一種矢量水聽器浮標補償角挑選方法

李韋華，李玲燕，譚 鑫

(1. 中國人民解放軍91439部隊，遼寧 大連116041；2. 中國人民解放軍91054部隊，北京102442)

0 引言

魚雷彈道的測量經常需要用到矢量水聽器，一般利用多個矢量水聽器組成測量基陣，被動接收魚雷航行噪聲[1]。矢量水聽器浮標作為一種水下目標測向定位設備，校準的準確性對于其保障可靠性非常重要。然而，浮標平臺尺寸限制其不能在平面駐波場中得到校準，工作頻率范圍限制其不能在消聲水池自由場中得以完整校準，因此，尋求一種可以系統地校準矢量水聽器浮標的參數的方法非常必要。而矢量水聽器浮標在海上試驗時一般需用到真方位、聲學方位、羅經值3個參數，但羅經安裝過程中很難正對大地坐標系正北方向，海上試驗前一般都需要校準，通過校準對聲學方位進行補償[2]。在開闊的水域校準矢量水聽器浮標可以不受平臺尺寸和頻率范圍的影響，但聲場環境更為復雜，本文利用海上校準數據對校準原理及過程進行了描述。

1 矢量水聽器浮標校準原理

1.1 矢量水聽器測向原理

矢量水聽器浮標平臺通常由完成測向功能的測向組件和其它輔助配件搭建而成，測向組件一般包括矢量水聽器（聲壓通道、矢量通道）、磁羅盤和信號處理板卡等組成，各部件的參數特性和側向處理方法都會影響測向精度。傳統的水聲信號處理技術僅僅是聲壓信號處理技術，而聯合處理聲壓和振速信息的信號處理技術是矢量信號處理技術。盡管聲壓和振速可以通過尤拉方程相聯系，但聲壓和振速均不能單獨決定聲場的全部特性。尤其在復雜聲場環境下，在實際工作中，聲信號總會受到噪聲的污染，用這種被污染的信號估計目標方位，必將不同程度地引進估計誤差。這時候矢量信號處理就體現出了優越性，因為利用矢量信號處理技術可以有效避免噪聲干擾[3]。

在滿足聲學歐姆條件下，可得到下式

在平均聲強器的組成中，ps、vs的下標表示目標信號，目標信號滿足歐姆定律，目標信號為x(t)，得到上述諸式。nx、ny、np與x(t)相互獨立。再對式（1）作時間平均，可以看出平均聲強器的輸出為

由于nx、ny、np與x(t)相互獨立，因此在高信噪比時，上式右邊只有括號中的第一項之積是主要的。有：

式中：Δx、Δy可忽略，（4）、（5）兩式相除，得到：

式中：表示目標方位θ的估計，單個矢量傳感器可以用該式估計目標方位，即聲學方位。

1.2 矢量水聽器浮標組成

矢量水聽器浮標平臺通常由完成測向功能的測向部件和其他輔助配套組件組建而成，測向部件通常包括矢量水聽器（含聲壓通道和矢量通道）、磁羅盤和水聲信號處理機，其他輔助配套組件包括高精度 DGPS、壓力傳感器、浮體、無線通信電臺和電纜等。其中，矢量水聽器通常有 1路聲壓P通道和3路（C3維）或2路（C2維）相互正交的矢量通道，主要完成對聲信號的接收并轉換成電信號，磁羅盤完成矢量水聽器姿態的監測并輸出姿態信息，水聲信號處理機完成對矢量水聽器輸出的電信號的放大、濾波、采集及測向處理等功能[4]。

浮標系統中矢量水聽器各通道都有獨立的前置放大、濾波、采集電路，這些后級電路的幅頻、相頻特性由于受電子元器件的個體差異影響而不盡相同。因此，在浮標平臺中，矢量水聽器的靈敏度、指向性、幅度相位不一致性等參數應連同各自通道的后級電路一起校準，與單純的矢量水聽器的參數指標校準通常會有一定的差異。矢量水聽器浮標海上校準準確與否，主要取決于矢量水聽器的測向結果，而該結果的主要影響因素有水聽器電聲參數、信號檢測能力、磁羅經、信噪比等4個因素。

1.3 海上校準方法

一般校準，認為當聲信號入射方向不同時，矢量水聽器聲學 0°與羅經正北夾角存在小幅變化，試驗實施方法為動態校準，即試驗中將待校準浮標布放于某一位置，測量母船帶基站、聲源在距浮標1～2 km距離上慢速繞浮標運行1、2圈。通過算法計算每 1°上的校準角，海上校準各角度示意圖，如圖1所示。但該方法不能保證GPS天線和水下發射換能器在同一鉛垂線上。

此時，補償角=真方位+聲學方位+羅經值，其中，各角度坐標系定義如下。

世界坐標系（Xw，Yw）：在較小區域內，認為海面為平面，定義正東方向為x軸正向，正北為y軸正向。極坐標0°與x軸重合。

浮標聲學坐標系（Xv，Yv）：為極坐標系，極坐標0°與矢量水聽器0°（Xv）重合。

真方位：世界坐標系下，由浮標 GPS指向基站GPS的射線，與極坐標0°的夾角。

聲學方位：浮標聲學坐標系下，由浮標水聽器指向基站聲源的射線，與極坐標0°的夾角。

羅經值：世界坐標系下，羅經0°與正北的夾角。

圖1 海上校準各角度示意圖Fig. 1 Schematic diagram of various angles for offshore calibration

2 校準結果分析

考慮到校準角=真方位+聲學方位+羅經值，在海上校準過程中，聲學方位、羅經值可通過浮標數據采集端進行采集并上傳至工作母船[5-7]；真方位可以通過浮標與聲源 GPS計算取得。一般對浮標校準需拖帶聲源在距浮標 1～2 km 距離上慢速繞浮標轉圈，以每一圈為一個條次，然后計算補償角。本文以其中一個條次的數據為例，闡述計算過程。

如圖2，我們給出了測量時間內，所有的真方位、聲學方位、羅經值、補償角，從圖中可知：一部分補償角落到 360°范圍外，這里，我們人為的將角度修正到360°內，方便使用，如圖3。

在實際浮標使用中，補償角僅為一個，因此，我們需要挑選出最適合的一個角度。如圖4，我們將修正后的所有補償角按照大小排列出來，可以看到補償角從60°左右到110°均有分布。如圖5，我們采用直方圖的方法進行挑選，即將所有補償角分為 500等份，計算每一等份內補償角樣本數，在150～400等份內的分布較多，我們挑選樣本數最多的一個分布空間作為最終結果，即73.660 8°。

圖2 真方位、聲學方位、羅經值、補償角Fig. 2 True azimuth，acoustic azimuth，compass value and compensation angle

圖3 修正后補償角Fig. 3 Corrected compensation angle

圖4 補償角按大小排列結果Fig. 4 Arrange of compensation angle by size

圖5 補償角直方圖分布Fig. 5 Histogram distribution of compensation angle

3 結束語

本文從矢量水聽器定位原理出發，詳細闡述了海上校準的過程，并對其中一條次的數據進行了計算演示。通過對校準數據的分析處理，歸納總結出以下幾點問題。

1）干擾噪聲對校準影響大。

海上校準時經常會遇到漁船、商船的干擾，而噪聲干擾會直接影響校準過程，在遇到噪聲干擾時，應及時停止測量，等待干擾消失[8]。

2）聲源位置測量的正確性對校準影響大。

校準過程中，真方位的計算是由聲源位置與浮標位置計算得到，但拖帶聲源繞圈過程中，聲源與拖船采用繩子連接，其位置的測量不夠準確，如果改用剛性連接，可以提高位置精度[9]。

3）海上校準方法設計仍有改進余地。

本文采用的方法為，將待校準浮標布放于某一位置，拖帶聲源在距浮標1～2 km距離上慢速繞浮標運行一、兩圈，也可以每隔10°定點吊放聲源對矢量水聽器進行校準。