水中動態爆點純方位定位有效測量距離分析

陸　揚，管啟亮，譚　鑫，魏傳林

(中國人民解放軍91439部隊，遼寧 大連　116041)

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水中動態爆點純方位定位有效測量距離分析

陸揚，管啟亮，譚鑫，魏傳林

(中國人民解放軍91439部隊，遼寧 大連116041)

摘要：為解決傳統水中動態爆點雙曲線定位技術的成本大、測點精度低等問題，提出了利用純方位測量技術實現水下動態爆點的實時定位方法；介紹了基于矢量水聽器技術的純方位定位原理，根據矢量水聽器的特點分析了接收信號信噪比與傳播距離的關系和爆炸聲在不同傳播距離上的聲傳播損失、接收點的信號聲壓級，對有效測量距離進行了估算。

關鍵詞：動態爆點；聲信號；測量范圍

在魚、水雷作戰效能試驗、水中兵器爆炸毀傷試驗和部隊實雷攻靶訓練中，魚雷和火箭上浮水雷攻擊水中目標時的動態爆點定位數據是作戰效能、攻擊效果、毀傷能力評估的重要依據[1-3]。研究表明：單個矢量水聽器即可完成對目標的高精度測向工作[4-6]，純方位定位(bearing-only location,BOL)方法，又稱為測向交叉定位法或三角定位法[7]，是被動定位技術的一種。本文提出的利用純方位定位原理對動態爆點進行精確定位，可有效解決傳統雙曲線定位技術[8]的成本大、難度高、測點精度低等問題。

爆炸聲信號屬于瞬態信號，信號聲源級取決于裝藥類型和裝藥量。定位系統設計及海上浮標布陣都需要對系統測量范圍進行理論分析計算。本文根據矢量傳感器的特點分析了接收信號信噪比與傳播距離的關系，計算爆炸聲在不同傳播距離上的聲傳播損失和接收點的信號聲壓級，得到了系統有效測量范圍，為定位系統設計及海上工程實施提供了理論依據。

1水中動態爆點純方位定位原理

圖1　浮標陣測量定位原理圖

在陣元i，j和目標T組成的三角形中，令αij_1是以陣元i為頂點的內角，αij_2是以陣元j為頂點的內角，dij為基線長度，它可以由浮標上的DGPS數據計算得到。

(1)

目標在基線坐標系的坐標:

(2)

假設：

(3)

將式(1)代入式(2)，式(3)可改寫為

(4)

2定位系統有效測量范圍估算

在浮標陣定位系統中，系統的工作頻帶Δf=4 500 Hz。按北部海域四級海況計算，海洋環境噪聲級：

NL=10×lg(Δf)+NL0=10×lg(Δf)+lg(S/N0)

(5)

其中，NL0取70 dB，對應的海洋背景噪聲級如表1所示。

表1　背景噪聲級

上述4 500 Hz為系統工作帶寬，10 kHz為爆炸聲能量集中頻段。由于信號能量主要集中在低頻，相比幾何拓張損失，海水聲吸收損失很小，可以忽略。聲傳播模型可以考慮為淺海只有幾何拓張的聲傳播模型[9-10]。

考慮球面傳播損失情況下，傳播損失隨距離變化如下：

TL=20lg(r)

(6)

考慮柱面傳播損失情況下，傳播損失隨距離變化如下：

TL=10lg(r)

(7)

柱面傳播是考慮邊界全反射條件下的聲傳播，可以認為是最理想的情況，球面傳播模型沒有邊界反射的貢獻，傳播損失較大。作用距離應該考慮最大傳播損失情況下的檢測效果，所以選擇球面傳播模型。

聲波在高頻遠距離傳播時，聲吸收損失往往很大。4 500 Hz的聲信號的聲傳播損失為約為0.36 dB/km。10 kHz的聲信號的聲傳播損失約為1.38 dB/km。這就意味著10 kHz聲信號在10 km距離處的聲吸收損失高達13.8 dB。所以高頻信號遠距離傳播時聲強級會急劇減小(圖2)。

圖2　不同頻率聲傳播損失

振速傳感器有偶極子指向性，在二維各向同性噪聲場中有3 dB的空間增益，即DI=3 dB，水聽器的振速的接收信噪比有如下公式：

S/N=SL-TL-NL+DI

考慮1 G RDX炸藥爆炸產生的聲源級約為218 dB。在該聲源級的情況下，不同接收距離下接收信號信噪比如圖3所示。

由于信號需要通過A/d端采集，A/d端的參考電壓為3.3 V，振速的靈敏度為-192 dB，放大量為5倍，所以水聽器輸出超過3.3/5=0.66 V時信號將發生削波，影響信號的檢測性能。

SI=20lg(U)-SLr

(8)

其中SI為接收靈敏度，SLr為接收點處收到的爆炸聲聲壓級，U為水聽器輸入電壓，將上面參數代入可得：

SLr=20lg(0.66)-(-192)=188.4 dB

(9)

所以接收點的聲壓級超過188.4 dB，A/d將發生削波，當聲壓小于一定值時信號將埋沒在電路噪聲中，實際電路噪聲均方值約為3mV，而電路系統的動態范圍約為1 000倍，即動態范圍約為60 dB。所以當接收點的聲壓級小于128.4 dB時系統無法正常估計和檢測。這里忽略海洋背景噪聲影響，這是因為4 500 Hz工作帶寬接收的海洋背景噪聲為106.5 dB，遠小于電路噪聲128.4 dB。由此可以得到距離爆炸聲源不同距離處的聲壓級如圖4所示。

圖3　聲源級218 dB下的接收信噪比

圖4　接收點聲壓級

由此可得1 g RDX炸藥爆炸產生的聲源級218 dB時，系統正常工作的作用距離為0.320～16 km，50 g RDX炸藥爆炸產生的聲源級240 dB時系統正常工作的作用距離為0.375～46.5 km?？紤]最近距離不發生削波且最遠距離能夠檢測的情況下，作用距離可以設置為0.375～16 km。

3結束語

對水下實航魚雷動態爆點的精確定位，在魚雷作戰效能試驗、爆炸毀傷試驗鑒定領域具有重要意義。本文根據矢量傳感器的特點分析了接收信號信噪比與傳播距離的關系，計算分析了爆炸聲在不同傳播距離上的聲傳播損失和接收點的信號聲壓級，對有效測量范圍進行了估算，提供了理論計算結果，對測量系統設計和海上浮標布陣的工程實施具有重要的指導意義，對其他水中兵器動態爆點定位測量范圍估算也具有較強的參考價值。

參考文獻：

[1]楊榜林，岳全發.軍事裝備試驗學[M].北京：國防工業出版社，2002.

[2]岳劍平,張召奎,朱學文等.水中兵器實驗與鑒定[M].北京：國防工業出版社，2008.

[3]武小悅，劉琦.裝備試驗與評價[M].北京：國防工業出版社，2007.

[4]孫貴青，楊德森，張攬月，等.基于矢量水聽器的最大似然比檢測和最大似然方位估計[J].聲學學報，2003，28(1)：66-72.

[5]楊士莪.單矢量傳感器多目標分辨的一種方法[J].哈爾濱工程大學學報，2003，24(6)：591-595.

[6]HAWKES M,NEHORAI A.Acoustic vector-sensor beamforming and Capon direction estimation[J].IEEE Trans Signal Processing,1998,46(9):2291-2304.

[7]GABISH M.Analysis of bearing-only target location algorithms[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic systems,1992,28(3):817-827.

[8]武征,孫翱,任冰明,等.海上靶場試驗測控技術[M].北京：國防工業出版社，2007.

[9]劉伯勝，雷家煜.水聲學原理[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1993.

[10]惠俊英，生雪莉.水下聲信道[M].2版.北京：國防工業出版社，2007.

(責任編輯周江川)

本文引用格式：陸揚，管啟亮，譚鑫，等.水中動態爆點純方位定位有效測量距離分析[J].兵器裝備工程學報，2016(5):12-14.

Citation format:LU Yang,GUAN Qi-liang,TAN Xin,et al.Analysis on Effective Measuring Distance of Bearings Only Positioning Methods to Locate Dynamic Detonation Point Underwater[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):12-14.

Analysis on Effective Measuring Distance of Bearings Only Positioning Methods to Locate Dynamic Detonation Point Underwater

LU Yang,GUAN Qi-liang,TAN Xin,WEI Chuan-lin

(The No.91439thof PLA,Dalian 116041,China)

Abstract:In order to solve the questions such as big costs,less accurate of measure point of the traditional hyperbola locating technology and so on,we presented a method of bearings-only location to locate dynamic detonation point.And we recommended the technology of bearings-only location based on vector hydrophones.According to the characteristics of vector hydrophone,the relation between SNR of receipt signal and the signal propagation distance was analyzed,the acoustic signal transmission loss and acoustic signal pressure level of the detonation in the different propagation distance were analyzed and the effective measuring distance was estimated.

Key words:dynamic detonation point; acoustic signal; measuring range

doi:【裝備理論與裝備技術】10.11809/scbgxb2016.05.003

收稿日期：2015-12-25；修回日期：2016-01-20

作者簡介：陸揚(1966—)，男，博士，高級工程師，主要從事水下測控研究。

中圖分類號：TB56

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)05-0012-03