(guān)性；

（3）在距標(biāo)量陣12 m左右、方位90°的位置處用炮聲3模擬爆炸信號(hào)（圖5）。圖5（a）為三路水聽器采集到的炮聲信號(hào)，圖5（b）為利用內(nèi)插算法后各水聽器的互相關(guān)系數(shù)。

圖4 炮聲2的信號(hào)及相關(guān)性

不同炮聲下各水聽器間的互相關(guān)系數(shù)及延時(shí)值如表1所示。

表1 不同炮聲下水聽器的參數(shù)對(duì)比

由圖3～圖5和表1可知，利用內(nèi)插方法可以求出相關(guān)峰的準(zhǔn)確位置，即各水聽器互相關(guān)系數(shù)的準(zhǔn)確值，從而得到所對(duì)應(yīng)的時(shí)延值。根據(jù)上述時(shí)延估計(jì)原理，得到不同位置處炮聲作為聲源時(shí)所對(duì)應(yīng)的方位角和距離，如表2所示。

表2 不同位置炮聲的定位結(jié)果對(duì)比

由表2可知，利用時(shí)延估計(jì)和內(nèi)插方法對(duì)爆炸信號(hào)進(jìn)行定位研究時(shí)，時(shí)延估計(jì)精度較高，故對(duì)炮聲的測向和測距誤差都較小，其定位誤差曲線及擬合曲線如圖6所示。由圖可知，不同位置炮聲的最大測向誤差為0.838 1°，最大測距誤差為0.826 8 m，可知該標(biāo)量陣對(duì)炮聲的方位估計(jì)基本正確，且有較高的定向精度和可靠的穩(wěn)定性。

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，炮聲模擬水下爆炸聲信號(hào)時(shí)，利用三元陣的時(shí)延估計(jì)和內(nèi)插方法可以得到較高精度的時(shí)延值，從而確定炮聲的具體位置，且測向和測距的誤差小、精度高，滿足誤差要求。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了水下爆炸信號(hào)定位方法的可行性和準(zhǔn)確性，在被動(dòng)測距中，可以利用水下爆炸信號(hào)作為聲源來進(jìn)行定位研究，為被動(dòng)聲納探測的研究奠定了基礎(chǔ)。

圖6 定位誤差曲線及擬合曲線

4 結(jié)束語

本文利用三元陣接收到的水下爆炸信號(hào)（炮聲）來進(jìn)行目標(biāo)定位研究，通過確定信號(hào)到達(dá)各個(gè)陣元的時(shí)延信息來測定目標(biāo)方位和距離。利用內(nèi)插方法可以得到較高精度的時(shí)延值，從而確定爆炸信號(hào)的具體位置。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，不同位置處爆炸信號(hào)的測向和測距誤差小、精度高，方位估計(jì)基本正確。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了被動(dòng)聲納中水下爆炸信號(hào)作為聲源的可行性及三元陣定位的準(zhǔn)確性，為以后被動(dòng)聲納的測距研究奠定了理論基礎(chǔ)。

[1]羅丹.噪聲目標(biāo)廣義互相關(guān)被動(dòng)測距研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2006.

[2]R J尤立克.水聲原理[M].哈爾濱:哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社,1990:67-75.

[3]宋新見,惠俊英,殷冬梅,等.水下噪聲目標(biāo)被動(dòng)測距技術(shù)研究[J].應(yīng)用聲學(xué),2005,24(3):134-135.

[4]Kirlin R L，Dewey L A.Optimal delay estimation in a multiple sensor array having spatially correlated noise[J].IEEE trans on ASSP.1985,33:1387-1396.

[5]Knapp C H，Cater G C.The generalized correlation method for estimation of time delay[J].IEEE Trans Acoust,Speech,Signal processing.1976,24(4):320-327.

[6]趙志偉.噪聲目標(biāo)被動(dòng)定位方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2008.

[7]樊羚珂.被動(dòng)測距聲吶的數(shù)據(jù)處理[D].哈爾濱:哈爾濱船舶工程學(xué)院,1985.

Research of Localization Based on Underwater Explosion Signal

WANG Xiao-yao1,2,ZHANG Guo-jun1,2,GUAN Ling-gang1,WANG Pan-pan1,ZHANG Wen-dong1,2
（1.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan Shanxi 030051,China;2.Science and Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan Shanxi 030051,China）

Noise or signal radiated from target is used to detect the target distance and azimuth in the passive sonar.The explosive sound source has some obvious advantages compared to pulse sonar transmitters,which can detect the target distance and azimuth instead of transmitter transducer.The three-scalar array is used to research on underwater explosion by obtaining the time delay information to achieve the estimation of distance and azimuth.The interpolation method is used to improve the precision of time delay estimation.The experiment results have verified the effectiveness of underwater explosion as a sound source in passive sonar and the accuracy of time delay estimation.Meanwhile,the explosion signals at different locations have small error of localization,high precision and right direction estimation.

underwater explosion signal;correlation time delay estimation;passive localization

TB566

A

1003-2029（2011）03-0072-05

2011-03-02

國際科技合作項(xiàng)目"基于納機(jī)電矢量水聽器的聲納系統(tǒng)合作研究"（2010DFB10480）資助

王曉瑤（1987-）,女，中北大學(xué)在讀研究生，研究方向?yàn)樗曅盘?hào)處理。E-mail：sunny0503240203@163.com