基于三軸地震波傳感器的艦船被動定位方法

李 響，白正勤，劉旭東

（海軍蚌埠士官學校兵器系，安徽 蚌埠233012）

0 引言

在淺海環境中，航行艦船的輻射噪聲由于淺海低頻截止效應，低頻段的輻射噪聲和海底介質相互耦合產生沿海底傳播的艦船地震波場，而其中起主要作用的艦船低頻噪聲場是由艦船內部或外部的動力干擾引起的艦船結構振動向外輻射噪聲所引起的［1］。艦船地震波場含有豐富的艦船目標信息，從而成為探測艦船目標并實施定位的一種有效方式［2－4］，在水中兵器中有重要的應用價值。由于保密原因，國外對該領域的深入研究鮮有報道，而國內仍處于起步階段，局限于艦船地震波場傳播特性的理論研究，尚未涉足艦船地震波場的應用研究。因此，本文提出了利用置于海底的動圈式三軸傳感器接收艦船地震波信號，并對艦船目標進行被動探測定位的方法。

1 傳感器設計

從艦船地震波信號的特點以及系統功耗這兩個主要方面著手，選擇適合水底環境使用的艦船地震波場傳感器。

1.1 傳感器的選擇

艦船地震波信號主要是艦船輻射噪聲耦合到海底所產生的沿著海底界面傳播的表面波，屬于低頻微弱振動，具有一般地震波的特點。因此，可以借鑒海底結構勘探常用的地震檢波器（壓電式和動圈式），并加以改進。相對于壓電式檢波器，動圈式檢波器有較低的輸出阻抗、較好的信噪比和較低的使用頻率，可測量微小的振動，有一定的抗橫向振動能力。同時，其后繼信號處理電路簡單，并且傳感器本身不需要電源供電。因此，選用進行艦船地震波場信號接收。

1.2 傳感器結構特點

動圈式檢波器結構如圖1所示，其機電轉換通過線圈相對磁鐵往復運動實現。線圈及線樞由一個彈簧系統支撐在永久磁鐵的磁極間隙內，組成一個振動系統。當線圈在磁極間隙中運動時線圈切割磁力線，同時在線圈兩端產生感應電勢，感應電勢的大小與線圈切割磁通量的速度成正比，即與其相對于磁鐵的運動速度成正比，所以，動圈式檢波器也稱為速度檢波器［5－6］。以垂直檢波器為例：在接收到垂向運動時，磁鐵隨之運動，但線圈由于其慣性而趨于保持固定，使線圈和磁場之間有相對運動，輸出感應電勢。而對于水平的運動，線圈相對于磁鐵是不動的，則它的輸出為零。

圖1 動圈式檢波器結構示意圖Fig.1 Thestructure feature of moving－coil seismometer

1.3 傳感器方向特性

由于自身結構特點，動圈式檢波器具有天然的“8字形”方向性，沿傳感器軸向的輸出靈敏度最大，假設最大靈敏度為I0，則偏離傳感器軸β角方向的有效靈敏度為I1＝I0cosβ，如圖2所示。利用此方向特性可以確定振動波相對于傳感器軸的偏角，即波達方向。為了更好地利用艦船地震波場，只接收單一分量的信號是不夠的。由3個相同參數的動圈式檢波器兩兩正交組成三軸地震波傳感器（一個垂直方向，兩個水平方向）。則，三軸地震波傳感器在三個方向各有“8字形”的方向性。

圖2 “8字形”的方向性Fig.2 The directivity of single sensor

2 基于傳感器的被動定位算法

2.1 三軸傳感器輸出特性

三軸傳感器布放于海底，接收航行艦船的空間振動信息，輸出包含目標方位信息的三分量信號：vx，vy，vz，如圖3所示。

圖3 信號波達方向Fig.3 The direction of arrival

聲源發出的聲波入射到三軸傳感器上，其三軸輸出分量為：

式（1）中，S是入射聲波；φ0是目標俯仰角；α0是目標方位角；nz是Z軸輸出的噪聲，nx是X 軸輸出的噪聲，ny是Y軸輸出的噪聲，假設噪聲為零均值、高斯白噪聲，互不相關，且與聲源互不相關。

2.2 被動定位算法

假設在各向同性的均勻噪聲場中，對三軸傳感器的輸出信號V＝ ［vz（t）vx（t）vy（t）］T，分別以U ＝ ［sinφ cosφsinα cosφcosα］T作為權重進行加權求和：

加權求和信號Y的平均功率為：

式（3）表明，當且僅當φ＝φ0，α＝α0時，P（φ，α）達到最大，此時：

即P（φ，α）對聲波入射方向的響應最大，且φ＝φ0，α＝α0。因此，可以通過空間峰值搜索的方法確定目標的俯仰角和方位角［7－8］。

2.3 仿真計算

針對2.1節的被動定位算法進行仿真計算，仿真信號為單頻信號，模擬目標相對于傳感器的俯仰角為10°，方位角為20°的艦船噪聲信號。圖4為信噪比為0 dB時進行定位計算的結果，計算所得的俯仰角為11°，方位角為20°。結果表明：定位算法對仿真信號能夠準確的定位，而且定位算法和信號頻率無關。

圖4 入射信號的仿真計算（10°，20°）Fig.4 DOA estimation result versus elevation

3 實驗分析

為了檢驗傳感器的實際接收效果，以及定位算法對實際艦船目標的探測定位能力，在自然水域進行了信號接收和定位試驗。

檢測裝置由密封艙、三軸地震波傳感器、信號調理和數據采集存儲電路組成，并將其置于水底，實驗情況如圖5所示。為了解決檢測裝置布放時傳感器姿態的不確定性，將三軸地震波傳感器安裝在萬向架上，使三軸傳感器在任何姿態下都能實現水平調節，保證傳感器的正常工作。

圖6為湖試環境下三軸地震波傳感器實測的2km外氣槍聲源信號，三分量信號清晰可辨（水深16m，氣槍置于水下1.5m，氣槍壓力6MPa，檢測系統置于淤泥質湖底）。試驗表明：三軸地震波傳感器可以很好地接收到水中聲源的噪聲信號。

圖7為海上實船試驗三軸傳感器實測的艦船信號（試驗區域水深20m，檢測系統置于淤泥質海底）。試驗表明：接收到三分量信號具有明顯的區域特性，可明確的識別出艦船的通過特性曲線。

圖8為由算法估計出的俯仰角隨時間的變化曲線和目標通過特性曲線的對比圖（實線為計算所得估計曲線，虛線為實測通過曲線）。由圖可得，利用定位算法估計的目標俯仰角變化曲線和實際的目標通過特性曲線符合較好，表明該算法可有效地判別出目標相對于檢測裝置的位置及通過區域。

圖5 實驗示意圖Fig.5 The diagrammatic sketch of the lake test

圖6 實測氣槍聲源信號Fig.6 The air gun signal

圖7 實測艦船信號Fig.7 The ship signal

圖8 俯仰角變化曲線Fig.8 The variational curve of elevation

4 結論

本文提出了利用動圈式三軸傳感器對艦船目標進行探測定位的方法。該方法通過動圈式三軸傳感器檢測艦船地震波信號，利用其自身的結構特點和方向特性，結合算法對艦船目標進行定位。試驗表明，置于海底的動圈式三軸傳感器能夠很好地接收艦船地震波信息，輸出含有目標方位特征的三分量信號，結合算法實現了對目標的被動探測定位，對水下目標探測具有重要的意義。但是，本文限于單傳感器對單目標的探測定位，而對于多傳感器、多目標的探測定位還有待于進一步的研究。

［1］陸鑫森，金咸定，劉涌康.船體振動學［M］.北京：國防工業出版社，1980.

［2］Kuperman W A.Bottom Interacting Ocean Acoustic［M］.NATO：Marine Sciences，1980.

［3］Schmalfeldt B.Ambient and ship－induced low frequency noise in shallow water，Bottom－interacting ocean acoustics［R］.La Spezia，Italy：SACLANT ASW Research Center，1989.

［4］Ali H B，Schmalfeldt B.Seismic Sensing of Low－Frequency Radiated Ship Noise［R］.La Spezia，Italy：SACLANT ASW Research Center，1984.

［5］朱蘊璞，孔德仁，王芳.傳感器原理及應用［M］.北京：國防工業出版社，2005.

［6］周征.傳感器原理及檢測技術［M］.北京：清華大學出版社，2007.

［7］王永良.空間譜估計理論與算法［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［8］孫超，李斌.加權子空間擬合算法理論與應用［M］.西安：西北工業大學出版社，1994.