水下目标方向的复合增强探测方法研究

李 环，任 霞

(沈阳理工大学 信息科学与工程学院，沈阳 110159)

目前，精确地搜索出浅海水下目标方向越来越受研究者的关注，其主要的方法是用声呐进行搜索。然而在浅海领域用声呐搜索水下目标的方向时，声呐在测量数据时极易被外界条件影响，如多径效应、海洋噪声、传播衰减等，这些因素严重影响声呐的作用距离和测量精度[1]。

当浅海领域的某一目标产生噪声时，会以波的形式在水中传播，其中一部分传播到海底引起地震波振动[2-3]。利用矢量传感器测量地震波振速，可有效减少外界干扰，同时不易被外界发现，增强了保密性。

本文提出采用复合增强探测的方法搜索浅海海底水下目标方向。该方法采用声呐测声压标量，用矢量传感器测地震波振速矢量，对二者进行互谱处理后，得到水下目标的水平方位角，最后根据矢量传感器的单边指向性，便可准确搜索到目标方向。

1 复合增强探测的原理

复合增强探测实质上是声压标量和地震波振速矢量各个分量经过FFT变换(快速傅里叶变换)后，对相应的声压频谱P(w)及振速频谱Vi(w)进行互谱处理，再对互谱函数取实部求得水平方位角，最后根据矢量传感器的单边指向性找到目标方向，其原理框图如图1所示。

图1 复合增强探测的原理框图

对声压p(t)作FFT变换得到声压频谱P(w)；对地震波振速vi(t)(i=x,y)作FFT变换得到地震波振速频谱Vi(w)；对声压和振速进行互谱，其互谱函数Spvi(w)为

(1)

式中*表示取共轭。

对互谱函数作平均，这里采用滑动窗时间平均，得到的平均时间周期输出〈Spvi(w)〉为

(2)

式中〈〉表示求滑动窗平均周期。

在水下目标方向的复合探测方法研究中，声压与地震波振速具有相同的相位。根据傅里叶变换基本特性，两个同相位输入的能量集中在互谱的实部，即水下目标的噪声能量主要集中在互谱输出的实部，而虚部为干扰能量[4]。互谱函数的实部PVx(w)和PVy(w)分别为

(3)

式中：PVx(w)是Spvx(w)的实部；PVy(w)是Spvy(w)的实部。

水下目标的水平方位角θ的公式为

(4)

在实际问题中，以x轴方向为θ零度[5]，则有

(5)

式中x(t)为目标信号。

定义引导方位角ψ=0°，求出地震波振速分量vx(t)和vy(t)的旋转水平分量vc(t)和旋转垂直分量vs(t)为

(6)

将声压p(t)和地震波振速旋转水平分量vc(t)相加，得

p(t)+vc(t)=x(t)[1+cos(θ-ψ)]

(7)

其归一化指向性Rc(θ)为

Rc(θ)=[p(t)+vc(t)]/2x(t)

(8)

同理，声压p(t)和地震波振速旋转垂直分量vs(t)相加，得

p(t)+vs(t)=x(t)[1+sin(θ-ψ)]

(9)

其归一化指向性Rs(θ)为

Rs(θ)=[p(t)+vs(t)]/2x(t)

(10)

2 系统结构组成

在水下目标方向的搜索中，水下目标产生的信号在水中传播引起浅海海底地震波发生变化，在接收端对这个信号进行接收，用声呐接收其声压信号，同时，用矢量传感器接收其振速信号，然后根据复合增强探测的原理准确找到水下目标的方向。在上述过程中，由于水中存在各种噪声干扰信号，所以在接收时包括干扰噪声。系统的具体结构组成如图2所示。

图2 系统结构组成图

声呐是一种利用声波在水中的传输特性，通过信息处理，完成水下目标的跟踪、探测、定位等的电子设备。在此次实验中，利用声呐主要是为测出水下目标的声压标量p(t)。但声呐只能测得其与水下目标的距离而不能得出水下目标的具体方向。图3为声呐实物图。

图3 声呐实物图

矢量传感器是一种在直角坐标系中可同时测得一个或多个矢量的设备。水下目标产生噪声在水中进行传播，引起浅海海底地震波发生振动，矢量传感器主要测量地震波振速矢量的两个分量vx(t)和vy(t)。根据矢量传感器的单边指向性[6]，可准确搜索到水下目标的方向。图4为矢量传感器实物图。

图4 矢量传感器实物图

3 实验数据预处理的方法

3.1 包络检波法

包络检波法是一种非相干解调，包括全波整流器和低通滤波器，其原理框图如图5所示。

图5 包络检波法的原理框图

图5中，全波整流器的作用是对输入的数据取绝对值，进而使输入数据的取值都转换成正值；低通滤波器的作用是允许低于截止频率的信号通过而不允许高于截止频率的信号通过。

3.2 归一化处理法

归一化处理法指的是整组数据中的每个数据除以该组数据中的最大值，从而将全部数据变为(0，1)之间的小数。这种方法是为简化数据处理过程而提出的，计算公式见式(11)。

x1=x/xmax

(11)

式中：x为原始数据；xmax为原始数据中的最大值；x1为归一化处理后的数据。

4 仿真与结果分析

4.1 声呐测出的声压与矢量传感器测出的振速

将声呐和矢量传感器置于水中，然后在水下目标位置发射正弦波信号s(t)。

s(t)=sin(2π×1/180×t)+1

(12)

由正弦波载波c(t)对其进行调制，同时用声呐测量声压标量数据，矢量传感器测量地震波振速矢量数据。

c(t)=cos(2π×800×t)

(13)

在发射信号的同时，利用数据采集器进行数据采集，由于数据采集器插有电源，所以在采集过程中混入交变电流干扰信号n(t)以及其他噪声。

n(t)=sin(2π×50×t)

(14)

因此，采集的数据是发射信号在被调制的基础上又添加了噪声的信号。但对于复合增强探测方法来说，实际需要的是发射信号的数据，因此必须对采集的数据进行解调(这里采用包络检波法)。经过解调后，对数据进行归一化处理，即可得到声压p(t)、地震波振速水平分量vx(t)和地震波振速垂直分量vy(t)的仿真结果，图6～图8所示。

图6 声压p(t)的仿真结果图

从图6看出，声压p(t)的仿真结果是一个空心圆，因此，其是标量且无指向性。

图7 地震波振速水平分量vx(t)的仿真结果图

图8 地震波振速垂直分量vy(t)的仿真结果图

从图7和图8中看出，地震波振速水平分量vx(t)的仿真结果是一个水平放置的“8”形，地震波振速垂直分量vy(t)的仿真结果是一个竖直放置的“8”形，因此，地震波振速vi(t)(i=x,y)是矢量，其各分量具有偶极子指向性。

4.2 水下目标方向的搜索

根据式(12)可知：其频率f为1/180Hz，所以其周期T为180s，因而实验选取的数据采集时间是输入信号的一个周期；再根据图1，求得水下目标的水平方位角；最后根据矢量传感器的单边指向性，得到目标方向。

图9为p(t)+vc(t)的指向性Rc(θ)。图10为p(t)+vs(t)的指向性Rs(θ)。

在图9和图10中，Rc(θ)和Rs(θ)皆为非对称型，说明矢量传感器具有单边指向性。

图9 p(t)+vc(t)的指向性RC(θ)

图10 p(t)+vs(t)的指向性RS(θ)

5 结论

针对在浅海海底搜索水下目标时抗干扰能力差的问题，本文提出用声呐和矢量传感器同时测量数据，然后用复合增强探测的方法来确定水下目标的方向。仿真实验证明：

(1)对采集到的声压标量和地震波振速矢量各个分量经过FFT变换后，进行互谱取实部处理，可准确地求出水下目标的水平方位角；

(2)采用复合增强探测的方法可精确搜索到单个的水下目标方向。

采用此方法实现多个水下目标方向的分辨是下一步要研究的课题。