水中動態(tài)爆點純方位定位有效測量距離分析

陸　揚，管啟亮，譚　鑫，魏傳林

(中國人民解放軍91439部隊，遼寧 大連　116041)

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水中動態(tài)爆點純方位定位有效測量距離分析

陸揚，管啟亮，譚鑫，魏傳林

(中國人民解放軍91439部隊，遼寧 大連116041)

摘要：為解決傳統(tǒng)水中動態(tài)爆點雙曲線定位技術(shù)的成本大、測點精度低等問題，提出了利用純方位測量技術(shù)實現(xiàn)水下動態(tài)爆點的實時定位方法；介紹了基于矢量水聽器技術(shù)的純方位定位原理，根據(jù)矢量水聽器的特點分析了接收信號信噪比與傳播距離的關(guān)系和爆炸聲在不同傳播距離上的聲傳播損失、接收點的信號聲壓級，對有效測量距離進(jìn)行了估算。

關(guān)鍵詞：動態(tài)爆點；聲信號；測量范圍

在魚、水雷作戰(zhàn)效能試驗、水中兵器爆炸毀傷試驗和部隊實雷攻靶訓(xùn)練中，魚雷和火箭上浮水雷攻擊水中目標(biāo)時的動態(tài)爆點定位數(shù)據(jù)是作戰(zhàn)效能、攻擊效果、毀傷能力評估的重要依據(jù)[1-3]。研究表明：單個矢量水聽器即可完成對目標(biāo)的高精度測向工作[4-6]，純方位定位(bearing-only location,BOL)方法，又稱為測向交叉定位法或三角定位法[7]，是被動定位技術(shù)的一種。本文提出的利用純方位定位原理對動態(tài)爆點進(jìn)行精確定位，可有效解決傳統(tǒng)雙曲線定位技術(shù)[8]的成本大、難度高、測點精度低等問題。

爆炸聲信號屬于瞬態(tài)信號，信號聲源級取決于裝藥類型和裝藥量。定位系統(tǒng)設(shè)計及海上浮標(biāo)布陣都需要對系統(tǒng)測量范圍進(jìn)行理論分析計算。本文根據(jù)矢量傳感器的特點分析了接收信號信噪比與傳播距離的關(guān)系，計算爆炸聲在不同傳播距離上的聲傳播損失和接收點的信號聲壓級，得到了系統(tǒng)有效測量范圍，為定位系統(tǒng)設(shè)計及海上工程實施提供了理論依據(jù)。

1水中動態(tài)爆點純方位定位原理

圖1　浮標(biāo)陣測量定位原理圖

在陣元i，j和目標(biāo)T組成的三角形中，令αij_1是以陣元i為頂點的內(nèi)角，αij_2是以陣元j為頂點的內(nèi)角，dij為基線長度，它可以由浮標(biāo)上的DGPS數(shù)據(jù)計算得到。

(1)

目標(biāo)在基線坐標(biāo)系的坐標(biāo):

(2)

假設(shè)：

(3)

將式(1)代入式(2)，式(3)可改寫為

(4)

2定位系統(tǒng)有效測量范圍估算

在浮標(biāo)陣定位系統(tǒng)中，系統(tǒng)的工作頻帶Δf=4 500 Hz。按北部海域四級海況計算，海洋環(huán)境噪聲級：

NL=10×lg(Δf)+NL0=10×lg(Δf)+lg(S/N0)

(5)

其中，NL0取70 dB，對應(yīng)的海洋背景噪聲級如表1所示。

表1　背景噪聲級

上述4 500 Hz為系統(tǒng)工作帶寬，10 kHz為爆炸聲能量集中頻段。由于信號能量主要集中在低頻，相比幾何拓張損失，海水聲吸收損失很小，可以忽略。聲傳播模型可以考慮為淺海只有幾何拓張的聲傳播模型[9-10]。

考慮球面?zhèn)鞑p失情況下，傳播損失隨距離變化如下：

TL=20lg(r)

(6)

考慮柱面?zhèn)鞑p失情況下，傳播損失隨距離變化如下：

TL=10lg(r)

(7)

柱面?zhèn)鞑ナ强紤]邊界全反射條件下的聲傳播，可以認(rèn)為是最理想的情況，球面?zhèn)鞑ツＰ蜎]有邊界反射的貢獻(xiàn)，傳播損失較大。作用距離應(yīng)該考慮最大傳播損失情況下的檢測效果，所以選擇球面?zhèn)鞑ツＰ汀?/p>

聲波在高頻遠(yuǎn)距離傳播時，聲吸收損失往往很大。4 500 Hz的聲信號的聲傳播損失為約為0.36 dB/km。10 kHz的聲信號的聲傳播損失約為1.38 dB/km。這就意味著10 kHz聲信號在10 km距離處的聲吸收損失高達(dá)13.8 dB。所以高頻信號遠(yuǎn)距離傳播時聲強級會急劇減小(圖2)。

圖2　不同頻率聲傳播損失

振速傳感器有偶極子指向性，在二維各向同性噪聲場中有3 dB的空間增益，即DI=3 dB，水聽器的振速的接收信噪比有如下公式：

S/N=SL-TL-NL+DI

考慮1 G RDX炸藥爆炸產(chǎn)生的聲源級約為218 dB。在該聲源級的情況下，不同接收距離下接收信號信噪比如圖3所示。

由于信號需要通過A/d端采集，A/d端的參考電壓為3.3 V，振速的靈敏度為-192 dB，放大量為5倍，所以水聽器輸出超過3.3/5=0.66 V時信號將發(fā)生削波，影響信號的檢測性能。

SI=20lg(U)-SLr

(8)

其中SI為接收靈敏度，SLr為接收點處收到的爆炸聲聲壓級，U為水聽器輸入電壓，將上面參數(shù)代入可得：

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

(9)

所以接收點的聲壓級超過188.4 dB，A/d將發(fā)生削波，當(dāng)聲壓小于一定值時信號將埋沒在電路噪聲中，實際電路噪聲均方值約為3mV，而電路系統(tǒng)的動態(tài)范圍約為1 000倍，即動態(tài)范圍約為60 dB。所以當(dāng)接收點的聲壓級小于128.4 dB時系統(tǒng)無法正常估計和檢測。這里忽略海洋背景噪聲影響，這是因為4 500 Hz工作帶寬接收的海洋背景噪聲為106.5 dB，遠(yuǎn)小于電路噪聲128.4 dB。由此可以得到距離爆炸聲源不同距離處的聲壓級如圖4所示。

圖3　聲源級218 dB下的接收信噪比

圖4　接收點聲壓級

由此可得1 g RDX炸藥爆炸產(chǎn)生的聲源級218 dB時，系統(tǒng)正常工作的作用距離為0.320～16 km，50 g RDX炸藥爆炸產(chǎn)生的聲源級240 dB時系統(tǒng)正常工作的作用距離為0.375～46.5 km。考慮最近距離不發(fā)生削波且最遠(yuǎn)距離能夠檢測的情況下，作用距離可以設(shè)置為0.375～16 km。

3結(jié)束語

對水下實航魚雷動態(tài)爆點的精確定位，在魚雷作戰(zhàn)效能試驗、爆炸毀傷試驗鑒定領(lǐng)域具有重要意義。本文根據(jù)矢量傳感器的特點分析了接收信號信噪比與傳播距離的關(guān)系，計算分析了爆炸聲在不同傳播距離上的聲傳播損失和接收點的信號聲壓級，對有效測量范圍進(jìn)行了估算，提供了理論計算結(jié)果，對測量系統(tǒng)設(shè)計和海上浮標(biāo)布陣的工程實施具有重要的指導(dǎo)意義，對其他水中兵器動態(tài)爆點定位測量范圍估算也具有較強的參考價值。

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(責(zé)任編輯周江川)

本文引用格式：陸揚，管啟亮，譚鑫，等.水中動態(tài)爆點純方位定位有效測量距離分析[J].兵器裝備工程學(xué)報，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:【裝備理論與裝備技術(shù)】10.11809/scbgxb2016.05.003

收稿日期：2015-12-25；修回日期：2016-01-20

作者簡介：陸揚(1966—)，男，博士，高級工程師，主要從事水下測控研究。

中圖分類號：TB56

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)05-0012-03