CZ-7遙2運載火箭發射次聲信號分析研究

文雨迪，任文濤，楊 宇，陳 堅，韓 勇，葉依眾

(1.中國科學院國家空間科學中心, 北京 100190； 2.中國科學院大學, 北京 100049)

次聲波是頻率范圍在0.002～20 Hz內的聲波。火山噴發、海嘯、極光、地震等自然現象和化學爆炸、火箭發射、飛機飛行等人類活動都能產生次聲波[1-2]。次聲波具有傳播距離遠和不易衰減的特點，因此次聲監測是一種重要的遠區監測技術手段[3]。

火箭發射是一類具有重要研究價值的次聲源，由于發射時間與發射地點明確，對于研究火箭發射次聲信號特征具有重要意義[4]。2017年4月20日，我國在海南文昌航天發射中心利用CZ-7遙2運載火箭成功發射了 “天舟一號”貨運飛船[5]，布設在海南博鰲、澄邁、儋州的三個次聲陣均監測到了明顯的火箭發射次聲信號。通過對火箭發射次聲信號的分析研究，確定了運載火箭發動機類型；利用基于順次多道相關(Progressive Multi-Channel Correlation，PMCC)信號檢測算法的次聲信號實時處理軟件，計算出信號掠過次聲陣的相速度和到達方位角，從而推算出火箭飛行過程中在地面上投影點的運行軌跡；分析結果符合火箭發射的實際情況。

1 火箭發射及次聲監測陣布設

1.1 火箭發射

根據已公開資料，CZ-7遙2火箭總長53.1 m，直徑3.35 m，4個捆綁助推器直徑2.25 m，采用低溫液氧煤油發動機；火箭發射零時為19∶41∶35∶361，發射點坐標為110.959 8°E、19.616 8°N；箭船分離時間為19∶51∶38∶372，分離點坐標為123.810°E、7.796°N，高度為200.423 km[6-7]。

1.2 次聲監測陣布設

針對此次火箭發射，我們在海南博鰲、澄邁、儋州布設了三個次聲陣進行遠程次聲波監測試驗。其中，火箭發射點距博鰲三點次聲陣62.5 km、方位41.2°，距澄邁兩點次聲陣114.6 km、方位105.3°，距儋州三點次聲陣191.5 km、方位86.7°；三個次聲陣在本次試驗中均接收到了火箭發射次聲信號。火箭發射點與次聲監測陣相對位置如圖1所示。

圖1 火箭發射點與次聲監測陣相對位置

2 火箭發射次聲信號特征分析

本文只選取布博鰲和儋州次聲陣獲取的CZ-7遙2火箭發射實測數據進行分析研究，次聲監測設備采樣頻率100Hz、監測頻率范圍0.01～25Hz；選取的信號長度60000點，即10min的數據。博鰲和儋州次聲陣采集到的火箭發射次聲信號波形如圖2所示。

圖2 博鰲和儋州次聲陣接收到的火箭發射次聲信號波形

2.1 火箭發動機類型分析

火箭發動機分為固體燃料發動機和液體燃料發動機兩種類型。火箭發射時，固體燃料發動機產生的次聲信號具有峰值很高的點火過渡過程特征，這是因為固體燃料發動機點火后需要經過一段壓力振蕩才能進入完全燃燒狀態。圖3為2009年Delta2火箭發射產生的次聲信號，可明顯看到波形具有初始過渡過程，這是固體燃料發動機的特征[8]。

圖3 Delta2火箭發射次聲信號

液體燃料發動機產生的次聲信號沒有初始過渡過程，信號幅度緩慢地增強。對博鰲次聲陣接收到的火箭發射次聲信號進行0.5～15 Hz濾波，得到如圖4所示波形。從圖4中我們可以看到,次聲信號波形中沒有初始過渡過程，而是信號從初到后逐漸增強，后有幾個起伏，然后慢慢消失，波形持續時間長、強度高，這符合典型的液體燃料發動機產生的次聲信號波形特征。由此，可判斷火箭發動機為液體燃料發動機，符合CZ-7遙2使用的是低溫液氧煤油發動機的實際情況。

圖4 對博鰲次聲陣接收到次聲信號進行0.5～15 Hz濾波

2.2 火箭發射次聲信號的多普勒頻移

當聲源與監測陣存在相對運動時，監測陣監測到的聲信號就會產生多普勒頻移。CZ-7遙2火箭的發射軌跡為東偏南，隨著火箭加速遠離次聲陣，次聲陣接收到的次聲信號應產生向低頻過度的多普勒頻移(red shift，紅移)。

我們首先對博鰲次聲陣接收到次聲信號進行濾波處理(見2.1節)，然后對濾波后的次聲信號進行頻譜重心分析，頻譜重心分析結果如圖5所示。從圖5中的趨勢線我們可以清晰的看到，由于火箭發射次聲信號的頻率較高，博鰲次聲陣開始接收到次聲信號時頻譜重心比較快速的上升；但隨著火箭加速遠離次聲陣，次聲信號的頻譜重心逐漸下降，直至淹沒在到背景噪聲的頻譜當中；因此，博鰲次聲陣接收到的次聲信號產生了多普勒頻移。儋州次聲陣接收到的次聲信號也存在多普勒頻移現象，如圖6所示。

圖5 博鰲次聲陣接收到火箭發射次聲信號的多普勒頻移

圖6 儋州次聲陣接收到火箭發射次聲信號的多普勒頻移

2.3 火箭運行軌跡分析

博鰲和儋州次聲陣利用基于PMCC信號檢測算法的次聲信號實時處理軟件，計算出了火箭發射次聲信號掠過次聲陣的實時相速度和到達方位角，其結果見圖7。其中同心圓的半徑表示的次聲信號的相速度(單位 km/s)；在圓周上順時針轉動一周，與正北方向的夾角表示0°～360°；顏色條表示時間(單位hh∶mm∶ss)。

博鰲次聲陣計算出火箭發射次聲信號初到時刻的方位角為40.9°、消失時刻的方位角110.5°；儋州次聲陣計算出火箭發射次聲信號初到時刻的方位角為86.5°、消失時刻的方位角106.8°。根據球面方向交匯定位算法[9]，可推算出火箭發射點A的坐標110.956 4°E、19.604 7°N，火箭飛出大氣層時在地球表面上投影點B的坐標112.009 7°E、18.677 3°N；A、B兩點的連線即為推算出的火箭發射運行軌跡在地球表面上的投影，如圖8所示。

為驗證推算結果是否符合CZ-7遙2火箭發射運行軌跡的實際情況，可利用已公開資料中火箭發射的相關數據進行檢驗。火箭從發射升空到箭船分離歷時約603 s，火箭飛行過程中的高度及在地球表面上投影點坐標見表1。

圖7 火箭發射次聲信號掠過博鰲和儋州次聲陣

圖8 火箭發射運行軌跡

序號經度/°E緯度/°N高度/km1110.959 819.616 802111.6119.0871.23111.6419.0573.24111.6619.0474.25111.6719.0275.36112.3418.46111.77112.3518.44112.68112.3718.42113.49112.3918.41114.310123.538.08200.411123.727.89200.412123.767.84200.413123.8107.896200.4

根據表1中的數據可描繪出火箭發射的運行軌跡在地球表面上的投影，即圖8中的CD連線。從圖8中可以看出,AB和CD兩條線相當接近，但由于存在次聲信號傳播誤差、次聲監測設備的一致性誤差、測時誤差、計算誤差、數學模型誤差等因素，從而導致次聲監測陣推算出的火箭發射運行軌跡不能和實際發射的運行軌跡重疊在一起。

3 結論

1) 火箭發射次聲信號沒有初始過渡過程，證明火箭發動機類型為液體燃料發動機。

2) 火箭發射次聲信號存在多普勒頻移(紅移)現象，表明火箭在加速遠離次聲監測陣。

3) 利用兩個次聲監測陣接收到的次聲信號推算出了火箭飛行過程中在地面上投影點的運行軌跡，但與火箭實際運行軌跡存偏移誤差。

分析結果基本符合火箭發射的實際情況，證明利用次聲技術可有效監測遠區移動次聲源。