基于多普勒-隨機共振技術的高精度陣形估計系統研究

王世闖，王曉林，龐玉紅

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基于多普勒-隨機共振技術的高精度陣形估計系統研究

王世闖，王曉林，龐玉紅

(杭州應用聲學研究所，浙江杭州 310012)

潛用拖曳線列陣聲吶在拖曳過程中，隨著潛艇的運動狀態變化，其線陣陣形會產生一定的畸變。速度越慢，其畸變幅度越大。陣形畸變，將影響聲吶的探測性能。為有效提高拖曳聲吶的探測能力，需對陣段不同拖曳狀態進行陣形變化研究。基于以上研究需求的基礎上，使用隨機共振技術和陣元多普勒頻移特性，在實驗室或湖上構建了陣形估計系統，該系統可對不同拖曳狀態的測試陣段實時地精確估計陣形，滿足拖曳線列陣聲吶陣形估計技術研究的需求。

隨機共振；拖曳聲吶；陣形估計；多普勒

0 引言

國際上潛用技術發展迅速，潛艇輻射噪聲級正以每年平均1 dB量級下降，出現了一系列和海洋背景噪聲水平相當的安靜型潛艇。為使己方潛艇可在理想范圍先敵發現目標，多國為己方潛艇裝備了拖曳線列陣聲吶。該型聲吶具有聲學孔徑大、工作頻率低、平臺干擾小、工作深度可調等眾多其他艇載聲吶無法超越的特點，具備遠程被動探測安靜型潛艇能力。

目前，拖曳線列陣聲吶探測目標時，以陣形保持直線為前提，為保證聲吶探測性能，潛艇需盡可能保持穩定航行狀態，這在一定程度上限制了潛艇的機動性。同時，為保證本艇自身隱蔽性，潛艇巡弋速度較低，而拖曳線列陣聲吶在較低拖速下，容易呈蛇形運動，故為保證拖曳線列陣聲吶在低速下的探測性能，需對不同拖曳狀態下的線陣運動狀態進行研究，以作為后續信號處理的補充。

目前，國際上對陣形研究的方法較多，但各種方法的估計效果無法直接得到驗證。因此，需構建一套高精度的陣形估計系統作為衡量標準，為各種陣形估計技術的驗證和發展做鋪墊。

1 隨機共振技術原理

隨機共振(Stochastic Resonance，SR)為非線性雙穩態系統，其勢函數[1-2]表示為

式中，為噪聲能量。隨著噪聲能量的增加，其躍遷概率也相應提高，則質點可在兩個勢阱間相互躍遷，此時該系統則產生SR。

與其他技術相比，隨機共振技術在檢測微小頻率弱信號方面，具有突出的優勢。

2 運動陣元的多普勒頻偏轉換

多普勒頻偏量為

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3 SR頻偏信號檢測

SR理論適用于頻率很低(0~1 Hz)的信號的檢測。對于高頻率信號，由于兩個勢阱之間的轉換頻率低于信號高低電平變換的頻率，無法產生SR現象。通過第1節的分析可知，頻偏信號正在該范圍內，可使用SR技術進行檢測。

為了使SR方法可以檢測頻偏量，需將陣元接收信號進行調制，轉變為頻偏信號。

通過固定位置的換能器發射信號，拖線陣上的水聽器在拖曳過程中對發射信號進行接收。

水聽器陣元在時刻接收到的信號(含噪聲)為

固定位置的換能器發射的原始信號為

由式(14)可知，調制后的噪聲仍是高斯白噪聲。

由式(10)可知，經過調制后的信號的頻率成分變為兩個，一個為原始信號的頻率與掃頻載波信號的差值，另一個為其和值。如果掃頻載波信號的頻率與原始信號頻率差值非常小，就可以得到小參數的輸入信號，然后經過濾波器，將其大頻率信號濾除，獲得頻偏信號。將該信號通過非線性雙穩態系統，輸出便產生SR。具體實現過程如圖1所示。

圖1 SR檢測頻偏流程圖

由圖1可知，將拖線陣水聽器接收的信號與固定位置的換能器發射的單頻信號通過信號調制器進行調制；調制后的信號包含了調制后的低頻信號、高頻信號和調制噪聲；其后通過低通濾波器進行濾波，濾掉高頻信號后，僅剩低頻信號和調制噪聲；將低頻信號和調制噪聲通過非線性雙穩態系統，則可形成SR現象，該系統的輸出可精確地檢測出頻偏信號。

4 系統構建

根據SR的信號檢測理論和多普勒頻移理論，可構建陣形估計系統。

在有效測試空間內構建笛卡爾坐標系，如圖2所示。

兩軸構成平面B，兩軸構成平面C，兩軸構成平面A，三平面內各安裝一個水聲換能器，分別稱為換能器A、B、C。如圖3所示。

圖2 測試空間笛卡爾坐標系

圖3 測試空間換能器安裝示意圖

圖4 SR陣形估計系統

5 仿真實驗分析

根據拖曳平臺運動狀態，構建測試陣段各陣元在各時刻的接收數據，同時在各陣元單頻信號基礎上，增加噪聲能量。通過調制，獲得了多普勒頻偏信號，如圖6所示。

圖5 拖曳平臺運動軌跡

圖6 經過150 Hz發射頻率調制后的單陣元輸入信號

圖7 經過SR后的輸出信號

由圖6和圖7可知，經過SR系統后，調制信號由雜亂無章狀態變為有序上下的躍變狀態。

對所得到的輸入信號和輸出信號進行頻譜分析，結果分別如圖8、9所示。

將構建的陣形與經過上述方法檢測的陣形進行對比分析，求得不同時刻估計的各陣元位置與構建的陣形中對應陣元位置之間的距離，并計算該距離與陣長比值，將所有陣元計算的距離比值求平均，則獲得估計陣形誤差值，如圖10所示。

經分析圖10可得，估計的陣形與構建陣形的偏差值在6%以內，滿足陣形估計的精度要求。

圖8 調制信號頻譜

圖9 經過SR后的信號頻譜

圖10 陣形估計誤差

6 結論

本文論述了SR信號檢測理論、陣元運動多普勒頻偏理論和多普勒頻偏信號提取理論，并且根據以上理論，構造了SR高精度多普勒陣形估計系統。根據陣形運動特性，進行了理論分析與實驗仿真，得出了該系統可以實時精確估計陣形的結論。因系統工程尚未構建，湖試或實驗室試驗不具備條件，尚未進行實際數據分析，后續將根據基礎建設需求，對實際數據進行分析，以驗證該系統的實用性和可靠性。

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Research on precise array shape estimation system based on Doppler shift and stochastic resonance technique

WANG Shi-chuang, WANG Xiao-lin, PANG Yu-hong

(Hangzhou Applied Acoustics Research Institute, Hangzhou 310012, Zhejiang, China)

The array shape towed under water will generate a certain distortion if the movement of towing device changes. And, the slower the towing speed, the greater the distortion magnitude, obviously the distortion affects the detection performance. To improve the detection performance of the towed array, how the array shape changes in different towing states needs to be researched. This paper introduces the research results based on these demands, and proposes using the stochastic resonance (SR) technique and Doppler shift character to build a shape estimation system of towed array. This system can provide precise estimates of the array shape in real time to meet the needs of shape estimation technique for towed array sonar.

stochastic resonance (SR); towed array sonar; array shape estimation; Doppler shift

TB566

A

1000-3630(2018)-03-0222-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.03.005

2017-06-15;

2017-08-26

王世闖(1987－), 男, 遼寧丹東人, 滿族, 工程師, 研究方向為水聲工程。

王世闖, E-mail: wsc_715@163.com