水下目標方向的復合增強探測方法研究

2019-08-21 06:06:58李環，任霞

沈陽理工大學學報 2019年3期

李環，任霞

(沈陽理工大學信息科學與工程學院，沈陽 110159)

目前，精確地搜索出淺海水下目標方向越來越受研究者的關注，其主要的方法是用聲吶進行搜索。然而在淺海領域用聲吶搜索水下目標的方向時，聲吶在測量數據時極易被外界條件影響，如多徑效應、海洋噪聲、傳播衰減等，這些因素嚴重影響聲吶的作用距離和測量精度[1]。

當淺海領域的某一目標產生噪聲時，會以波的形式在水中傳播，其中一部分傳播到海底引起地震波振動[2-3]。利用矢量傳感器測量地震波振速，可有效減少外界干擾，同時不易被外界發現，增強了保密性。

本文提出采用復合增強探測的方法搜索淺海海底水下目標方向。該方法采用聲吶測聲壓標量，用矢量傳感器測地震波振速矢量，對二者進行互譜處理后，得到水下目標的水平方位角，最后根據矢量傳感器的單邊指向性，便可準確搜索到目標方向。

1 復合增強探測的原理

復合增強探測實質上是聲壓標量和地震波振速矢量各個分量經過FFT變換(快速傅里葉變換)后，對相應的聲壓頻譜P(w)及振速頻譜Vi(w)進行互譜處理，再對互譜函數取實部求得水平方位角，最后根據矢量傳感器的單邊指向性找到目標方向，其原理框圖如圖1所示。

圖1 復合增強探測的原理框圖

對聲壓p(t)作FFT變換得到聲壓頻譜P(w)；對地震波振速vi(t)(i=x,y)作FFT變換得到地震波振速頻譜Vi(w)；對聲壓和振速進行互譜，其互譜函數Spvi(w)為

(1)

式中*表示取共軛。

對互譜函數作平均，這里采用滑動窗時間平均，得到的平均時間周期輸出〈Spvi(w)〉為

(2)

式中〈〉表示求滑動窗平均周期。

在水下目標方向的復合探測方法研究中，聲壓與地震波振速具有相同的相位。根據傅里葉變換基本特性，兩個同相位輸入的能量集中在互譜的實部，即水下目標的噪聲能量主要集中在互譜輸出的實部，而虛部為干擾能量[4]。互譜函數的實部PVx(w)和PVy(w)分別為

(3)

式中：PVx(w)是Spvx(w)的實部；PVy(w)是Spvy(w)的實部。

水下目標的水平方位角θ的公式為

(4)

在實際問題中，以x軸方向為θ零度[5]，則有

(5)

式中x(t)為目標信號。

定義引導方位角ψ=0°，求出地震波振速分量vx(t)和vy(t)的旋轉水平分量vc(t)和旋轉垂直分量vs(t)為

(6)

將聲壓p(t)和地震波振速旋轉水平分量vc(t)相加，得

p(t)+vc(t)=x(t)[1+cos(θ-ψ)]

(7)

其歸一化指向性Rc(θ)為

Rc(θ)=[p(t)+vc(t)]/2x(t)

(8)

同理，聲壓p(t)和地震波振速旋轉垂直分量vs(t)相加，得

p(t)+vs(t)=x(t)[1+sin(θ-ψ)]

(9)

其歸一化指向性Rs(θ)為

Rs(θ)=[p(t)+vs(t)]/2x(t)

(10)

2 系統結構組成

在水下目標方向的搜索中，水下目標產生的信號在水中傳播引起淺海海底地震波發生變化，在接收端對這個信號進行接收，用聲吶接收其聲壓信號，同時，用矢量傳感器接收其振速信號，然后根據復合增強探測的原理準確找到水下目標的方向。在上述過程中，由于水中存在各種噪聲干擾信號，所以在接收時包括干擾噪聲。系統的具體結構組成如圖2所示。

圖2 系統結構組成圖

聲吶是一種利用聲波在水中的傳輸特性，通過信息處理，完成水下目標的跟蹤、探測、定位等的電子設備。在此次實驗中，利用聲吶主要是為測出水下目標的聲壓標量p(t)。但聲吶只能測得其與水下目標的距離而不能得出水下目標的具體方向。圖3為聲吶實物圖。

圖3 聲吶實物圖

矢量傳感器是一種在直角坐標系中可同時測得一個或多個矢量的設備。水下目標產生噪聲在水中進行傳播，引起淺海海底地震波發生振動，矢量傳感器主要測量地震波振速矢量的兩個分量vx(t)和vy(t)。根據矢量傳感器的單邊指向性[6]，可準確搜索到水下目標的方向。圖4為矢量傳感器實物圖。

圖4 矢量傳感器實物圖

3 實驗數據預處理的方法

3.1 包絡檢波法

包絡檢波法是一種非相干解調，包括全波整流器和低通濾波器，其原理框圖如圖5所示。

圖5 包絡檢波法的原理框圖

圖5中，全波整流器的作用是對輸入的數據取絕對值，進而使輸入數據的取值都轉換成正值；低通濾波器的作用是允許低于截止頻率的信號通過而不允許高于截止頻率的信號通過。

3.2 歸一化處理法

歸一化處理法指的是整組數據中的每個數據除以該組數據中的最大值，從而將全部數據變為(0，1)之間的小數。這種方法是為簡化數據處理過程而提出的，計算公式見式(11)。

x1=x/xmax

(11)

式中：x為原始數據；xmax為原始數據中的最大值；x1為歸一化處理后的數據。

4 仿真與結果分析

4.1 聲吶測出的聲壓與矢量傳感器測出的振速

將聲吶和矢量傳感器置于水中，然后在水下目標位置發射正弦波信號s(t)。

s(t)=sin(2π×1/180×t)+1

(12)

由正弦波載波c(t)對其進行調制，同時用聲吶測量聲壓標量數據，矢量傳感器測量地震波振速矢量數據。

c(t)=cos(2π×800×t)

(13)

在發射信號的同時，利用數據采集器進行數據采集，由于數據采集器插有電源，所以在采集過程中混入交變電流干擾信號n(t)以及其他噪聲。

n(t)=sin(2π×50×t)

(14)

因此，采集的數據是發射信號在被調制的基礎上又添加了噪聲的信號。但對于復合增強探測方法來說，實際需要的是發射信號的數據，因此必須對采集的數據進行解調(這里采用包絡檢波法)。經過解調后，對數據進行歸一化處理，即可得到聲壓p(t)、地震波振速水平分量vx(t)和地震波振速垂直分量vy(t)的仿真結果，圖6～圖8所示。