水下爆炸信號的定位研究

王曉瑤，張國軍，關凌綱，王盼盼，張文棟

（1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051；2.電子測試技術重點實驗室，山西 太原 030051）

水下爆炸信號的定位研究

王曉瑤1,2，張國軍1,2，關凌綱1，王盼盼1，張文棟1,2

（1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051；2.電子測試技術重點實驗室，山西 太原 030051）

被動聲納中，目標定位的測定只能利用目標聲源發出的信號或噪聲，爆炸聲源與常用的電聲式脈沖聲納發射器比較起來，具有某些明顯的優點，可代替發射換能器來實現距離和方位的測定。針對水下爆炸聲源，采用三元標量陣進行研究，通過確定信號到達各個陣元的時延信息來測定其目標方位和距離，并利用內插方法提高定位精度。實驗結果表明，不同位置處爆炸信號的測向和測距誤差小、精度高，方位估計基本正確，從而驗證了被動聲納中水下爆炸信號作為聲源的可行性，及三元陣時延測距的準確性。

水下爆炸信號；互相關時延估計；被動定位

聲納系統的主要任務之一是在測向的同時完成對目標距離的測定。在主動聲納中，測定目標的距離要利用目標的回波或應答信號，而在被動聲納中，目標距離的測定只能利用目標聲源發出的信號或噪聲[1]。爆炸聲源與常用的電聲式脈沖聲納發射器比較起來，具有某些明顯的優點，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。爆炸能產生大功率、寬頻帶的短脈沖，當需要高的距離分辨率時，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方向上的問題[2]。基于這些特性，在被動聲納探測中可用水下爆炸信號代替發射換能器作為聲源來實現距離和方位的測定。

為研究水下爆炸信號作為聲源實現目標定位的可行性，采用三元標量陣采集不同位置的水下爆炸信號，通過互相關時延估計和內插方法得到爆炸信號的方位角和距離，其測向和測距誤差小、精度高。室外實驗驗證了被動聲納中水下爆炸信號作為聲源的可行性及三元陣定位的準確性。

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分別表示被動聲納的三個陣元。設陣元間距為d，目標方位為θ，目標到各陣元的距離分別為 r1，r2，r3，則目標到三個陣元的距離為：

設聲速為c，則目標信號到達各個陣元的時延差分別為：

由式(3)和式(4)可得到目標方位和距離的精確公式分別為：

若假定目標在遠場，d＜＜r，接收的聲波可近似為平面波[4]。對式(3)及式(4)右側進行泰勒展開，取二階近似，即保留1/r2項，則可得到目標方位和距離的近似公式為：

2 互相關時延估計

實現被動測距的關鍵在于時延值ε的估計。互相關時延估計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時延差與其相關函數峰值位置的對應關系：即時延差估計值就是使互相關函數出現峰值的橫坐標值。它的基本原理是利用信號與干擾的統計特性(相關特性)差異來提高系統輸出信噪比，設兩陣元1和2的接收信號模型分別為[6]：

式中：s（t）是目標輻射的噪聲，設其是平穩的；x1（t）和x2（t）為兩陣元的接收信號；為兩路接收信號間的相對時延；n1（t）、n2（t）是相互獨立、平穩、均值為零的噪聲，且與 s（t）不相關，則x1和x2的互相關函數為：

式中：Rss（-）是源信號的自相關函數，由自相關函數的性質可知：

在實際的數字處理，由于采樣間隔量化、噪聲干擾等各種因素，最高峰值對應的不一定就是要求的時間差，可以在相關峰值附近取點通過內插[7]等方法求出相關峰的準確位置，從而得到所對應的精確時延。

3 實驗研究

為了驗證水下爆炸信號的測距方法，課題組在太原汾河水庫進行了多次實驗。實驗采用的是三元線陣，由三個標量水聽器組成，各陣元間距為0.375 m，標量陣分布示意圖如圖2所示。實驗中電磁羅經固定在標量水聽器支架上，用來實時監視水聽器自身姿態，保持基陣水平，羅經所測方向為標量傳感器X軸正向與正北方向夾角，吊深為水下4 m，采樣頻率設置為20 kHz。

圖2 三元標量陣分布圖

本實驗利用炮聲模擬水下爆炸聲信號，聲采集卡同時采集三個水聽器的信號。以1號水聽器為參考，分別進行以下實驗：

圖3 炮聲1的信號及相關性

（1）在距標量陣5 m左右、方位38°的位置處用炮聲1模擬爆炸信號（圖3）。圖3（a）為三路水聽器采集到的炮聲信號，由圖可知，炮聲信號的波形特征主要表現為幅值呈跳躍式陡峭上升，然后又迅速按指數規律下降，整個作用過程只有5 ms，符合爆炸信號的主要特征，可以作為水下聲源進行定位研究。三個水聽器采集到的信號為有延時的信號，故可利用時延估計對采集到的數據進行處理，但其估計精度不高，為了提高分辨率，采用內插算法，得到各水聽器的相關性如圖3（b）所示；

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

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

圖4 炮聲2的信號及相關性

不同炮聲下各水聽器間的互相關系數及延時值如表1所示。

表1 不同炮聲下水聽器的參數對比

由圖3～圖5和表1可知，利用內插方法可以求出相關峰的準確位置，即各水聽器互相關系數的準確值，從而得到所對應的時延值。根據上述時延估計原理，得到不同位置處炮聲作為聲源時所對應的方位角和距離，如表2所示。

表2 不同位置炮聲的定位結果對比

由表2可知，利用時延估計和內插方法對爆炸信號進行定位研究時，時延估計精度較高，故對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，可知該標量陣對炮聲的方位估計基本正確，且有較高的定向精度和可靠的穩定性。

由上述實驗結果可知，炮聲模擬水下爆炸聲信號時，利用三元陣的時延估計和內插方法可以得到較高精度的時延值，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。實驗驗證了水下爆炸信號定位方法的可行性和準確性，在被動測距中，可以利用水下爆炸信號作為聲源來進行定位研究，為被動聲納探測的研究奠定了基礎。

圖6 定位誤差曲線及擬合曲線

4 結束語

本文利用三元陣接收到的水下爆炸信號（炮聲）來進行目標定位研究，通過確定信號到達各個陣元的時延信息來測定目標方位和距離。利用內插方法可以得到較高精度的時延值，從而確定爆炸信號的具體位置。由實驗結果可知，不同位置處爆炸信號的測向和測距誤差小、精度高，方位估計基本正確。實驗驗證了被動聲納中水下爆炸信號作為聲源的可行性及三元陣定位的準確性，為以后被動聲納的測距研究奠定了理論基礎。

[1]羅丹.噪聲目標廣義互相關被動測距研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2006.

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

[3]宋新見,惠俊英,殷冬梅,等.水下噪聲目標被動測距技術研究[J].應用聲學,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.噪聲目標被動定位方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2008.

[7]樊羚珂.被動測距聲吶的數據處理[D].哈爾濱:哈爾濱船舶工程學院,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

國際科技合作項目"基于納機電矢量水聽器的聲納系統合作研究"（2010DFB10480）資助

王曉瑤（1987-）,女，中北大學在讀研究生，研究方向為水聲信號處理。E-mail：sunny0503240203@163.com