水下爆炸信号的定位研究

王晓瑶，张国军，关凌纲，王盼盼，张文栋

（1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051；2.电子测试技术重点实验室，山西 太原 030051）

水下爆炸信号的定位研究

王晓瑶1,2，张国军1,2，关凌纲1，王盼盼1，张文栋1,2

（1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051；2.电子测试技术重点实验室，山西 太原 030051）

被动声纳中，目标定位的测定只能利用目标声源发出的信号或噪声，爆炸声源与常用的电声式脉冲声纳发射器比较起来，具有某些明显的优点，可代替发射换能器来实现距离和方位的测定。针对水下爆炸声源，采用三元标量阵进行研究，通过确定信号到达各个阵元的时延信息来测定其目标方位和距离，并利用内插方法提高定位精度。实验结果表明，不同位置处爆炸信号的测向和测距误差小、精度高，方位估计基本正确，从而验证了被动声纳中水下爆炸信号作为声源的可行性，及三元阵时延测距的准确性。

水下爆炸信号；互相关时延估计；被动定位

声纳系统的主要任务之一是在测向的同时完成对目标距离的测定。在主动声纳中，测定目标的距离要利用目标的回波或应答信号，而在被动声纳中，目标距离的测定只能利用目标声源发出的信号或噪声[1]。爆炸声源与常用的电声式脉冲声纳发射器比较起来，具有某些明显的优点，爆炸声不需要用电缆连接，可以方便地投掷并在指定的任意深度上爆炸。爆炸能产生大功率、宽频带的短脉冲，当需要高的距离分辨率时，它是很有用的。爆炸声是无指向性的，因此不存在把足够的声能用波束形成的方法聚集到目标方向上的问题[2]。基于这些特性，在被动声纳探测中可用水下爆炸信号代替发射换能器作为声源来实现距离和方位的测定。

为研究水下爆炸信号作为声源实现目标定位的可行性，采用三元标量阵采集不同位置的水下爆炸信号，通过互相关时延估计和内插方法得到爆炸信号的方位角和距离，其测向和测距误差小、精度高。室外实验验证了被动声纳中水下爆炸信号作为声源的可行性及三元阵定位的准确性。

图1 三元阵测距模型

1 三元阵测距模型

三元阵测距是利用三个水听器等间距布放在一条直线上，原理如图1所示[3]。

图1中，S为声源，1、2、3分别表示被动声纳的三个阵元。设阵元间距为d，目标方位为θ，目标到各阵元的距离分别为 r1，r2，r3，则目标到三个阵元的距离为：

设声速为c，则目标信号到达各个阵元的时延差分别为：

由式(3)和式(4)可得到目标方位和距离的精确公式分别为：

若假定目标在远场，d＜＜r，接收的声波可近似为平面波[4]。对式(3)及式(4)右侧进行泰勒展开，取二阶近似，即保留1/r2项，则可得到目标方位和距离的近似公式为：

2 互相关时延估计

实现被动测距的关键在于时延值ε的估计。互相关时延估计为目前噪声测距声呐常用的方法[5]，该方法主要利用了两信号时延差与其相关函数峰值位置的对应关系：即时延差估计值就是使互相关函数出现峰值的横坐标值。它的基本原理是利用信号与干扰的统计特性(相关特性)差异来提高系统输出信噪比，设两阵元1和2的接收信号模型分别为[6]：

式中：s（t）是目标辐射的噪声，设其是平稳的；x1（t）和x2（t）为两阵元的接收信号；为两路接收信号间的相对时延；n1（t）、n2（t）是相互独立、平稳、均值为零的噪声，且与 s（t）不相关，则x1和x2的互相关函数为：

式中：Rss（-）是源信号的自相关函数，由自相关函数的性质可知：

在实际的数字处理，由于采样间隔量化、噪声干扰等各种因素，最高峰值对应的不一定就是要求的时间差，可以在相关峰值附近取点通过内插[7]等方法求出相关峰的准确位置，从而得到所对应的精确时延。

3 实验研究

为了验证水下爆炸信号的测距方法，课题组在太原汾河水库进行了多次实验。实验采用的是三元线阵，由三个标量水听器组成，各阵元间距为0.375 m，标量阵分布示意图如图2所示。实验中电磁罗经固定在标量水听器支架上，用来实时监视水听器自身姿态，保持基阵水平，罗经所测方向为标量传感器X轴正向与正北方向夹角，吊深为水下4 m，采样频率设置为20 kHz。

图2 三元标量阵分布图

本实验利用炮声模拟水下爆炸声信号，声采集卡同时采集三个水听器的信号。以1号水听器为参考，分别进行以下实验：

图3 炮声1的信号及相关性

（1）在距标量阵5 m左右、方位38°的位置处用炮声1模拟爆炸信号（图3）。图3（a）为三路水听器采集到的炮声信号，由图可知，炮声信号的波形特征主要表现为幅值呈跳跃式陡峭上升，然后又迅速按指数规律下降，整个作用过程只有5 ms，符合爆炸信号的主要特征，可以作为水下声源进行定位研究。三个水听器采集到的信号为有延时的信号，故可利用时延估计对采集到的数据进行处理，但其估计精度不高，为了提高分辨率，采用内插算法，得到各水听器的相关性如图3（b）所示；

（2）在距标量阵10 m左右、方位70°的位置处用炮声2模拟爆炸信号（图4）。图4（a）为三路水听器采集到的炮声信号，图4（b）为利用内插算法后各水听器的相关性；

（3）在距标量阵12 m左右、方位90°的位置处用炮声3模拟爆炸信号（图5）。图5（a）为三路水听器采集到的炮声信号，图5（b）为利用内插算法后各水听器的互相关系数。

图4 炮声2的信号及相关性

不同炮声下各水听器间的互相关系数及延时值如表1所示。

表1 不同炮声下水听器的参数对比

由图3～图5和表1可知，利用内插方法可以求出相关峰的准确位置，即各水听器互相关系数的准确值，从而得到所对应的时延值。根据上述时延估计原理，得到不同位置处炮声作为声源时所对应的方位角和距离，如表2所示。

表2 不同位置炮声的定位结果对比

由表2可知，利用时延估计和内插方法对爆炸信号进行定位研究时，时延估计精度较高，故对炮声的测向和测距误差都较小，其定位误差曲线及拟合曲线如图6所示。由图可知，不同位置炮声的最大测向误差为0.838 1°，最大测距误差为0.826 8 m，可知该标量阵对炮声的方位估计基本正确，且有较高的定向精度和可靠的稳定性。

由上述实验结果可知，炮声模拟水下爆炸声信号时，利用三元阵的时延估计和内插方法可以得到较高精度的时延值，从而确定炮声的具体位置，且测向和测距的误差小、精度高，满足误差要求。实验验证了水下爆炸信号定位方法的可行性和准确性，在被动测距中，可以利用水下爆炸信号作为声源来进行定位研究，为被动声纳探测的研究奠定了基础。

图6 定位误差曲线及拟合曲线

4 结束语

本文利用三元阵接收到的水下爆炸信号（炮声）来进行目标定位研究，通过确定信号到达各个阵元的时延信息来测定目标方位和距离。利用内插方法可以得到较高精度的时延值，从而确定爆炸信号的具体位置。由实验结果可知，不同位置处爆炸信号的测向和测距误差小、精度高，方位估计基本正确。实验验证了被动声纳中水下爆炸信号作为声源的可行性及三元阵定位的准确性，为以后被动声纳的测距研究奠定了理论基础。

[1]罗丹.噪声目标广义互相关被动测距研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2006.

[2]R J尤立克.水声原理[M].哈尔滨:哈尔滨船舶工程学院出版社,1990:67-75.

[3]宋新见,惠俊英,殷冬梅,等.水下噪声目标被动测距技术研究[J].应用声学,2005,24(3):134-135.

[4]Kirlin R L，Dewey L A.Optimal delay estimation in a multiple sensor array having spatially correlated noise[J].IEEE trans on ASSP.1985,33:1387-1396.

[5]Knapp C H，Cater G C.The generalized correlation method for estimation of time delay[J].IEEE Trans Acoust,Speech,Signal processing.1976,24(4):320-327.

[6]赵志伟.噪声目标被动定位方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2008.

[7]樊羚珂.被动测距声呐的数据处理[D].哈尔滨:哈尔滨船舶工程学院,1985.

Research of Localization Based on Underwater Explosion Signal

WANG Xiao-yao1,2,ZHANG Guo-jun1,2,GUAN Ling-gang1,WANG Pan-pan1,ZHANG Wen-dong1,2
（1.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan Shanxi 030051,China;2.Science and Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan Shanxi 030051,China）

Noise or signal radiated from target is used to detect the target distance and azimuth in the passive sonar.The explosive sound source has some obvious advantages compared to pulse sonar transmitters,which can detect the target distance and azimuth instead of transmitter transducer.The three-scalar array is used to research on underwater explosion by obtaining the time delay information to achieve the estimation of distance and azimuth.The interpolation method is used to improve the precision of time delay estimation.The experiment results have verified the effectiveness of underwater explosion as a sound source in passive sonar and the accuracy of time delay estimation.Meanwhile,the explosion signals at different locations have small error of localization,high precision and right direction estimation.

underwater explosion signal;correlation time delay estimation;passive localization

TB566

A

1003-2029（2011）03-0072-05

2011-03-02

国际科技合作项目"基于纳机电矢量水听器的声纳系统合作研究"（2010DFB10480）资助

王晓瑶（1987-）,女，中北大学在读研究生，研究方向为水声信号处理。E-mail：sunny0503240203@163.com