水下脈沖噪聲源定位原理與方法研究*

譚 昕

(北京西三環中路19號 北京 100841)

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水下脈沖噪聲源定位原理與方法研究*

譚 昕

(北京西三環中路19號 北京 100841)

重物從江河湖海的水面落水著底的瞬間,通常會產生脈沖噪聲,并激發海底振動。研究高精度水下脈沖聲定位原理和方法,就是為了發現落水重物并確定其著底位置,以便快速打撈或其他處置作業,這對于保證航道暢通以及安全防護具有重大意義。四傳感器聲學定位系統具有反應速度快和定位精確的優勢,論文研究了基于四傳感器聲學定位系統的工作原理并進行了仿真驗證。仿真驗證采用理論公式直接計算和半徑搜索法相結合的方式進行定位,表明四傳感器聲學定位系統定位快速且精度高,尤其是定位脈沖聲源的方位角精度很高,具有工程應用前景。論文還討論了影響定位精度的若干因素,為聲學定位系統定位水下脈沖噪聲源提供了一種解決方案。

聲源定位; 脈沖聲源; 水下定位系統

Class Number TB556

1 引言

重物從江河湖海的水面落水著底,可能導致航道阻滯,威脅水域安全。需要實時檢測落水的可疑重物,快速確定落水重物的著底位置,并及時打撈或做其他妥善處置。為此,研究高精度水下定位技術對維護國土權益和國民經濟建設具有重要意義。[1～2]

水下定位系統根據陣列定位基線的長度分為三類,長基線、短基線和超短基線定位系統,這三類定位系統各有利弊[1～2]。長基線陣列可以獨立于水深實現高精度定位,但是布陣、測陣與回收操作十分復雜、耗時,成本較高;超短基線定位系統優點為短程定位精度高、尺寸小、重量輕、安裝方便,其缺陷之處在于定位精度與斜距有關,距離越遠定位精度越低;短基線的定位遠距離精度低于長基線,但優于超短基線,使用便捷度也處于兩者之間。用于定位的陣列信號處理技術主要有波束形成[3～4]、時間反轉鏡技術[5～6]、基于到時差的時延估計法[7～9]、MUSIC法[10]等。

本文研究采用短基線水聽器陣列進行聲源定位的新原理和方法,既便于單個短基線陣列的靈活布置,又能將若干短基線陣列組網使用,進一步提高區域監測的精度和效率。

2 四傳感器聲學定位系統

自由場中單極子聲源的傳播方式為球面波:

(1)

考慮在聲場中布置了四個聲學傳感器,用于監測和定位特定區域的突發噪聲源,則從噪聲源的位置到達四個傳感器的信號存在時間差。在四傳感器系統中,時間差將會作為輸入量用于求取噪聲源的位置。不妨選取第1個傳感器作為參考點,信號在其余3個傳感器與第1個傳感器之間存在如下幾何關系:

(2a)

(2b)

(2c)

式中(xi,yi,zi),i=1,2,3,4,代表第i個傳感器的空間三維坐標,(x,y,z)代表未知脈沖噪聲源的三維坐標,Δt1i代表第i個傳感器和第1個傳感器之間信號的到時差,c代表介質中的聲速。

將式(2)中的三個方程分別求平方并消去相同項,得到下述方程組:

2(x1-x2)x+2(y1-y2)y+2(z1-z2)z

(3a)

2(x1-x3)x+2(y1-y3)y+2(z1-z3)z

(3b)

2(x1-x4)x+2(y1-y4)y+2(z1-z4)z

(3c)

令:

ai=2(x1-xi+1),bi=2(y1-yi+1),

ci=2(z1-zi+1),ei=2cΔt1(i+1),

其中i=1,2,3。

由此可以得到簡化的表達式:

a1x+b1y+c1z=d1+e1R

(4a)

a2x+b2y+c2z=d2+e2R

(4b)

a3x+b3y+c3z=d3+e3R

(4c)

重新整理和排列式(4),可得方程:

x=p1+q1R

(5a)

y=p2+q2R

(5b)

z=p3+q3R

(5c)

其中

將式(5)代入R的表達式并對公式兩端求平方,則可得:

R2= (p1+q1R-x1)2+(p2+q2R-y1)2

+(p3+q3R-z1)2

P=-p1q1-q2q2-p3q3+x1q1+y1q2+z1q3,

最終,可以得到方程組(2)的解為

(6a)

(6b)

(6c)

方程有兩個解,只有其中一個是實際的聲源,可以根據聲源到達傳感器的距離遠近和測量得到的聲程差是否一致來判定聲源位置的真偽。也可以增加1～2個傳感器用于計算到時差,判定定位的真偽。

3 數值仿真與討論

本節利用Matlab軟件仿真實現四傳感器聲學定位系統的定位功能。假設聲源按照無指向性點源的傳播方式向外輻射噪聲,不受反射和背景噪聲的干擾。四個水聽器的空間位置為(d0,0,0),(0,d0,0),(0,-d0,0),(0,0,d0),d0=10m,這種水聽器陣列便于制造和布置,其示意圖見圖1。取水中聲速1450m/s,采樣頻率100kHz,假定監控半徑200m。模擬聲信號是一個指數衰減的信號,利用互相關函數獲取到時差。仿真過程對俯仰角[-30°,30°]和圓周角[-90°,90°]范圍內隨機均勻分布的50個點進行了定位。仿真的結果如圖2和3所示。由于是仿真實驗,可以事先獲得聲源的理論位置,所以定義定位誤差公式為

(7a)

(7b)

(7c)

模擬聲信號呈指數快速衰減,可以用下式表示:

(8)

圖1 四傳感器陣列與聲源模型示意圖

圖2顯示了載波頻率在100～6000Hz范圍內50個隨機分布的定位點的平均定位精度,結果顯示頻率對定位精度的影響可以忽略。圖3是監控半徑在5m～200m范圍內的50個點源定位結果,結果表明定位的結果對于方位角的準確性很高,控制在1%～2%的范圍內,用絕對誤差均方值評價也小于1.6°,方位誤差一般與方位角的大小無關。對于半徑的定位精度略差,但也在6%以內。本文的研究沒有考慮信噪比的影響,但是從理論的推導可以判定,信噪比不直接影響該方法的精度,它通過影響到時差的計算結果改變定位精度。

圖2 誤差隨頻率的變化曲線

圖3 定位值與理論值對比曲線

從公式推導與數值仿真可以發現,定位的準確度和到時差息息相關,因此獲得高精度的到時差將會提供準確的聲源定位。在實際應用中,還需要解決一些影響因素提高定位的精度。水下背景噪聲和水底、水面的反射信號會影響到時差的計算,廣義互相關法[11]可以有效地消除水中的反射和混響,明顯提高到時差計算精度。利用盲源分離法、獨立分量分析等信號處理方法有助于在高背景噪聲條件下分離出脈沖噪聲[12]。由于陣列在水下布置,存在定位困難,因此需要研究由于傳感器定位誤差導致的噪聲源定位偏離。研究中沒有考慮水流對聲信號傳播的影響,由此產生的多普勒效應對計算到時差的影響值得分析。另外,水聲傳播路徑上的溫度和鹽度變化通過影響聲速,而影響水聽器信號時延的測量。以上提及的因素都值得進一步研究,以期提高定位精度。由于聲信號隨著傳播距離的增大而衰減,信噪比降低,會嚴重影響定位精度。因此,可以考慮布置多個四傳感器定位系統聯合工作,從而使監測區域能覆蓋熱點水域。

4 結語

本文提出了一種四傳感器陣列的短基線定位系統,建立了四傳感器系統聲學傳播與接收模型,利用測得的信號時延為變量獲得了聲源位置的計算公式。數值仿真表明四傳感器定位系統可以很好的定位脈沖噪聲源,定位誤差主要來源于到時差的測量和計算誤差。通過對影響定位誤差主要因素的初步分析,指出了該技術需要進一步研究的問題,以滿足陣列設計、算法完善和組網技術等工程開發于應用的需要。

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Principle of Locating Underwater Impulsive Noise Source and Its Techniques

TAN Xin

(No. 19 Central Xisanhuan Road, Beijing 100841)

The impulsive vibration and sound signal is induced when the heavy objects falling from the water surface shock the water bottom. The research on accurately locating underwater impulsive noise sources will serve to find the objects. The security of channel will be guaranteed after cleaning the located barrier objects. A four-sensor acoustic locating system is introduced which can position acoustic source accurately and rapidly. The method of four-sensor acoustic locating system is introduced as well as its validity is verified by numerical simulations. Direct calculation due to analytical formula combined with radius searching method is applied in simulations. The high positioning accuracy, especially the azimuth, is obtained. The accurate results show its potential application in engineering. Some influence factors effecting positioning accuracy are discussed. The research can be a solution for positioning underwater impulsive acoustic sources.

noise source location, impulsive noise, underwater locating system

2014年7月19日,

2014年8月31日

譚昕,男,碩士,研究方向:武器系統綜合運用。

TB556

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.041