壓差式矢量水聽器定向系統

楊 奮，王二慶

(中國人民解放軍91388部隊，湛江524022)

0 引言

深水炸彈是一種投射式攻擊武器，自身沒有動力，入水后靠自身重力下沉，是對抗水下目標的一種有效武器。若在深彈中裝入測向系統和舵機，使深彈在下沉過程中不斷測量目標方位并調整舵機，使深彈靠近目標，在最近距離上引爆，將有效地提高命中概率［1］。四元壓差式矢量水聽器具有較小的尺寸，能夠同時測量空間一點處的質點振速的2個正交分量和聲壓分量，具有抗各向同性噪聲干擾的能力［2-3］。理論證明，利用聲壓和振速聯合處理方法可以得到4.8 dB指向性增益［4］。在深水炸彈中，利用四元壓差式矢量水聽器設計定向系統，可提高深水炸彈的作戰效能。

1 原理

圖1 目標與水聽器位置關系圖Fig.1 Position of target and hydrophones

系統采用四元壓差式矢量水聽器，如圖1所示。水聽器的4個等效陣元分別為S1，S2，S3和S4，陣的中心為原點，4個陣元的坐標分別為S1(r，0，0)，S2(0，r，0)，S3(-r，0，0)和 S4(0，-r，0);目標的位置坐標為(x，y，z)，入射波系數為K，聲壓為P0，俯仰角為θ，方位角為φ;4個等效陣元接收到的聲壓信號分別為P1，P2，P3和P4，4路聲壓信號的和為P，X軸向振速為Vx，Y軸向振速為Vy。

記A=K*r，當入射波被看作是沒有衰減的平面波時，不失一般性，設P0=1，考慮到工程實現，可以用壓差代替同方向上的振速［2］，則有:

將聲壓信號P做90°相移得到P';再分別與X軸向和Y軸向上的振速響應Vx和Vy做相關和時間積累平均，時間長度為T，分別得到水平和垂直軸向上的平均聲強流k1和k2。此時，可根據k1，k2及P’這3路信號聯合計算出目標所在的方位角。

由式(6)和式(7)可得:

故當f*r/C＜＜1時，式(8)可表示為

做反正切運算，解算出目標方位角，再根據k1和k2的符號確定目標所在的象限，即

2 仿真實驗

用信號源產生信號，經4路移相電路產生仿真矢量水聽器的4路信號送到AD模塊轉化為數字信號，DSP模塊對4路輸入信號進行方位角計算，并把計算結果通過顯示接口進行實時顯示，實驗原理如圖2所示。

圖2 實驗原理框圖Fig.2 Block diagram of the simulation experiment

采樣率為30 kHz，采樣點數為1 024點時，系統完成1次AD采樣需要33 ms。用匯編語言實現實數FFT優化算法，僅需248 499個時鐘周期，采用100 MHz時鐘時，1次FFT計算約需2.5 ms。DSP模塊完成1次方位信息的計算需要60 ms。因為在DSP模塊進行運算的同時就開始了下一批數據的AD采樣，所以系統總的運算時間略微超過60 ms。

實驗是在理想信號源情況下完成的。用3 kHz單頻信號作聲源，通過4通道移相電路產生模擬的水聽器輸出信號，設置水聽器陣尺寸D為0.16 m，聲速C為1 500 m，采樣率fs為30 000 Hz。在俯仰角為40°，方位角在0～360°變化時，由DSP計算方位角，其誤差曲線如圖3所示。方位角均方根誤差為 1.08°。

設置水聽器陣尺寸為0.16 m，方位角為30°，俯仰角為40°，聲源為3 kHz的單頻信號，采樣頻率從10 kHz變化到40 kHz時，DSP計算方位角，其誤差曲線如圖6所示。方位角均方根誤差為0.22°。

圖6 不同采樣頻率時方位角定向誤差Fig.6 Estimation error of azimuth angle on different sampling frequencies

設置方位角為 30°，俯仰角為 40°，聲源為3 kHz的單頻信號，采樣率為30 kHz，水聽器陣尺寸從0.1 m變化到0.3 m，其定向誤差曲線如圖7所示。方位角均方根誤差為0.76°。

圖7 不同水聽器陣尺寸時方位角定向誤差Fig.7 Estimation error of azimuth angle on different array sizes

設置水聽器陣尺寸為0.16 m，方位角為30°，俯仰角為40°，聲源為3 kHz的單頻信號，采樣率為30 kHz，在移相之后給4路信號分別加入噪聲，使信噪比從-10 dB變化到10 dB時，DSP計算方位角，其誤差曲線如圖8所示。

方位角誤差曲線呈有規律的折線，這是因為在算法推導過程中引入了近似條件fr/c＜＜1。這個近似造成系統方位角的定向誤差信號頻率與水聽器陣尺寸有關。

圖8 不同信噪比時方位角定向誤差Fig.8 Estimation error of azimuth angle on different SNR

3 結語

壓差式矢量水聽器定向系統在低頻段具有小于2°方位角定向誤差，完成一次方位計算需要60 ms，該硬件系統還具有體積小的特點。該研究的軟硬件系統和算法可以應用到智能深水炸彈中，也可用于相關的水下目標被動聲定向。

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