融合浮標與潛標的水聲定位噪聲測量系統

滕吉鵬， 方 舟， 潘 仙， 梁 勇

(嘉興南洋職業技術學院， 浙江 嘉興 314031)

0 引 言

對于水下目標設備的性能研究、設計、改造來說，目標本身的噪聲數據對于其各方面的應用都有著重要的指導意義。水聲潛標是獲取水下目標設備噪聲信息的重要工具裝備。由于水聲潛標能滿足各種海況條件下的應用，對各種環境都具有良好的適應性，并且可以進行長期、定點、連續和多層面的同步測量，目前水聲潛標裝置已在海洋科學調查研究、軍事偵察等方面得到非常廣泛的應用。水聲浮標是目前廣泛應用于水上及水下目標定位、探測和監視的一種重要水聲設備，其性能可靠，技術成熟且實現簡便，效果較好，在實際應用中，可利用多個水聲浮標構成聲學定位浮標陣列，以實現對水下目標的實時位置或軌跡測量及實時的位置監視功能。

提出一種融合浮標與潛標的水聲定位噪聲測量系統，由水聲定位浮標和潛標等設備共同組成一個水下測量網絡。潛標負責待測水域的噪聲測量；多個定位浮標組成的浮標定位陣負責對水下目標進行同步定位及軌跡監測；水上的系統顯控平臺通過水聲控制指令的發射控制系統的整個運行過程，并能夠實時地接收水聲設備發回的聲學信號。顯控平臺可對接收到的信號實時地進行數據分析，分析計算水下目標噪聲的頻譜、聲源級和功率譜密度等特性，并且根據用戶需求，對分析數據進行實時圖形顯示并提供事后的數據回放及處理功能。為提高系統的水聲定位精度,加入高精度時鐘和GPS。

1 系統組成

基于浮標與潛標結合的水聲定位噪聲測量系統主要由4個定位浮標、無線通信基站、顯示控制平臺、潛標和甲板單元組成，其系統配置如圖1所示。

圖1 系統配置示例

系統中，由4個水聲定位浮標共同組成一個同步測量基陣，該基陣可實時采集并處理水下目標的水聲瞬態信號，并通過無線通信功能將數據回傳至顯示控制平臺。無線通信基站可完成系統的定位浮標陣列和水上顯示控制平臺的高精度定位功能，并為二者之間的數據傳輸提供無線平臺。水上的顯示控制平臺用于管理整個水聲系統并且完成對水下目標的定位解算功能、水下目標的噪聲數據分析及顯示功能、數據回放功能等。系統中潛標具有聲學釋放、聲學測距、水下噪聲信號采集、水聲信號通信等功能，同時也具有水聲釋放功能。系統工作時潛標可接收甲板單元的聲學詢問信號和控制指令信號，并且與甲板單元相互配合，兩者共同實現水聲目標測距、水聲設備釋放和水聲信號采集工作。潛標在機械結構設計時具有機械釋放結構。為實現系統設備的回收，可通過顯示控制平臺下發水聲通信命令，打開機械結構，釋放潛標上的承重物，從而讓潛標在浮球浮力的作用下實現上浮，完成設備的回收功能，后期便于用戶導出潛標的記錄數據并進行后期的數據分析處理。

2 系統工作原理

在實時工作中，系統利用4個水聲浮標的數據根據幾何原理進行定位，定位系統的基陣陣元之間的距離稱為基線長度。系統采用長基線定位原理對水下目標的實時位置進行解算，其基線長度可與海深相比擬，一般在幾百米到幾千米。

2.1 長基線工作原理

由數個浮標為基元構成基陣的定位系統，通過測量各浮標到達測量目標的時延解算出潛標與目標之間的距離，再由其幾何關系解算出目標的位置，其優點是定位精度高、作用距離長及定位精度與水深無關。在測量浮標位置時系統可使用GPS，得到浮標的經緯度并對所有浮標進行同步，將解算位置與高精度GPS數據融合，進而測量目標的絕對位置。

長基線定位系統[1-2]可由3個或3個以上浮標組成的基陣構成，以最具代表性的3個浮標組成的基陣為例說明長基線定位原理。如圖2所示，設定目標的坐標為：P(x,y,z)，3個浮標為(xi,yi,zi)(i=1,2,3)。浮標依據GPS時鐘工作于同步方式。假定目標在時刻T0入水，浮標接收到的聲傳播時間分別為Ti(i=1,2,3)。假設水中聲速為C，則各浮標至目標的距離為Di(i=1,2,3)。根據其幾何關系以浮標為球心的3個球面的交匯點即為目標點坐標。

圖2 長基線球面交匯示例

根據水聲異步定位原理，也可稱之為雙曲面交匯模型，利用4個浮標組成的定位基陣滿足下列方程組：

(1)

式中：t0、x、y和z為未知量。選取i=1號浮標作為參考浮標，式(1)可變為

c·(ti-t0)

(2)

式中：C為光速；i=2,3,4。

解式(2)即可獲得目標的位置坐標。其主要利用目標至2個定位浮標之間的距離差值進行計算，事實上，距離間的差值反映的也就是目標至各浮標間的時間差值。在實際工作中，目標在水中的深度z可利用深度傳感器提前獲取，因此可將目標的深度z作為先驗已知值代入方程，此時利用3個浮標的信息即可對目標進行定位，冗余的浮標信息可用于剔除不合理的方程解并實現多個方程解的加權平均[3]。

2.2 系統誤差分析

系統中，目標定位誤差主要由GPS水平誤差、系統的時延測量誤差和由水聲信道不同所導致的水聲誤差引起，通過蒙特卡羅反演方法[4]仿真分析這3個誤差源對目標定位精度的影響。

設定4個浮標的坐標分別為：(0 m，0 m)、(1 500 m, 0 m)、(0 m, 1 500 m)和(1 500 m，1 500 m)，GPS定位誤差為5 m，測時誤差0.3 ms，平均聲速相對誤差為3‰。將4個浮標圍成的陣內區域按50 m×50 m分割成網格狀，對網格的所有節點統計水平定位均方根誤差，得到目標定位均方根誤差分布如圖3所示。其中每個網格內定位誤差大小以黑色到白色漸變顏色來標記，m。圖3是對100組樣本進行的仿真統計。

圖3 系統誤差分析

由仿真結果可看出，只需保證目標落在陣內區域，則其水平面上的定位誤差小于7 m (均方根值)。

2.3 信號檢測與估計原理

為提高信號檢測能力，保證系統的時延測量精度，換能器接收的水聲信號經過接收機和模數變換后，先利用自適應Notch濾波器濾除信道噪聲，提取有用信號[4]。信號檢測模塊采用窄帶包絡檢波器、鑒寬器、瞬時頻率及方差檢測器聯合處理以保證信號檢測的高性能。

由于系統采用窄帶單脈沖，工作帶寬和頻點分布密集，低頻信號的二倍頻乃至三倍頻都在工作頻帶內，因此強信號的邊帶頻譜將通過鄰近頻率通道，成為鄰近通道中的尖脈沖干擾，引起通道串漏，采用傳統的能量檢測器加鑒寬器檢測將大幅增加虛假警報的概率，通過加入瞬時頻率方差檢測器(Variance-of-Instantaneous-Frequency Detector, VIFD)，配合傳統的檢測器進行聯合判決，系統可有效地抵抗通道間的串擾及脈沖干擾。

系統的聯合判決如圖4所示。

圖4 Notch濾波和VIFD聯合判決

脈沖搜索的過程就是信號檢測的過程。由于每個同步周期內每個通道只能上傳3個脈沖信息，因此對檢測到的所有脈沖進行挑選十分必要。脈沖挑選的原則是必須選擇每個同步周期的首脈沖，其余的在滿足條件的脈沖里選擇幅度較大的。具體挑選的方法如下：把一系列挨在一起的脈沖分為一群，當前后兩個脈沖的時間間隔超過500 ms時，把其分為不同的群，后一個脈沖為群的首脈沖，將首脈沖打包存入數據發送緩沖區；在首脈沖后開窗，窗長為50 ms，窗內的脈沖全部認為無效；把剩下的脈沖按幅度大小排列，取出(3～N)個幅度相對大的脈沖(其中N為本通道首脈沖的個數)；將脈沖信息打包送入數據發送緩沖區。脈沖挑選及搜索邏輯如圖5所示。

圖5 脈沖挑選及搜索邏輯

每個同步周期都把本周期最后一個脈沖的時延記錄下來，用以與下一同步周期的第一個脈沖做對比來判斷是否是一群的首脈沖。

當一個脈沖跨同步周期時，脈沖的參數存在暫存區內，下一個周期繼續檢測，測得的脈沖時延相對本周期為負值。

2.4 噪聲測量原理

在系統工作過程中，由水下潛標全天候全天時地記錄水下目標的噪聲數據。記錄的數據在回收潛標后，通過潛標的USB口導出至主控平臺，由主控軟件對噪聲數據進行分析處理。軟件可進行噪聲的功率譜密度、聲壓級、聲源級等指標的計算并給出相應的圖表顯示。

系統中所有設備均通過高精度GPS進行同步對時，目標噪聲在每個絕對時刻的各項指標均能與目標的實時大地位置逐一對應，主控軟件最終會融合實時GPS位置數據與記錄目標的噪聲信號得到噪聲在各方位的指標值，從而得到目標的指向性圖示，軟件得到的處理結果可為水下目標噪聲的研究提供有力的數據支持。對各項噪聲指標的計算方法[6]說明如下：

(1) 功率譜密度的計算方法。假定有限長隨機信號序列為x(n),其傅里葉變換和功率譜密度估計存在如下關系，即在各離散的頻率點有

k=0,1,…,M-1

(3)

式中：F[x(n)]為對序列x(n)的傅里葉變換，由于F[x(n)]的周期為M，求得的功率譜估計以M為周期，系統選用改進的Welch法以提高計算精度。具體步驟為：將M個數據分為L段，每段G個數據，即N=L·G再選擇適當的窗函數對每段數據依次加權，計算F；最后對分段的數據計算結果進行平均即可得到功率譜密度估計。

(2) 聲壓級的計算方法。在頻域上對功率譜密度積分，可求得噪聲聲壓級：

NL_fre=10 lg(sum(Psd)·B)-Me

(4)

式中：Psd為計算的功率譜密度；B為譜線帶寬；Me為水聽器的接收靈敏度，計算中不同的譜線利用不同的接收靈敏度查表代入公式進行修正。

(3) 噪聲聲源級的計算方法。

SL=NL+20lgd+α·d

(5)

式中：SL為噪聲聲源級；NL為噪聲聲壓值；換能器與目標間的距離值d通過GPS數據計算得到，α為環境吸收因數，在處理數據時查表獲取，根據不同的試驗環境進行調節。

3 湖上試驗

所提出的融合浮標與潛標的水聲定位噪聲測量系統已進行湖上試驗。在試驗時，首先在試驗區域布放4個浮標陣和潛標，甲板單元和顯控平臺放置于測量船上，試驗開始目標由測量船出發，在試驗區域內航行，系統實時對目標的軌跡進行定位，并且由潛標對目標的噪聲進行不間斷的監聽記錄，后續導出潛標記錄的數據并通過主控軟件對噪聲數據進行處理，得到噪聲的聲源級、聲壓級及目標與潛標斜距、目標與潛標角度的隨時間變化的關系圖，通過主控軟件的回放功能，系統可顯示記錄的噪聲數據對應時刻的目標軌跡圖，為用戶提供直觀的圖形顯示。

圖6為顯示控制平臺的噪聲指標顯示頁面。綜合圖6(b)的噪聲聲壓級及圖6(c)的目標與潛標斜距可看出，當目標與潛標距離值最近時，噪聲聲壓級值最大，而圖6(a)的噪聲聲源級在整個運動過程中基本保持平穩。結合圖6(d)的目標與潛標角度可得到目標噪聲在每個角度的指標。圖6的試驗結果顯示，水下目標以30 kn航速水下直線航行時，噪聲聲源級約160 dB。

圖6 湖上試驗顯示控制平臺測噪結果

4 結 論

闡述一種融合浮標與潛標的水聲定位噪聲測量系統。高精度時鐘和GPS的加入使系統能精確監測各時刻的環境噪聲及水下目標的運動軌跡和噪聲。系統提供友好的用戶主控界面，軟件可融合時間、位置及噪聲測量多種信息為用戶同時顯示水下目標的運動軌跡及噪聲數據分析結果。在湖上試驗時，選擇目標在同一航速下不同軌跡時的多次噪聲測量結果進行比較，統計得到多次測量的譜級誤差約0.8 dB，對比目標軌跡的定位結果與目標位置的真值，得到系統的定位誤差約0.5 m。經過多次長時間的測量，驗證了系統的穩定性及可靠性。