利用水聲方法實現水下爆炸試驗爆源定位*

管啟亮　譚　鑫　楊家庚

(91439部隊　大連　116041)

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利用水聲方法實現水下爆炸試驗爆源定位*

管啟亮譚鑫楊家庚

(91439部隊大連116041)

摘要水下爆炸試驗中,能否準確地對爆源的定位具有重要意義。論文通過對比分析常見應用于水下爆源定位測量的技術手段,總結其特點及應用條件;同時針對水下爆炸試驗,研究利用水聲手段進行水下爆炸試驗爆源定位的方法,并提出兩種不同的水聲定位方法并介紹其相關原理。

關鍵詞水下爆炸試驗; 爆源定位測量

Realization of Explosion Sourse Position of Underwater Explosion Test by Hydrophones Method

GUAN QiliangTAN XinYANG Jiageng

(No. 91439 Troops of PLA, Dalian116041)

AbstractIn the underwater explosion test, it is important to position the explosion source. The characteristics and application conditions to measure the position of the explosion source are summarized by comparative analysis; The method of using hydrophones to position the explosion source aimed at underwater explosion test is studied. Two different hydrolocations are submitted and introduce the principle is introduced.

Key Wordsunderwater explosion test, position of the explosion source

Class NumberU666

1引言

在水下爆炸抗沖擊試驗中,對爆源和抗沖擊目標的定位具有重要意義:由于氣象水文等因素影響,爆源和被試目標的相對位置處于動態變化過程內,因而實時、準確的定位測量是實施試驗組織指揮的重要依據。同時,測量出的爆源和被試目標的相對位置和態勢也是評定爆炸威力和目標毀傷效果的重要參數。

現有技術手段中對水面目標的定位方法有很多,但是針對水下目標的定位方法卻很少。這是由于海水介質的特性所決定的,使得對水下目標的探測定位非常困難,而且這些測量器材手段由于抗沖擊性能的限制都難以應用于水下爆源的定位測量。因此萌生出利用水聲方法來實現水下爆源定位的想法。本文簡述了常用的幾種爆源定位方法,并提出了兩種水聲定位的方法提供參考。

2爆源定位方法分析

我軍先后完成了海上多種工況的裝備抗水下爆炸沖擊試驗,根據不同技術條件,采用多種技術手段實現對固定爆源的定位測量。下面就常用的幾種方法進行討論分析。

2.1機械定位

機械定位法適用于水面艦船靜態抗沖擊試驗。機械定位法結合布放,通過被試艦上固定的兩條定位索連接被試艦、爆源和拖纜,利用拉緊的定位索解三角形對爆源進行定位。

機械定位法在被試艦錨定狀態下能保證爆源與被試艦在布放時刻的相對位置滿足要求,海上試驗必須嚴格選擇試驗時機,盡量縮短從爆源布放到起爆的時間,并借助有利的流速流向,以保證被試艦與爆源間相對位置穩定。

2.2沖擊波零時法

沖擊波零時法也僅適用于靜態抗沖擊試驗。沖擊波零時法是通過準確測量爆炸時刻(零時)、測點的自由場壓力峰值時刻,獲取炸點距測點的距離。用沖擊波零時法可在爆炸后得到爆源與目標的相對位置,但無法滿足“爆距可控”的試驗指揮要求。隨著爆距的增加,沖擊波零時法測量誤差逐步增大,因此不適宜遠距離爆炸測量。當被試艦處于航行狀態時,由于自由場壓力傳感器支架無法安裝、固定,因此無法采用沖擊波零時法。

2.3GPS定位法

GPS定位法適用于沉底固定爆源爆炸試驗。GPS定位法指的是在爆源布放的過程中,將GPS天線置于布放鋼纜處,在爆源置底的同時,記錄下此時天線處的水面坐標,作為水下爆源的水平面投影點坐標。在爆源沉底不動的情況下,水下與水面的位置偏差主要由爆源布放過程中海流的影響引起。

GPS定位法適應被試艦艇拋錨或航行二種試驗態勢,還可對從被試艦拋錨、爆源布放到起爆整個試驗過程的艦位、爆距變化情況進行實時監控,為試驗組織指揮提供決策依據。

2.4水聲定位法

到目前為止,聲場是已知水下傳播距離最遠的物理場,因此對水下目標的定位可以采用水聲方法。水聲定位方法從技術方面上來分,主要根據定位所使用的環境、用途等不同的要求,分為主動定位(有源)、被動定位(無源)兩大類。

3水聲主動定位測量方法

主動定位是在回聲測距或同步測距的基礎上,通過布陣交匯的方法對目標定位。根據抗沖擊試驗條件和精度要求,采用長基線定位原理,通過加裝爆源水聽器的手段,可實現對爆源從布放到爆炸全過程的位置測量與顯示,并可通過GPS測量轉換為以大地坐標為基準的絕對坐標,滿足“爆距可控”的試驗指揮要求,并為事后結果評定提供依據。

3.1長基線水聲定位原理

對于測量基線遠大于信號波長的情況歸為長基線,通常長基線定位距離在幾百米及以上。長基線水聲定位是利用目標信號到達各基元的傳播時間測距定位,采用球面交匯實現水平二維定位。

對于布放在海底的沉底爆源定位,可以采用分時長基線手段,通過水面附近的測距儀在不同位置測量與爆源的斜距,經球面交匯獲得爆源坐標,并可通過多點冗余測量進一步提高定位精度。

3.2實用長基線水聲定位方法

對于懸浮爆源,采用布放在海底的水聲應答器作為長基線定位測量的基元,與測距儀配合,采用長基線定位原理球面交匯實現定位。在爆源上加裝僅用于接收的水聽器,避免了聲測量系統對起爆電路的干擾。通過水聽器接收應答器的定位信號,實現對爆源的持續定位。鑒于長基線測量手段對深度的測量精度較低,以下定位解算方法基于應答器和水聽器的深度都采用深度壓力傳感器測量值的情況下。

3.3定位解算方法

設測距儀的坐標為:(x0,y0,z0),在海底布放兩個應答器,且應答器的坐標為:(xi,yi,zi)(i=1,2),爆源的大地坐標為:(X,Y,Z)。設測距儀到應答釋放器的距離為Ri(i=1,2),則有:

(1)

設測距儀t0時刻開始發射詢問信號,測距儀檢測單元在t1時刻收到詢問信號,在t2,t3時刻收到應答器的應答信號,忽略應答器收發延時,聲速為c。

根據幾何關系可列出如下方程:

(2)

上述三個方程中,未知量為X和Y,Z由壓力傳感器測定。其余的量都為已知,解上述方程即可求得爆源的位置,此時方程有唯一解。

4被動水聲定位方法

被動定位利用目標自身輻射聲信號對目標的位置進行估計,具有高取樣率和隱蔽性等優點。在水下爆炸試驗中,只有在爆炸瞬間才具備沖擊波聲源,因而可以利用矢量水聽器來實現被動定位。所以采用遠距離布設矢量傳感器接收爆炸反射信號,用方位交匯或時延差雙曲線定位的方法測定爆源坐標。

4.1爆炸聲信號的分析

爆炸聲是爆炸沖擊波產生的瞬時信號。顯然,水中爆炸的特點是爆炸波的瞬時壓力峰值高,聲強級較大,根據《彈藥水中爆炸的水聲效應》一文可知,1g的RDX(黑索金)炸藥爆炸產生的最大瞬時聲源級高達218dB。且爆炸聲由炸藥瞬間爆炸產生的沖擊力,其持續時間通產很短,在100ms以內爆炸聲衰減至很小,脈沖持續時間短,衰減速度快(不考慮混響和多途);聲信號持續時間較短,而且信號測量距離較長。直接測量爆炸聲信號會有很大誤差,因為爆炸聲信號是非線性的信號,因此在對爆源定位精度要求不高的情況下可以通過對反射聲信號的測量進行定位。

4.2矢量水聽器水聲定位原理

使用矢量水聽器對爆點進行定位,不需要在參試目標上安裝測點,采用遠距離布設矢量水聽器接收爆炸信號,用方位交匯或時延差雙曲線定位的方法精確測定爆點坐標,除有效降低測量成本,提高測量可操作性外,還可成功解決被攻擊目標無法安裝測點情況下的定位問題。該定位方法的基礎是矢量水聽器的測向。矢量水聽器可以同時測量聲場的聲壓和振速,通過二維矢量傳感器同點輸出聲壓P和二維質點振速(Vx,Vy),可用來測量目標方位角θ。目標水平方位θ為

(3)

4.3純方位水聲定位方法

使用矢量水聽器進行目標定位可使用兩種解算方法:一種是純方位定位,一種是時延差雙曲面定位。純方位方法利用矢量水聽器計算目標方位角再進行幾何平面計算。時延差雙曲面則是利用水聽器浮標陣的各陣元的時延差進行解算定位。

僅考慮平面定位,定義基線坐標系為:以陣元1為坐標原點,陣元1和陣元2構成的基線為X軸,X軸的正方向為由陣元1指向陣元2,該坐標系為基線坐標系,如圖1所示。

圖1　純方位定位示意圖

在陣元1、2和目標T組成的三角形中,令α12是以陣元1為頂點的內角,α21是以陣元2為頂點的內角,d12為基線長度,它可以由浮標上的DGPS數據計算得到。

大地坐標取“北東地”坐標,矢量傳感器的X軸方向在安裝時校正為與正北方向一致,Y軸方向校正為正西方向,大地坐標系與基線坐標系的夾角γ1可由二陣元DGPS位置得到,陣元1,2測得的目標方位角分別為β1和β2(順時針為正)。則有:

(4)

只考慮平面定位幾何關系可得出

(5)

整理后可得

(6)

又因為

θ12=π-(α12+α21)

(7)

所以可將上式整理為

(8)

從原理上講兩個陣元就可以測量出目標位置,但是為保證測量結果更加精準,通常需要三個以上陣元提供復數的數據。

4.4時延差測量雙曲面定位

時延差雙曲面定位的優勢在于它無需應用矢量水聽器的矢量信號,只需要復數的陣元接收到同一信號的時延差,便可對目標進行定位解算。

目標測量區域有四個水聽器,以海平面為xoy平面,建立坐標系。設目標坐標(x,y,z),四個陣元的坐標已知為(xi,yi,zi)(i=1,2,3,4),取其中三個水聽器(1,2,3)。

設:

(9)

聲速為c,τ12為1號2號的時延差,τ23為2號3號的時延差,τ31為3號1號的時延差,則可導出下式:

(10)

解上式可以得出目標坐標,具體方法同長基線水聲定位方法。

5結語

水聲長基線定位法,通過布放在海底的水聲應答器和測距儀配合使用,實現對爆源位置的連續定位測量,而且還避免了聲測量系統對起爆電路的干擾。為試驗的指揮決策提供了有力支持。

矢量水聽器水聲定位法通過矢量水聽器的使用實現定位,但是因為測量的為爆炸聲到被試目標的反射聲,所以無論是通過純方位定位還是時延差雙曲線定位都只能模糊反映爆源爆炸時刻的即時爆源位置。這就大大限定了使用范圍。該方法還需要對矢量水聽器和水聲信號處理分析提出更高的要求。

這里討論的水聲定位方法,是僅從水聲定位的原理和技術方面出發,在實際使用中可以根據具體測量需求,靈活選擇測量方法。而且不難發現水聲手段測量水下目標的優越性。但是,也應該看到,使用水聲手段進行爆源定位無法即時顯示爆距卻可以計算出爆炸零時即時爆距或者是被試目標的位置。因此在具體實施使用中應該根據要求選擇定位手段方法。

參 考 文 獻

[1] 施一民.現代大地控制測量[M].北京:測繪出版社,2003.

[2] 田坦.水下定位與導航技術[M].北京:國防工業出版社,2007.

[3] 李兵,寧永成,董忠臣,等.水面艦艇抗沖擊試驗定位方法研究[J].測繪科學,2010,35(S1):117-119.

[4] 孫大鵬,王永亮,王樹樂.基于實船抗爆炸沖擊試驗的爆源定位方法[J].艦船科學技術,2012,34(4):36-39.

[5] 魏麗萍,陳巖,陳庚,等.不等間距非直線三元陣在水聲平面聲源被動定位中的應用[J].應用聲學,2009,28(6):447-453.

[6] 王燕.非合作目標精確定位技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2006.

[7] 李嶷,孫長瑜.不同布陣方式下球面交匯定位系統性能分析[J].聲學技術,2008,27(5):649-653.

[8] Kenneth W. K. Lui, H. C. So. Study of two-dimensional sensor placement using time-difference-of-arrival measurements[J]. Digital Signal Processing,2009,19:650-659.

[9] 蘭華林,孫大軍,張殿倫,等.海底應答器絕對位置快速校準[J].計算機工程與應用,2007,43(22):191-193.

[10] 潘正偉.彈藥水中爆炸的水聲效應[J].彈箭與制導學報,1998:38-42.

中圖分類號U666

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.038

作者簡介:管啟亮,男,助理工程師,研究方向:水聲測量。

收稿日期:2015年9月10日,修回日期:2015年10月24日