压差式矢量水听器定向系统

杨 奋，王二庆

(中国人民解放军91388部队，湛江524022)

0 引言

深水炸弹是一种投射式攻击武器，自身没有动力，入水后靠自身重力下沉，是对抗水下目标的一种有效武器。若在深弹中装入测向系统和舵机，使深弹在下沉过程中不断测量目标方位并调整舵机，使深弹靠近目标，在最近距离上引爆，将有效地提高命中概率［1］。四元压差式矢量水听器具有较小的尺寸，能够同时测量空间一点处的质点振速的2个正交分量和声压分量，具有抗各向同性噪声干扰的能力［2-3］。理论证明，利用声压和振速联合处理方法可以得到4.8 dB指向性增益［4］。在深水炸弹中，利用四元压差式矢量水听器设计定向系统，可提高深水炸弹的作战效能。

1 原理

图1 目标与水听器位置关系图Fig.1 Position of target and hydrophones

系统采用四元压差式矢量水听器，如图1所示。水听器的4个等效阵元分别为S1，S2，S3和S4，阵的中心为原点，4个阵元的坐标分别为S1(r，0，0)，S2(0，r，0)，S3(-r，0，0)和 S4(0，-r，0);目标的位置坐标为(x，y，z)，入射波系数为K，声压为P0，俯仰角为θ，方位角为φ;4个等效阵元接收到的声压信号分别为P1，P2，P3和P4，4路声压信号的和为P，X轴向振速为Vx，Y轴向振速为Vy。

记A=K*r，当入射波被看作是没有衰减的平面波时，不失一般性，设P0=1，考虑到工程实现，可以用压差代替同方向上的振速［2］，则有:

将声压信号P做90°相移得到P';再分别与X轴向和Y轴向上的振速响应Vx和Vy做相关和时间积累平均，时间长度为T，分别得到水平和垂直轴向上的平均声强流k1和k2。此时，可根据k1，k2及P’这3路信号联合计算出目标所在的方位角。

由式(6)和式(7)可得:

故当f*r/C＜＜1时，式(8)可表示为

做反正切运算，解算出目标方位角，再根据k1和k2的符号确定目标所在的象限，即

2 仿真实验

用信号源产生信号，经4路移相电路产生仿真矢量水听器的4路信号送到AD模块转化为数字信号，DSP模块对4路输入信号进行方位角计算，并把计算结果通过显示接口进行实时显示，实验原理如图2所示。

图2 实验原理框图Fig.2 Block diagram of the simulation experiment

采样率为30 kHz，采样点数为1 024点时，系统完成1次AD采样需要33 ms。用汇编语言实现实数FFT优化算法，仅需248 499个时钟周期，采用100 MHz时钟时，1次FFT计算约需2.5 ms。DSP模块完成1次方位信息的计算需要60 ms。因为在DSP模块进行运算的同时就开始了下一批数据的AD采样，所以系统总的运算时间略微超过60 ms。

实验是在理想信号源情况下完成的。用3 kHz单频信号作声源，通过4通道移相电路产生模拟的水听器输出信号，设置水听器阵尺寸D为0.16 m，声速C为1 500 m，采样率fs为30 000 Hz。在俯仰角为40°，方位角在0～360°变化时，由DSP计算方位角，其误差曲线如图3所示。方位角均方根误差为 1.08°。

设置水听器阵尺寸为0.16 m，方位角为30°，俯仰角为40°，声源为3 kHz的单频信号，采样频率从10 kHz变化到40 kHz时，DSP计算方位角，其误差曲线如图6所示。方位角均方根误差为0.22°。

图6 不同采样频率时方位角定向误差Fig.6 Estimation error of azimuth angle on different sampling frequencies

设置方位角为 30°，俯仰角为 40°，声源为3 kHz的单频信号，采样率为30 kHz，水听器阵尺寸从0.1 m变化到0.3 m，其定向误差曲线如图7所示。方位角均方根误差为0.76°。

图7 不同水听器阵尺寸时方位角定向误差Fig.7 Estimation error of azimuth angle on different array sizes

设置水听器阵尺寸为0.16 m，方位角为30°，俯仰角为40°，声源为3 kHz的单频信号，采样率为30 kHz，在移相之后给4路信号分别加入噪声，使信噪比从-10 dB变化到10 dB时，DSP计算方位角，其误差曲线如图8所示。

方位角误差曲线呈有规律的折线，这是因为在算法推导过程中引入了近似条件fr/c＜＜1。这个近似造成系统方位角的定向误差信号频率与水听器阵尺寸有关。

图8 不同信噪比时方位角定向误差Fig.8 Estimation error of azimuth angle on different SNR

3 结语

压差式矢量水听器定向系统在低频段具有小于2°方位角定向误差，完成一次方位计算需要60 ms，该硬件系统还具有体积小的特点。该研究的软硬件系统和算法可以应用到智能深水炸弹中，也可用于相关的水下目标被动声定向。

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