超音速飛行體的“聲指紋”識別技術研究

摘要：“聲指紋”識別技術是聲學擐測的一項核心技術。文中提出“聲指紋”識別技術。討論了對超音速飛行體(如飛機，彈頭)的激波聲信號的洲量，提取聲學特征，識別超音速飛行體的問題：并利用步搶子彈實驗，驗證了超音速飛行體“聲指紋”識別技術的可行性和有效性。

關鍵詞：超音速飛行體 聲指紋 聲學探測 小波分析

中圖分類號：TP391.42 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(201z)01(c)-0001-02

隨著現代航空技術的發展，先進戰斗機以其超音速隱身突擊能力，使電磁波雷達很難發現目標，對我構成嚴重威脅；同時，多國研發反雷達武器，嚴重降低了電磁波雷達的生存能力。針對這些問題，提出了一種被動式聲學雷達，作為電磁波雷達的必要補充，有望成為反隱身超音速飛行體的一種有效手段。同電磁波雷達相比，它具有成本低、隱蔽性好，全天侯，只接收不發射，不易被干擾、生存能力強等優點。

超音速飛行體會引發激波，對于大型的飛行體(如飛機、導彈等)在幾百公里范圍內仍可穩定測量。飛行體的幾何尺寸形狀，速度以及測量距離決定了激波聲場的特征，不同的飛行體在特定飛行條件下，所特有的聲學特征就是它的“聲指紋”?！奥曋讣y”識別是在強噪音背景下，提取聲學特征，用以識別飛行器速度、位髓、種類的技術，它是聲學雷達的核心技術。

1 研究內容

超音速飛行體“聲指紋”識別技術研究涉及的內容很多，概括起來主要包括：空氣動力學的建模與仿真。聲學探測理論、方法，超音速飛行體聲學特征，聲學布陣定位研究等。本文主要討論超音速飛行體聲學特征。

通過對各種尺寸、形狀的超聲速飛行體的大量實驗，發現它們的激波和壓力信號都有共同聲學特征：盡管形狀不同，也不論途中是否受阻，只要是超聲速，其激波都呈圓錐狀，其壓力曲線呈“N”形。這種波動在大氣中的傳播局限于從頭部向后伸展的一個錐形區內；隨著飛機向前運動，這個擾動錐將掃過航線下面的地面?；诩げǖ摹奥曋讣y”識別就是在強噪聲環境中有效提取出其聲學特征，識別飛行體信息。其聲學特征主要有：

1.1 波形特征

對于不同類型的飛行體，如彈丸、導彈、飛機，類型不同，所產生的“N”形波也有不同，例如，對于形狀復雜的飛行體(如飛機)是由許多“N”形波疊加而成，且每一個“N”形波都與飛行體的外形、速度有關。所以其聲場復雜，聲壓曲線是一系列“N”形的疊加。由激波引發的聲場包含了很多信息，這為飛行體的“聲指紋”識別提供了可能。

1.2 頻率特征

惠瑟姆(Whitham GB)根據空氣動力學原理初步建立了描述超音速飛行體聲壓信號的公式，經過許多學者不斷改進得到聲壓脈沖的波長^的公式為：

式中λ為波長的形狀系數，M為飛行體馬赫數，d為飛行體直徑，y為測量點與飛行軌跡距離，l為飛行體長度。彈頭飛行激波脈沖持續時間由T=λ/C得到，基頻f0=1/T，c為聲速。經計算，飛機的基頻約為1～10Hz超音速巡航導彈基頻約為10～100Hz，普通槍彈基頻約為1000-7000Hz。這樣從頻率特征上就能將超音速飛機、巡航導彈、普通槍彈等區分開來。

1.3 幅值特征

其壓力幅度具體經驗公式如下：

武中：Kp為飛行體的形狀系數，p0為大氣壓力，其余參數同(2)式。根據此公式，經計算可以得出超音速飛機在正常高度飛行時，幅值為1000Pa以上，在低空飛行時的幅值更大?？梢耘c其他巡航導彈或槍彈等區別開來。

(1)式、(2)式在各種口徑彈丸和飛機上得到了較好的驗證，如表1

綜上所述，可以得出超音速飛行體的波形、頻率和幅值特征理論上可以構成其本身特有的“聲指紋”，從而與亞音速飛行體、其他超音速飛行體、環境中的強噪聲有效區別開來。

2 實驗驗證

對復雜的飛行體進行實驗研究很困難。相對而言，彈頭激波比飛機激波簡單得多，易于實驗，本文用彈頭激波進行模擬，對超音速飛行體“聲指紋”進行初步研究。

2.1 實驗方案

實驗是利用聲傳感器測量射擊過程巾的各種聲信號，然后對信號進行分析，提取“聲指紋”。實驗過程中的相關設備主要包括：數據采集卡一塊；聲傳感器2只。整個實驗在靶場進行，兩個聲傳感器平行于彈道放置，距彈道20m，距離射擊線30m，兩傳感器相距6m，所川的槍械是81桿半自動步槍，56式7.62mm槍彈，初速為750m/S。當地溫度35℃，聲速c=353m/s。對射擊過程中的聲信號進行全程記錄。

2.2 實驗分析

圖1為一次射擊時聲壓時域信號，第一個波稱為信號1，第二個稱為信號2。(如圖1)

(1)時域分析

予彈在其射程之內是超音速飛行，產生一個激波錐，和彈頭一起向前運動。而出膛激波是子彈撥擊發過程中子彈的火藥爆炸，高溫、高速、高壓氣流將彈頭推出槍口時形成的，可以看作一個以槍口為中心的點爆炸，它以球面波的形式向外傳播。

從幅值上看，信號l的幅值明顯大干信號2；兩個傳感器之間的距離是6m，用信號1和信號2在兩傳感器中的傳播平均速度來描述各自在此段距離的速度。通過對多組測毓數據計算，得到平均值，信號1的傳播速度是700m/s，信號2的傳播速度是350m/s。從速度上來看，信號1傳播的速度是超音速，等于子彈飛行速度；而信號2已經衰減到音速。從幅值來看，信號1強度大，信號2強度弱。由干子彈激波相對穩健，出膛激波不穩且易衰減，可以確定，信號1是彈頭飛行激波信號，而信號2是子彈出膛激波信號。由此可知，基于激波的探測方法不但可區分超音速和亞音速口標。同時，可區分飛行激波和爆炸波。

(2)小波分析

由于激波信號本身就是一個非穩態信號，所以對其進行頻域分析時，采用傅立葉變換的效果不好?，F對兩個信號分別進行小波分解。通過對各小波函數的比較，在小波分析的過程中所選取的小波基函數是db5小波，對于信號進行分解到第五層，分析各個近似信號和細節信號。

選取5次試驗的測量信號，首先對信號總能量在各個層的分配比例進行統計分析，可以看出信號1的能量主要集中在d3和d4層，信號2的能量主要集中在a5層。

再對信號進行功率譜分析，將各層的功率譜峰值記錄，如表2、表3：

通過對各層的峰值進行歸納分析可以看出，信號1的d3層能量主要集中在3200-4000Hz頻段，d4層的能量主要集中在2000-2800Hz頻段；信號2的a5層能量主要集中在300-400Hz頻段。通過理論分析可知，子彈激波所處的頻段大約是1000-7000Hz，可以斷定信號1就是彈頭飛行激波。由信號2所處的頻段可以推知其赴出膛激波。所以可以得出，傳感器每次所獲取的信號1是子彈激波，信號2是出膛激波。

通過對子彈激波的測量與分析，可褂出彈頭的飛行速度，可從噪音背景中提取飛行激波和出膛激波，并且可以區分飛行激波和出膛激波。另外，增加傳感器的數最，也可測量彈頭的飛行軌跡。

3 結語

本文通過理論分析、方法探索和試驗驗證得出：綦于激波的聲學測量可區分飛行激波和環境噪聲、爆炸激波等；能識別超音速飛行體的方位、速度、尺寸外形等，對聲信號的時域分析和小波分解相結合的方法是一利，有效的目標識別方法。