聲納陣測量高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)入水點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究

孫貴新

關(guān)鍵詞：落點(diǎn)位置測量;浮標(biāo)與潛標(biāo);瞬態(tài)信號

1引言

采用浮標(biāo)與潛標(biāo)相結(jié)合的方式，可以完成對高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)入水點(diǎn)位置的測量，浮標(biāo)和潛標(biāo)探測到的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行事后融合，同時(shí)提升落點(diǎn)位置測量精度和可靠性。但在工程實(shí)踐中，浮標(biāo)和潛標(biāo)相結(jié)合的方法會(huì)面臨諸多技術(shù)難題。

2瞬態(tài)信號檢測與分析技術(shù)

瞬態(tài)信號在時(shí)域上具有很短的上升時(shí)間、較短的脈沖持續(xù)時(shí)間、較大的脈沖幅度。在頻域上，瞬態(tài)信號具有較寬的頻譜分布。在信號特征上，瞬態(tài)信號與穩(wěn)態(tài)干擾背景具有比較明顯的特征差別，具有明顯的非平穩(wěn)的特征。本系統(tǒng)利用瞬態(tài)信號檢測完成對水下目標(biāo)的被動(dòng)定位。

根據(jù)信號特性，分別采用不同的信號檢測方法進(jìn)行分析，如能量法、短時(shí)傅里葉變換法，短時(shí)相關(guān)法、基于小波變換法、雙譜法等多種方法進(jìn)行了信號檢測的分析和結(jié)果對比。

由于瞬態(tài)信號的聲源級比較高，采用簡單的能量檢測法檢測時(shí)延，較其他檢測方法簡單、易實(shí)現(xiàn)且運(yùn)算量小，易在DSP處理器上實(shí)現(xiàn)，但是存在低信噪比情況下性能急劇下降的缺點(diǎn)，如要在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，可嘗試采用其他方法檢測時(shí)延。在潛標(biāo)定位時(shí)采用DSP實(shí)時(shí)處理，潛標(biāo)回收后采用多種信號檢測技術(shù)，可以提高目標(biāo)檢測精度。

3瞬態(tài)信號去噪聲技術(shù)

水下瞬態(tài)信號易受海洋噪聲的影響，當(dāng)接收信號的信噪比較低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致能量譜峰值識別存在較大偏差，從而降低定時(shí)精度，因此為了提高接收信號的信噪比，同時(shí)保證定時(shí)精度，需要對水下爆炸信號去噪聲進(jìn)行研究[1]。

在聲學(xué)信號處理中，采用固定濾波器、維納濾波、譜減法和小波去噪。與其他方法相比，小波去噪是一種基于小波變換的去噪方法[2]。小波變換有效克服了傳統(tǒng)方法在時(shí)變平穩(wěn)信號分析中存在的缺點(diǎn)，可以最大限度保留時(shí)變非平穩(wěn)信號中的突變成分。系統(tǒng)中選擇小波變換可以提高約9DB的信噪比，在信號后處理中增加小波去噪，可以提高系統(tǒng)信噪比以及時(shí)延檢測精度。

4低功耗下水聲信號檢測技術(shù)

在超低功耗工作條件下，系統(tǒng)要求對未知頻率、未知頻帶帶寬和未知信號形式的信號進(jìn)行檢測。

為了降低運(yùn)算量和提高檢測概率，本系統(tǒng)的未知信號檢測采用時(shí)頻分析能量檢測方法。頻譜分析可以將接收信號能量分解到各個(gè)子頻帶內(nèi)。假設(shè)噪聲為寬帶分布，時(shí)間平穩(wěn)：待檢測信號為有限帶寬和時(shí)寬信號，當(dāng)信號落到時(shí)頻分析單元內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對信號的匹配濾波，能量檢測獲得最大處理增益。時(shí)頻域能量檢測采用快速傅立葉變換算法（FFT），可有效地減少信號處理運(yùn)算量，從而降低了系統(tǒng)功耗。

頻域能量檢測方法是比較成熟的技術(shù)，采用該技術(shù)可大大減少系統(tǒng)開發(fā)周期，并降低系統(tǒng)研制風(fēng)險(xiǎn)。

海洋環(huán)境噪聲在系統(tǒng)比較寬的工作頻段內(nèi)幅度譜起伏會(huì)比較嚴(yán)重，因此將整個(gè)工作頻帶劃分成多個(gè)子頻帶，同時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)門限估以及信號檢測[3]。門限設(shè)定決定了系統(tǒng)檢測概率和虛警概率。由于海洋環(huán)境噪聲是緩慢時(shí)變的，因此需要對噪聲背景進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，并動(dòng)態(tài)設(shè)定門限。為了簡化計(jì)算，系統(tǒng)采用a-p濾波器估計(jì)方法，原理是當(dāng)前幀檢測門限由當(dāng)前幀幅度譜均值和前一幀幅度譜均值經(jīng)過a-p濾波后的結(jié)果來決定。

5高精度目標(biāo)方位估計(jì)技術(shù)

高精度目標(biāo)方位估計(jì)技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方法主要是：時(shí)延差估計(jì)誤差、聲速測量誤差、基線長度誤差和潛標(biāo)方位姿態(tài)測量誤差。其中，聲速測量誤差和基線長度誤差是系統(tǒng)誤差，時(shí)延差估計(jì)誤差和潛標(biāo)方位姿態(tài)測量誤差為隨機(jī)誤差。由于聲速測量誤差比較小，而基線長度誤差可通過水池校準(zhǔn)進(jìn)行修正，因此這兩個(gè)誤差可不考慮。潛標(biāo)方位姿態(tài)測量誤差是由輔助設(shè)備決定的，不在本系統(tǒng)考慮范圍內(nèi)?；诖?，影響目標(biāo)方位估計(jì)的主要誤差源就是時(shí)延差估計(jì)誤差。提高目標(biāo)方位估計(jì)精度理論上有很多成熟的方法，工程實(shí)踐上主要采用提高時(shí)延差的方法來估計(jì)精度。

采用廣義互相關(guān)方法進(jìn)行時(shí)延差估計(jì)，由于在時(shí)域直接計(jì)算互相關(guān)運(yùn)算量大，因此采用計(jì)算互功率譜的方法來得到信號的互相關(guān)函數(shù)。

如此，即可將時(shí)域上的互相關(guān)函數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)化成頻域上的互功率譜計(jì)算。如果在互相關(guān)之前需要對信號進(jìn)行預(yù)濾波處理，也可以轉(zhuǎn)化成頻域來進(jìn)行，即將兩通道信號的互功率譜先乘以濾波權(quán)系數(shù)，然后反傅里葉變換得到時(shí)域上的互相關(guān)函數(shù)，最后進(jìn)行時(shí)延差估計(jì)。采用頻域互功率譜計(jì)算進(jìn)行互相關(guān)函數(shù)計(jì)算，就可以將互相關(guān)函數(shù)計(jì)算結(jié)合到信號檢測過程中進(jìn)行，不需要再次進(jìn)行繁復(fù)地計(jì)算，即當(dāng)判定檢測到信號后，直接利用信號檢測過程中計(jì)算的信號FFT經(jīng)過簡單處理，則可求得互功率譜，這就大大地減少了信號處理運(yùn)算量，降低系統(tǒng)功耗?？偨Y(jié)上述方法，可得到基于互功率譜的時(shí)延差道預(yù)處理濾波器的頻率響應(yīng)。

6寬頻大動(dòng)態(tài)高倍頻采樣信號采集技術(shù)

測試目標(biāo)是瞬態(tài)沖擊信號，距離落點(diǎn)較近的節(jié)點(diǎn)接收信號較強(qiáng)，距離落點(diǎn)較遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)接收信號較弱。由于落點(diǎn)位置未知，系統(tǒng)必須具備寬頻帶大動(dòng)態(tài)信號采集能力。

要實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)寬帶信號采集，對光源調(diào)制帶寬、高倍率光學(xué)采樣、運(yùn)算速度、運(yùn)算量、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍等都提出了極高的要求。在光學(xué)調(diào)制技術(shù)上，干涉型光纖探測需采用光學(xué)調(diào)制將低頻聲壓信號調(diào)制到高頻相位載波上，當(dāng)聲壓信號帶寬增加時(shí)，為避免頻譜混疊，需要光學(xué)調(diào)制頻率也隨之增加。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，目前已實(shí)現(xiàn)5-2000赫茲寬頻帶無失真解調(diào)。在信號處理中，通過增加單周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，盡可能保留更精細(xì)的波形數(shù)據(jù)和更豐富的頻域信息。本項(xiàng)目采用聲壓頻帶上限的16倍頻光學(xué)采樣，通過提高采樣光脈沖的重復(fù)頻率，使得從光纖水聽器基元中返回的光脈沖攜帶更全面的聲壓信息。在計(jì)算能力上，根據(jù)落點(diǎn)檢測系統(tǒng)對聲陣段大量基元返回的高采樣率信號進(jìn)行同步實(shí)時(shí)解算的要求，信號處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)總傳輸速率、運(yùn)算速度和運(yùn)算量都需提升至新的水平。項(xiàng)目主要解決多核并行大容量計(jì)算管理與資源調(diào)度，數(shù)據(jù)高速緩存與傳輸、板卡間高精度同步和數(shù)據(jù)互聯(lián)等關(guān)鍵技術(shù)問題，同時(shí)對運(yùn)算邏輯和算法進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)從高采樣率光脈沖信號中恢復(fù)出高保真原始聲場信息的目標(biāo)。在動(dòng)態(tài)范圍上，通過光纖相干探測技術(shù)將聲壓強(qiáng)度大小轉(zhuǎn)化到光場的相位上，并引入光場調(diào)制技術(shù)，從而將探測幅度跨度巨大的強(qiáng)度信號轉(zhuǎn)化到頻域上，而探測系統(tǒng)測到的光場強(qiáng)度保持不變。由于在光頻域可產(chǎn)生高的調(diào)制頻率，光學(xué)系統(tǒng)頻帶寬度遠(yuǎn)高于強(qiáng)度探測中光電轉(zhuǎn)換及模數(shù)轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)范圍。通過以上措施，可以保證系統(tǒng)具備130dB以上的動(dòng)態(tài)范圍。

項(xiàng)目組針對高源級信號進(jìn)行了海上測試，采用動(dòng)態(tài)范圍約llOdB的光纖水聽器陣列系統(tǒng)進(jìn)行測試時(shí)，由于信號強(qiáng)度達(dá)到了超過系統(tǒng)接收最大范圍，采集到的信號出現(xiàn)了過載問題。

通過增加前端采樣率與優(yōu)化系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)等措施，光纖水聽器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍大于130dB，優(yōu)化后的光纖水聽器陣列可以接收到更大強(qiáng)度的信號而不會(huì)出現(xiàn)過載。

7水聽器三維陣形監(jiān)測技術(shù)

無人船拖帶光線水聽器陣列機(jī)動(dòng)機(jī)時(shí)，在配重塊與拖曳力的共同作用下，垂直線陣整體陣形為三維拋物線陣形。為此，陣列中需要安裝三維姿態(tài)傳感器，實(shí)現(xiàn)線陣高階彎曲模態(tài)的三維測量，為陣形校正算法提供輸入數(shù)據(jù)。采用姿態(tài)傳感器對陣形進(jìn)行較正，可以顯著提高陣列處理增益及測向精度。

當(dāng)拖線陣直徑減少到30mm以下時(shí)，如果陣形監(jiān)測傳感器的尺寸不變，將會(huì)導(dǎo)致傳感器安裝部位尺寸大于線陣直徑，從而增加線列陣拖曳流噪聲，降低拖線陣探測性能。與此同時(shí)，安裝傳感器位置的凸起在絞車上卷繞工作時(shí)極易損傷水聽器陣列，降低系統(tǒng)可靠性。

為了提高監(jiān)測的實(shí)時(shí)性，需要提高傳感器數(shù)據(jù)采樣頻率;為了安裝在細(xì)線陣中，需要減小傳感器尺寸;為了提高陣形校正的精度，需要提升傳感器精度及數(shù)量：為了實(shí)現(xiàn)立體監(jiān)測，需要實(shí)現(xiàn)陣形的三維姿態(tài)及工作深度測量。研制小型化、高采樣、高精度、多維度陣形監(jiān)測傳感器是本項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)。

針對36mm直徑拖線陣，采用三維電子羅盤已實(shí)現(xiàn)陣形航向角、俯仰角與橫滾角的高精度測量。針對26mm直徑拖線陣，項(xiàng)目組將對陣形監(jiān)測傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，集成光傳功能、縮小尺寸、改進(jìn)安裝結(jié)構(gòu)，確保傳感器可以安裝在陣列中，并保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。陣形監(jiān)測傳感器核心部件由三維姿態(tài)測量板、深度測量板、壓力感應(yīng)頭與光電轉(zhuǎn)換板等幾部分組成，電路板整體進(jìn)行封裝，并安裝到拖線陣中。為了縮減傳感器尺寸，需要將三維姿態(tài)測量板、深度測量板及光電轉(zhuǎn)換板進(jìn)行布局優(yōu)化.以減小板面尺寸。

傳感器集成度增加，結(jié)構(gòu)尺寸變小后，還需要對其標(biāo)定方法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。三維電子羅盤中存在零偏誤差、靈敏度誤差、非正交誤差、對齊誤差、軟磁效應(yīng)、硬磁效應(yīng)等誤差因素。這些誤差都會(huì)使傳感器的輸出偏離真實(shí)值，進(jìn)而對當(dāng)前姿態(tài)的解算造成較大影響。為了讓解算的姿態(tài)更加準(zhǔn)確，必須對這些誤差因素進(jìn)行精確標(biāo)定和補(bǔ)償。

考慮到三維電子羅盤內(nèi)部非正交誤差、對齊誤差、軟磁效應(yīng)、硬磁效應(yīng)之間的相互關(guān)系，從整體上將它們都當(dāng)成一種內(nèi)部芯片與外殼體的安裝誤差，項(xiàng)目組提出了一種先通過繞外殼軸旋轉(zhuǎn)標(biāo)定安裝誤差，再標(biāo)定靈敏度和零偏誤差的方法，實(shí)現(xiàn)了三維電子羅盤整體誤差的精確標(biāo)定與校正，且校正后的傳感器在不同的橫滾與斜角范圍內(nèi)都能夠保證高精度工作，不同橫滾角下姿態(tài)精度測試數(shù)據(jù)圖2所示。

8結(jié)束語

本文針對實(shí)踐中應(yīng)用浮標(biāo)和潛標(biāo)相結(jié)合的方法解決高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)入水點(diǎn)測量時(shí)會(huì)面臨諸多技術(shù)難題，如彈頭擊水聲脈沖瞬態(tài)信號檢測與分析技術(shù)、瞬態(tài)信號去噪聲技術(shù)、低功耗下水聲信號檢測技術(shù)、高精度目標(biāo)方位估計(jì)技術(shù)、寬頻大動(dòng)態(tài)高倍頻采樣信號采集技術(shù)、水聽器三維陣形監(jiān)測技術(shù)等，提出解決方案，并經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證及應(yīng)用，證明了研究結(jié)果的正確性。