利用水声方法实现水下爆炸试验爆源定位*

管启亮　谭　鑫　杨家庚

(91439部队　大连　116041)



利用水声方法实现水下爆炸试验爆源定位*

管启亮谭鑫杨家庚

(91439部队大连116041)

摘要水下爆炸试验中,能否准确地对爆源的定位具有重要意义。论文通过对比分析常见应用于水下爆源定位测量的技术手段,总结其特点及应用条件;同时针对水下爆炸试验,研究利用水声手段进行水下爆炸试验爆源定位的方法,并提出两种不同的水声定位方法并介绍其相关原理。

关键词水下爆炸试验; 爆源定位测量

Realization of Explosion Sourse Position of Underwater Explosion Test by Hydrophones Method

GUAN QiliangTAN XinYANG Jiageng

(No. 91439 Troops of PLA, Dalian116041)

AbstractIn the underwater explosion test, it is important to position the explosion source. The characteristics and application conditions to measure the position of the explosion source are summarized by comparative analysis; The method of using hydrophones to position the explosion source aimed at underwater explosion test is studied. Two different hydrolocations are submitted and introduce the principle is introduced.

Key Wordsunderwater explosion test, position of the explosion source

Class NumberU666

1引言

在水下爆炸抗冲击试验中,对爆源和抗冲击目标的定位具有重要意义:由于气象水文等因素影响,爆源和被试目标的相对位置处于动态变化过程内,因而实时、准确的定位测量是实施试验组织指挥的重要依据。同时,测量出的爆源和被试目标的相对位置和态势也是评定爆炸威力和目标毁伤效果的重要参数。

现有技术手段中对水面目标的定位方法有很多,但是针对水下目标的定位方法却很少。这是由于海水介质的特性所决定的,使得对水下目标的探测定位非常困难,而且这些测量器材手段由于抗冲击性能的限制都难以应用于水下爆源的定位测量。因此萌生出利用水声方法来实现水下爆源定位的想法。本文简述了常用的几种爆源定位方法,并提出了两种水声定位的方法提供参考。

2爆源定位方法分析

我军先后完成了海上多种工况的装备抗水下爆炸冲击试验,根据不同技术条件,采用多种技术手段实现对固定爆源的定位测量。下面就常用的几种方法进行讨论分析。

2.1机械定位

机械定位法适用于水面舰船静态抗冲击试验。机械定位法结合布放,通过被试舰上固定的两条定位索连接被试舰、爆源和拖缆,利用拉紧的定位索解三角形对爆源进行定位。

机械定位法在被试舰锚定状态下能保证爆源与被试舰在布放时刻的相对位置满足要求,海上试验必须严格选择试验时机,尽量缩短从爆源布放到起爆的时间,并借助有利的流速流向,以保证被试舰与爆源间相对位置稳定。

2.2冲击波零时法

冲击波零时法也仅适用于静态抗冲击试验。冲击波零时法是通过准确测量爆炸时刻(零时)、测点的自由场压力峰值时刻,获取炸点距测点的距离。用冲击波零时法可在爆炸后得到爆源与目标的相对位置,但无法满足“爆距可控”的试验指挥要求。随着爆距的增加,冲击波零时法测量误差逐步增大,因此不适宜远距离爆炸测量。当被试舰处于航行状态时,由于自由场压力传感器支架无法安装、固定,因此无法采用冲击波零时法。

2.3GPS定位法

GPS定位法适用于沉底固定爆源爆炸试验。GPS定位法指的是在爆源布放的过程中,将GPS天线置于布放钢缆处,在爆源置底的同时,记录下此时天线处的水面坐标,作为水下爆源的水平面投影点坐标。在爆源沉底不动的情况下,水下与水面的位置偏差主要由爆源布放过程中海流的影响引起。

GPS定位法适应被试舰艇抛锚或航行二种试验态势,还可对从被试舰抛锚、爆源布放到起爆整个试验过程的舰位、爆距变化情况进行实时监控,为试验组织指挥提供决策依据。

2.4水声定位法

到目前为止,声场是已知水下传播距离最远的物理场,因此对水下目标的定位可以采用水声方法。水声定位方法从技术方面上来分,主要根据定位所使用的环境、用途等不同的要求,分为主动定位(有源)、被动定位(无源)两大类。

3水声主动定位测量方法

主动定位是在回声测距或同步测距的基础上,通过布阵交汇的方法对目标定位。根据抗冲击试验条件和精度要求,采用长基线定位原理,通过加装爆源水听器的手段,可实现对爆源从布放到爆炸全过程的位置测量与显示,并可通过GPS测量转换为以大地坐标为基准的绝对坐标,满足“爆距可控”的试验指挥要求,并为事后结果评定提供依据。

3.1长基线水声定位原理

对于测量基线远大于信号波长的情况归为长基线,通常长基线定位距离在几百米及以上。长基线水声定位是利用目标信号到达各基元的传播时间测距定位,采用球面交汇实现水平二维定位。

对于布放在海底的沉底爆源定位,可以采用分时长基线手段,通过水面附近的测距仪在不同位置测量与爆源的斜距,经球面交汇获得爆源坐标,并可通过多点冗余测量进一步提高定位精度。

3.2实用长基线水声定位方法

对于悬浮爆源,采用布放在海底的水声应答器作为长基线定位测量的基元,与测距仪配合,采用长基线定位原理球面交汇实现定位。在爆源上加装仅用于接收的水听器,避免了声测量系统对起爆电路的干扰。通过水听器接收应答器的定位信号,实现对爆源的持续定位。鉴于长基线测量手段对深度的测量精度较低,以下定位解算方法基于应答器和水听器的深度都采用深度压力传感器测量值的情况下。

3.3定位解算方法

设测距仪的坐标为:(x0,y0,z0),在海底布放两个应答器,且应答器的坐标为:(xi,yi,zi)(i=1,2),爆源的大地坐标为:(X,Y,Z)。设测距仪到应答释放器的距离为Ri(i=1,2),则有:

(1)

设测距仪t0时刻开始发射询问信号,测距仪检测单元在t1时刻收到询问信号,在t2,t3时刻收到应答器的应答信号,忽略应答器收发延时,声速为c。

根据几何关系可列出如下方程:

(2)

上述三个方程中,未知量为X和Y,Z由压力传感器测定。其余的量都为已知,解上述方程即可求得爆源的位置,此时方程有唯一解。

4被动水声定位方法

被动定位利用目标自身辐射声信号对目标的位置进行估计,具有高取样率和隐蔽性等优点。在水下爆炸试验中,只有在爆炸瞬间才具备冲击波声源,因而可以利用矢量水听器来实现被动定位。所以采用远距离布设矢量传感器接收爆炸反射信号,用方位交汇或时延差双曲线定位的方法测定爆源坐标。

4.1爆炸声信号的分析

爆炸声是爆炸冲击波产生的瞬时信号。显然,水中爆炸的特点是爆炸波的瞬时压力峰值高,声强级较大,根据《弹药水中爆炸的水声效应》一文可知,1g的RDX(黑索金)炸药爆炸产生的最大瞬时声源级高达218dB。且爆炸声由炸药瞬间爆炸产生的冲击力,其持续时间通产很短,在100ms以内爆炸声衰减至很小,脉冲持续时间短,衰减速度快(不考虑混响和多途);声信号持续时间较短,而且信号测量距离较长。直接测量爆炸声信号会有很大误差,因为爆炸声信号是非线性的信号,因此在对爆源定位精度要求不高的情况下可以通过对反射声信号的测量进行定位。

4.2矢量水听器水声定位原理

使用矢量水听器对爆点进行定位,不需要在参试目标上安装测点,采用远距离布设矢量水听器接收爆炸信号,用方位交汇或时延差双曲线定位的方法精确测定爆点坐标,除有效降低测量成本,提高测量可操作性外,还可成功解决被攻击目标无法安装测点情况下的定位问题。该定位方法的基础是矢量水听器的测向。矢量水听器可以同时测量声场的声压和振速,通过二维矢量传感器同点输出声压P和二维质点振速(Vx,Vy),可用来测量目标方位角θ。目标水平方位θ为

(3)

4.3纯方位水声定位方法

使用矢量水听器进行目标定位可使用两种解算方法:一种是纯方位定位,一种是时延差双曲面定位。纯方位方法利用矢量水听器计算目标方位角再进行几何平面计算。时延差双曲面则是利用水听器浮标阵的各阵元的时延差进行解算定位。

仅考虑平面定位,定义基线坐标系为:以阵元1为坐标原点,阵元1和阵元2构成的基线为X轴,X轴的正方向为由阵元1指向阵元2,该坐标系为基线坐标系,如图1所示。

图1　纯方位定位示意图

在阵元1、2和目标T组成的三角形中,令α12是以阵元1为顶点的内角,α21是以阵元2为顶点的内角,d12为基线长度,它可以由浮标上的DGPS数据计算得到。

大地坐标取“北东地”坐标,矢量传感器的X轴方向在安装时校正为与正北方向一致,Y轴方向校正为正西方向,大地坐标系与基线坐标系的夹角γ1可由二阵元DGPS位置得到,阵元1,2测得的目标方位角分别为β1和β2(顺时针为正)。则有:

(4)

只考虑平面定位几何关系可得出

(5)

整理后可得

(6)

又因为

θ12=π-(α12+α21)

(7)

所以可将上式整理为

(8)

从原理上讲两个阵元就可以测量出目标位置,但是为保证测量结果更加精准,通常需要三个以上阵元提供复数的数据。

4.4时延差测量双曲面定位

时延差双曲面定位的优势在于它无需应用矢量水听器的矢量信号,只需要复数的阵元接收到同一信号的时延差,便可对目标进行定位解算。

目标测量区域有四个水听器,以海平面为xoy平面,建立坐标系。设目标坐标(x,y,z),四个阵元的坐标已知为(xi,yi,zi)(i=1,2,3,4),取其中三个水听器(1,2,3)。

设:

(9)

声速为c,τ12为1号2号的时延差,τ23为2号3号的时延差,τ31为3号1号的时延差,则可导出下式:

(10)

解上式可以得出目标坐标,具体方法同长基线水声定位方法。

5结语

水声长基线定位法,通过布放在海底的水声应答器和测距仪配合使用,实现对爆源位置的连续定位测量,而且还避免了声测量系统对起爆电路的干扰。为试验的指挥决策提供了有力支持。

矢量水听器水声定位法通过矢量水听器的使用实现定位,但是因为测量的为爆炸声到被试目标的反射声,所以无论是通过纯方位定位还是时延差双曲线定位都只能模糊反映爆源爆炸时刻的即时爆源位置。这就大大限定了使用范围。该方法还需要对矢量水听器和水声信号处理分析提出更高的要求。

这里讨论的水声定位方法,是仅从水声定位的原理和技术方面出发,在实际使用中可以根据具体测量需求,灵活选择测量方法。而且不难发现水声手段测量水下目标的优越性。但是,也应该看到,使用水声手段进行爆源定位无法即时显示爆距却可以计算出爆炸零时即时爆距或者是被试目标的位置。因此在具体实施使用中应该根据要求选择定位手段方法。

参 考 文 献

[1] 施一民.现代大地控制测量[M].北京:测绘出版社,2003.

[2] 田坦.水下定位与导航技术[M].北京:国防工业出版社,2007.

[3] 李兵,宁永成,董忠臣,等.水面舰艇抗冲击试验定位方法研究[J].测绘科学,2010,35(S1):117-119.

[4] 孙大鹏,王永亮,王树乐.基于实船抗爆炸冲击试验的爆源定位方法[J].舰船科学技术,2012,34(4):36-39.

[5] 魏丽萍,陈岩,陈庚,等.不等间距非直线三元阵在水声平面声源被动定位中的应用[J].应用声学,2009,28(6):447-453.

[6] 王燕.非合作目标精确定位技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2006.

[7] 李嶷,孙长瑜.不同布阵方式下球面交汇定位系统性能分析[J].声学技术,2008,27(5):649-653.

[8] Kenneth W. K. Lui, H. C. So. Study of two-dimensional sensor placement using time-difference-of-arrival measurements[J]. Digital Signal Processing,2009,19:650-659.

[9] 兰华林,孙大军,张殿伦,等.海底应答器绝对位置快速校准[J].计算机工程与应用,2007,43(22):191-193.

[10] 潘正伟.弹药水中爆炸的水声效应[J].弹箭与制导学报,1998:38-42.

中图分类号U666

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.038

作者简介:管启亮,男,助理工程师,研究方向:水声测量。

收稿日期:2015年9月10日,修回日期:2015年10月24日