王世闖，王曉林，龐玉紅

?

基于多普勒-隨機(jī)共振技術(shù)的高精度陣形估計(jì)系統(tǒng)研究

王世闖，王曉林，龐玉紅

(杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所，浙江杭州 310012)

潛用拖曳線(xiàn)列陣聲吶在拖曳過(guò)程中，隨著潛艇的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化，其線(xiàn)陣陣形會(huì)產(chǎn)生一定的畸變。速度越慢，其畸變幅度越大。陣形畸變，將影響聲吶的探測(cè)性能。為有效提高拖曳聲吶的探測(cè)能力，需對(duì)陣段不同拖曳狀態(tài)進(jìn)行陣形變化研究。基于以上研究需求的基礎(chǔ)上，使用隨機(jī)共振技術(shù)和陣元多普勒頻移特性，在實(shí)驗(yàn)室或湖上構(gòu)建了陣形估計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)不同拖曳狀態(tài)的測(cè)試陣段實(shí)時(shí)地精確估計(jì)陣形，滿(mǎn)足拖曳線(xiàn)列陣聲吶陣形估計(jì)技術(shù)研究的需求。

隨機(jī)共振；拖曳聲吶；陣形估計(jì)；多普勒

0 引言

國(guó)際上潛用技術(shù)發(fā)展迅速，潛艇輻射噪聲級(jí)正以每年平均1 dB量級(jí)下降，出現(xiàn)了一系列和海洋背景噪聲水平相當(dāng)?shù)陌察o型潛艇。為使己方潛艇可在理想范圍先敵發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，多國(guó)為己方潛艇裝備了拖曳線(xiàn)列陣聲吶。該型聲吶具有聲學(xué)孔徑大、工作頻率低、平臺(tái)干擾小、工作深度可調(diào)等眾多其他艇載聲吶無(wú)法超越的特點(diǎn)，具備遠(yuǎn)程被動(dòng)探測(cè)安靜型潛艇能力。

目前，拖曳線(xiàn)列陣聲吶探測(cè)目標(biāo)時(shí)，以陣形保持直線(xiàn)為前提，為保證聲吶探測(cè)性能，潛艇需盡可能保持穩(wěn)定航行狀態(tài)，這在一定程度上限制了潛艇的機(jī)動(dòng)性。同時(shí)，為保證本艇自身隱蔽性，潛艇巡弋速度較低，而拖曳線(xiàn)列陣聲吶在較低拖速下，容易呈蛇形運(yùn)動(dòng)，故為保證拖曳線(xiàn)列陣聲吶在低速下的探測(cè)性能，需對(duì)不同拖曳狀態(tài)下的線(xiàn)陣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行研究，以作為后續(xù)信號(hào)處理的補(bǔ)充。

目前，國(guó)際上對(duì)陣形研究的方法較多，但各種方法的估計(jì)效果無(wú)法直接得到驗(yàn)證。因此，需構(gòu)建一套高精度的陣形估計(jì)系統(tǒng)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，為各種陣形估計(jì)技術(shù)的驗(yàn)證和發(fā)展做鋪墊。

1 隨機(jī)共振技術(shù)原理

隨機(jī)共振(Stochastic Resonance，SR)為非線(xiàn)性雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，其勢(shì)函數(shù)[1-2]表示為

式中，為噪聲能量。隨著噪聲能量的增加，其躍遷概率也相應(yīng)提高，則質(zhì)點(diǎn)可在兩個(gè)勢(shì)阱間相互躍遷，此時(shí)該系統(tǒng)則產(chǎn)生SR。

與其他技術(shù)相比，隨機(jī)共振技術(shù)在檢測(cè)微小頻率弱信號(hào)方面，具有突出的優(yōu)勢(shì)。

2 運(yùn)動(dòng)陣元的多普勒頻偏轉(zhuǎn)換

多普勒頻偏量為

WEB發(fā)布的流程包括：?jiǎn)⒂肔abVIEW選項(xiàng)中遠(yuǎn)程前面板服務(wù)器，配置根目錄、TCP/IP端口、使用記錄文件、瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)控制權(quán)等；再通過(guò)Web發(fā)布工具配置內(nèi)嵌模式、網(wǎng)頁(yè)說(shuō)明內(nèi)容、URL網(wǎng)址內(nèi)容等，到此步完成內(nèi)網(wǎng)發(fā)布步驟；通過(guò)netsh命令實(shí)現(xiàn)端口映射，使服務(wù)器上固定外網(wǎng)IP端口轉(zhuǎn)接到內(nèi)網(wǎng)IP指定端口，實(shí)現(xiàn)在任意電腦上輸入用外網(wǎng)IP替換內(nèi)網(wǎng)IP后的URL指定網(wǎng)址即可訪(fǎng)問(wèn)顯示界面。

3 SR頻偏信號(hào)檢測(cè)

SR理論適用于頻率很低(0~1 Hz)的信號(hào)的檢測(cè)。對(duì)于高頻率信號(hào)，由于兩個(gè)勢(shì)阱之間的轉(zhuǎn)換頻率低于信號(hào)高低電平變換的頻率，無(wú)法產(chǎn)生SR現(xiàn)象。通過(guò)第1節(jié)的分析可知，頻偏信號(hào)正在該范圍內(nèi)，可使用SR技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。

為了使SR方法可以檢測(cè)頻偏量，需將陣元接收信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，轉(zhuǎn)變?yōu)轭l偏信號(hào)。

通過(guò)固定位置的換能器發(fā)射信號(hào)，拖線(xiàn)陣上的水聽(tīng)器在拖曳過(guò)程中對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行接收。

水聽(tīng)器陣元在時(shí)刻接收到的信號(hào)(含噪聲)為

固定位置的換能器發(fā)射的原始信號(hào)為

由式(14)可知，調(diào)制后的噪聲仍是高斯白噪聲。

由式(10)可知，經(jīng)過(guò)調(diào)制后的信號(hào)的頻率成分變?yōu)閮蓚€(gè)，一個(gè)為原始信號(hào)的頻率與掃頻載波信號(hào)的差值，另一個(gè)為其和值。如果掃頻載波信號(hào)的頻率與原始信號(hào)頻率差值非常小，就可以得到小參數(shù)的輸入信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)濾波器，將其大頻率信號(hào)濾除，獲得頻偏信號(hào)。將該信號(hào)通過(guò)非線(xiàn)性雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，輸出便產(chǎn)生SR。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖1所示。

圖1 SR檢測(cè)頻偏流程圖

由圖1可知，將拖線(xiàn)陣水聽(tīng)器接收的信號(hào)與固定位置的換能器發(fā)射的單頻信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制；調(diào)制后的信號(hào)包含了調(diào)制后的低頻信號(hào)、高頻信號(hào)和調(diào)制噪聲；其后通過(guò)低通濾波器進(jìn)行濾波，濾掉高頻信號(hào)后，僅剩低頻信號(hào)和調(diào)制噪聲；將低頻信號(hào)和調(diào)制噪聲通過(guò)非線(xiàn)性雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，則可形成SR現(xiàn)象，該系統(tǒng)的輸出可精確地檢測(cè)出頻偏信號(hào)。

4 系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)SR的信號(hào)檢測(cè)理論和多普勒頻移理論，可構(gòu)建陣形估計(jì)系統(tǒng)。

在有效測(cè)試空間內(nèi)構(gòu)建笛卡爾坐標(biāo)系，如圖2所示。

兩軸構(gòu)成平面B，兩軸構(gòu)成平面C，兩軸構(gòu)成平面A，三平面內(nèi)各安裝一個(gè)水聲換能器，分別稱(chēng)為換能器A、B、C。如圖3所示。

圖2 測(cè)試空間笛卡爾坐標(biāo)系

圖3 測(cè)試空間換能器安裝示意圖

圖4 SR陣形估計(jì)系統(tǒng)

5 仿真實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)拖曳平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，構(gòu)建測(cè)試陣段各陣元在各時(shí)刻的接收數(shù)據(jù)，同時(shí)在各陣元單頻信號(hào)基礎(chǔ)上，增加噪聲能量。通過(guò)調(diào)制，獲得了多普勒頻偏信號(hào)，如圖6所示。

圖5 拖曳平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡

圖6 經(jīng)過(guò)150 Hz發(fā)射頻率調(diào)制后的單陣元輸入信號(hào)

圖7 經(jīng)過(guò)SR后的輸出信號(hào)

由圖6和圖7可知，經(jīng)過(guò)SR系統(tǒng)后，調(diào)制信號(hào)由雜亂無(wú)章?tīng)顟B(tài)變?yōu)橛行蛏舷碌能S變狀態(tài)。

對(duì)所得到的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果分別如圖8、9所示。

將構(gòu)建的陣形與經(jīng)過(guò)上述方法檢測(cè)的陣形進(jìn)行對(duì)比分析，求得不同時(shí)刻估計(jì)的各陣元位置與構(gòu)建的陣形中對(duì)應(yīng)陣元位置之間的距離，并計(jì)算該距離與陣長(zhǎng)比值，將所有陣元計(jì)算的距離比值求平均，則獲得估計(jì)陣形誤差值，如圖10所示。

經(jīng)分析圖10可得，估計(jì)的陣形與構(gòu)建陣形的偏差值在6%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足陣形估計(jì)的精度要求。

圖8 調(diào)制信號(hào)頻譜

圖9 經(jīng)過(guò)SR后的信號(hào)頻譜

圖10 陣形估計(jì)誤差

6 結(jié)論

本文論述了SR信號(hào)檢測(cè)理論、陣元運(yùn)動(dòng)多普勒頻偏理論和多普勒頻偏信號(hào)提取理論，并且根據(jù)以上理論，構(gòu)造了SR高精度多普勒陣形估計(jì)系統(tǒng)。根據(jù)陣形運(yùn)動(dòng)特性，進(jìn)行了理論分析與實(shí)驗(yàn)仿真，得出了該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)精確估計(jì)陣形的結(jié)論。因系統(tǒng)工程尚未構(gòu)建，湖試或?qū)嶒?yàn)室試驗(yàn)不具備條件，尚未進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)分析，后續(xù)將根據(jù)基礎(chǔ)建設(shè)需求，對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以驗(yàn)證該系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。

[1] 王世闖, 王茂法, 肖翔, 等. 拖曳線(xiàn)列陣機(jī)動(dòng)時(shí)的一種目標(biāo)檢測(cè)算法研究[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 39(4): 441-451. WANG Shichuang, WANG Maofa, XIAO Xiang, et al. A target detection algorithm research during towed line array maneuvering [J]. Acta Acustica, 2014, 39(4): 441-451.

[2] 盧志恒, 林建恒, 胡崗. 隨機(jī)共振問(wèn)題Fokker-Planck方程的數(shù)值研究[J]. 物理學(xué)報(bào), 1993, 42(10): 1556-1566. LU Zhiheng, LIN Jianheng, HU Gang. The Fokker-Planck equation’s numerical research about stochastic resonance[J]. Chinese Journal of Physics, 1993, 42(10): 1556-1566.

[3] 王茂法, 王世闖, 王曉林. 拖曳線(xiàn)列陣機(jī)動(dòng)時(shí)的SRBF算法研究[C]//中國(guó)聲學(xué)學(xué)會(huì)水聲學(xué)分會(huì)2013年全國(guó)水聲學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集, 2013. WANG Maofa, WANG Shichuang, WANG Xiaolin. The SRBF algorithm research during towed line array maneuvering[C]// Underwater acoustics branch of china acoustics institute 2013 national hydroacoustics academic conference proceedings, 2013.

[4] 冷永剛. 基于Kramers逃逸速率的調(diào)參隨機(jī)共振機(jī)理[J]. 物理學(xué)報(bào), 2009, 58(8): 5196-5200.LENG Yonggang. The theory of stochastic resonancebased on Kramers’s escape velocity[J]. Chinese Journal of Physics, 2009, 58(8): 5196-5200.

[5] 王世闖, 王茂法, 肖翔, 等. 被動(dòng)拖曳線(xiàn)列陣機(jī)動(dòng)過(guò)程中的頻域?qū)拵Рㄊ纬蒣J]. 聲學(xué)與電子工程, 2012(4): 5-9. WANG Shichuang, WANG Maofa, XIAO Xiang, et al. The broadband beamforming in frequency domain of passive towed line array maneuvering[J]. Acoustic and Electronic Engineering, 2012(4): 5-9.

[6] 王世闖. 被動(dòng)拖曳線(xiàn)列陣機(jī)動(dòng)時(shí)的信號(hào)處理研究[D]. 北京：中國(guó)艦船研究院, 2013.

WANG Shichuang. The research of signal processing during passive towed line array maneuvering[D]. Beijing: China Ship Research and Development Academy, 2013.

Research on precise array shape estimation system based on Doppler shift and stochastic resonance technique

WANG Shi-chuang, WANG Xiao-lin, PANG Yu-hong

(Hangzhou Applied Acoustics Research Institute, Hangzhou 310012, Zhejiang, China)

The array shape towed under water will generate a certain distortion if the movement of towing device changes. And, the slower the towing speed, the greater the distortion magnitude, obviously the distortion affects the detection performance. To improve the detection performance of the towed array, how the array shape changes in different towing states needs to be researched. This paper introduces the research results based on these demands, and proposes using the stochastic resonance (SR) technique and Doppler shift character to build a shape estimation system of towed array. This system can provide precise estimates of the array shape in real time to meet the needs of shape estimation technique for towed array sonar.

stochastic resonance (SR); towed array sonar; array shape estimation; Doppler shift

TB566

A

1000-3630(2018)-03-0222-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.03.005

2017-06-15;

2017-08-26

王世闖(1987－), 男, 遼寧丹東人, 滿(mǎn)族, 工程師, 研究方向?yàn)樗暪こ獭?/p>

王世闖, E-mail: wsc_715@163.com