水中动态爆点纯方位定位有效测量距离分析

陆　扬，管启亮，谭　鑫，魏传林

(中国人民解放军91439部队，辽宁 大连　116041)



水中动态爆点纯方位定位有效测量距离分析

陆扬，管启亮，谭鑫，魏传林

(中国人民解放军91439部队，辽宁 大连116041)

摘要：为解决传统水中动态爆点双曲线定位技术的成本大、测点精度低等问题，提出了利用纯方位测量技术实现水下动态爆点的实时定位方法；介绍了基于矢量水听器技术的纯方位定位原理，根据矢量水听器的特点分析了接收信号信噪比与传播距离的关系和爆炸声在不同传播距离上的声传播损失、接收点的信号声压级，对有效测量距离进行了估算。

关键词：动态爆点；声信号；测量范围

在鱼、水雷作战效能试验、水中兵器爆炸毁伤试验和部队实雷攻靶训练中，鱼雷和火箭上浮水雷攻击水中目标时的动态爆点定位数据是作战效能、攻击效果、毁伤能力评估的重要依据[1-3]。研究表明：单个矢量水听器即可完成对目标的高精度测向工作[4-6]，纯方位定位(bearing-only location,BOL)方法，又称为测向交叉定位法或三角定位法[7]，是被动定位技术的一种。本文提出的利用纯方位定位原理对动态爆点进行精确定位，可有效解决传统双曲线定位技术[8]的成本大、难度高、测点精度低等问题。

爆炸声信号属于瞬态信号，信号声源级取决于装药类型和装药量。定位系统设计及海上浮标布阵都需要对系统测量范围进行理论分析计算。本文根据矢量传感器的特点分析了接收信号信噪比与传播距离的关系，计算爆炸声在不同传播距离上的声传播损失和接收点的信号声压级，得到了系统有效测量范围，为定位系统设计及海上工程实施提供了理论依据。

1水中动态爆点纯方位定位原理

图1　浮标阵测量定位原理图

在阵元i，j和目标T组成的三角形中，令αij_1是以阵元i为顶点的内角，αij_2是以阵元j为顶点的内角，dij为基线长度，它可以由浮标上的DGPS数据计算得到。

(1)

目标在基线坐标系的坐标:

(2)

假设：

(3)

将式(1)代入式(2)，式(3)可改写为

(4)

2定位系统有效测量范围估算

在浮标阵定位系统中，系统的工作频带Δf=4 500 Hz。按北部海域四级海况计算，海洋环境噪声级：

NL=10×lg(Δf)+NL0=10×lg(Δf)+lg(S/N0)

(5)

其中，NL0取70 dB，对应的海洋背景噪声级如表1所示。

表1　背景噪声级

上述4 500 Hz为系统工作带宽，10 kHz为爆炸声能量集中频段。由于信号能量主要集中在低频，相比几何拓张损失，海水声吸收损失很小，可以忽略。声传播模型可以考虑为浅海只有几何拓张的声传播模型[9-10]。

考虑球面传播损失情况下，传播损失随距离变化如下：

TL=20lg(r)

(6)

考虑柱面传播损失情况下，传播损失随距离变化如下：

TL=10lg(r)

(7)

柱面传播是考虑边界全反射条件下的声传播，可以认为是最理想的情况，球面传播模型没有边界反射的贡献，传播损失较大。作用距离应该考虑最大传播损失情况下的检测效果，所以选择球面传播模型。

声波在高频远距离传播时，声吸收损失往往很大。4 500 Hz的声信号的声传播损失为约为0.36 dB/km。10 kHz的声信号的声传播损失约为1.38 dB/km。这就意味着10 kHz声信号在10 km距离处的声吸收损失高达13.8 dB。所以高频信号远距离传播时声强级会急剧减小(图2)。

图2　不同频率声传播损失

振速传感器有偶极子指向性，在二维各向同性噪声场中有3 dB的空间增益，即DI=3 dB，水听器的振速的接收信噪比有如下公式：

S/N=SL-TL-NL+DI

考虑1 G RDX炸药爆炸产生的声源级约为218 dB。在该声源级的情况下，不同接收距离下接收信号信噪比如图3所示。

由于信号需要通过A/d端采集，A/d端的参考电压为3.3 V，振速的灵敏度为-192 dB，放大量为5倍，所以水听器输出超过3.3/5=0.66 V时信号将发生削波，影响信号的检测性能。

SI=20lg(U)-SLr

(8)

其中SI为接收灵敏度，SLr为接收点处收到的爆炸声声压级，U为水听器输入电压，将上面参数代入可得：

SLr=20lg(0.66)-(-192)=188.4 dB

(9)

所以接收点的声压级超过188.4 dB，A/d将发生削波，当声压小于一定值时信号将埋没在电路噪声中，实际电路噪声均方值约为3mV，而电路系统的动态范围约为1 000倍，即动态范围约为60 dB。所以当接收点的声压级小于128.4 dB时系统无法正常估计和检测。这里忽略海洋背景噪声影响，这是因为4 500 Hz工作带宽接收的海洋背景噪声为106.5 dB，远小于电路噪声128.4 dB。由此可以得到距离爆炸声源不同距离处的声压级如图4所示。

图3　声源级218 dB下的接收信噪比

图4　接收点声压级

由此可得1 g RDX炸药爆炸产生的声源级218 dB时，系统正常工作的作用距离为0.320～16 km，50 g RDX炸药爆炸产生的声源级240 dB时系统正常工作的作用距离为0.375～46.5 km。考虑最近距离不发生削波且最远距离能够检测的情况下，作用距离可以设置为0.375～16 km。

3结束语

对水下实航鱼雷动态爆点的精确定位，在鱼雷作战效能试验、爆炸毁伤试验鉴定领域具有重要意义。本文根据矢量传感器的特点分析了接收信号信噪比与传播距离的关系，计算分析了爆炸声在不同传播距离上的声传播损失和接收点的信号声压级，对有效测量范围进行了估算，提供了理论计算结果，对测量系统设计和海上浮标布阵的工程实施具有重要的指导意义，对其他水中兵器动态爆点定位测量范围估算也具有较强的参考价值。

参考文献：

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[2]岳剑平,张召奎,朱学文等.水中兵器实验与鉴定[M].北京：国防工业出版社，2008.

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[6]HAWKES M,NEHORAI A.Acoustic vector-sensor beamforming and Capon direction estimation[J].IEEE Trans Signal Processing,1998,46(9):2291-2304.

[7]GABISH M.Analysis of bearing-only target location algorithms[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic systems,1992,28(3):817-827.

[8]武征,孙翱,任冰明,等.海上靶场试验测控技术[M].北京：国防工业出版社，2007.

[9]刘伯胜，雷家煜.水声学原理[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1993.

[10]惠俊英，生雪莉.水下声信道[M].2版.北京：国防工业出版社，2007.

(责任编辑周江川)

本文引用格式：陆扬，管启亮，谭鑫，等.水中动态爆点纯方位定位有效测量距离分析[J].兵器装备工程学报，2016(5):12-14.

Citation format:LU Yang,GUAN Qi-liang,TAN Xin,et al.Analysis on Effective Measuring Distance of Bearings Only Positioning Methods to Locate Dynamic Detonation Point Underwater[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):12-14.

Analysis on Effective Measuring Distance of Bearings Only Positioning Methods to Locate Dynamic Detonation Point Underwater

LU Yang,GUAN Qi-liang,TAN Xin,WEI Chuan-lin

(The No.91439thof PLA,Dalian 116041,China)

Abstract:In order to solve the questions such as big costs,less accurate of measure point of the traditional hyperbola locating technology and so on,we presented a method of bearings-only location to locate dynamic detonation point.And we recommended the technology of bearings-only location based on vector hydrophones.According to the characteristics of vector hydrophone,the relation between SNR of receipt signal and the signal propagation distance was analyzed,the acoustic signal transmission loss and acoustic signal pressure level of the detonation in the different propagation distance were analyzed and the effective measuring distance was estimated.

Key words:dynamic detonation point; acoustic signal; measuring range

doi:【装备理论与装备技术】10.11809/scbgxb2016.05.003

收稿日期：2015-12-25；修回日期：2016-01-20

作者简介：陆扬(1966—)，男，博士，高级工程师，主要从事水下测控研究。

中图分类号：TB56

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)05-0012-03