壓差式矢量水聽(tīng)器定向系統(tǒng)

楊 奮，王二慶

(中國(guó)人民解放軍91388部隊(duì)，湛江524022)

0 引言

深水炸彈是一種投射式攻擊武器，自身沒(méi)有動(dòng)力，入水后靠自身重力下沉，是對(duì)抗水下目標(biāo)的一種有效武器。若在深彈中裝入測(cè)向系統(tǒng)和舵機(jī)，使深彈在下沉過(guò)程中不斷測(cè)量目標(biāo)方位并調(diào)整舵機(jī)，使深彈靠近目標(biāo)，在最近距離上引爆，將有效地提高命中概率［1］。四元壓差式矢量水聽(tīng)器具有較小的尺寸，能夠同時(shí)測(cè)量空間一點(diǎn)處的質(zhì)點(diǎn)振速的2個(gè)正交分量和聲壓分量，具有抗各向同性噪聲干擾的能力［2-3］。理論證明，利用聲壓和振速聯(lián)合處理方法可以得到4.8 dB指向性增益［4］。在深水炸彈中，利用四元壓差式矢量水聽(tīng)器設(shè)計(jì)定向系統(tǒng)，可提高深水炸彈的作戰(zhàn)效能。

1 原理

圖1 目標(biāo)與水聽(tīng)器位置關(guān)系圖Fig.1 Position of target and hydrophones

系統(tǒng)采用四元壓差式矢量水聽(tīng)器，如圖1所示。水聽(tīng)器的4個(gè)等效陣元分別為S1，S2，S3和S4，陣的中心為原點(diǎn)，4個(gè)陣元的坐標(biāo)分別為S1(r，0，0)，S2(0，r，0)，S3(-r，0，0)和 S4(0，-r，0);目標(biāo)的位置坐標(biāo)為(x，y，z)，入射波系數(shù)為K，聲壓為P0，俯仰角為θ，方位角為φ;4個(gè)等效陣元接收到的聲壓信號(hào)分別為P1，P2，P3和P4，4路聲壓信號(hào)的和為P，X軸向振速為Vx，Y軸向振速為Vy。

記A=K*r，當(dāng)入射波被看作是沒(méi)有衰減的平面波時(shí)，不失一般性，設(shè)P0=1，考慮到工程實(shí)現(xiàn)，可以用壓差代替同方向上的振速［2］，則有:

將聲壓信號(hào)P做90°相移得到P';再分別與X軸向和Y軸向上的振速響應(yīng)Vx和Vy做相關(guān)和時(shí)間積累平均，時(shí)間長(zhǎng)度為T(mén)，分別得到水平和垂直軸向上的平均聲強(qiáng)流k1和k2。此時(shí)，可根據(jù)k1，k2及P’這3路信號(hào)聯(lián)合計(jì)算出目標(biāo)所在的方位角。

由式(6)和式(7)可得:

故當(dāng)f*r/C＜＜1時(shí)，式(8)可表示為

做反正切運(yùn)算，解算出目標(biāo)方位角，再根據(jù)k1和k2的符號(hào)確定目標(biāo)所在的象限，即

2 仿真實(shí)驗(yàn)

用信號(hào)源產(chǎn)生信號(hào)，經(jīng)4路移相電路產(chǎn)生仿真矢量水聽(tīng)器的4路信號(hào)送到AD模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，DSP模塊對(duì)4路輸入信號(hào)進(jìn)行方位角計(jì)算，并把計(jì)算結(jié)果通過(guò)顯示接口進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)原理框圖Fig.2 Block diagram of the simulation experiment

采樣率為30 kHz，采樣點(diǎn)數(shù)為1 024點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)完成1次AD采樣需要33 ms。用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)實(shí)數(shù)FFT優(yōu)化算法，僅需248 499個(gè)時(shí)鐘周期，采用100 MHz時(shí)鐘時(shí)，1次FFT計(jì)算約需2.5 ms。DSP模塊完成1次方位信息的計(jì)算需要60 ms。因?yàn)樵贒SP模塊進(jìn)行運(yùn)算的同時(shí)就開(kāi)始了下一批數(shù)據(jù)的AD采樣，所以系統(tǒng)總的運(yùn)算時(shí)間略微超過(guò)60 ms。

實(shí)驗(yàn)是在理想信號(hào)源情況下完成的。用3 kHz單頻信號(hào)作聲源，通過(guò)4通道移相電路產(chǎn)生模擬的水聽(tīng)器輸出信號(hào)，設(shè)置水聽(tīng)器陣尺寸D為0.16 m，聲速C為1 500 m，采樣率fs為30 000 Hz。在俯仰角為40°，方位角在0～360°變化時(shí)，由DSP計(jì)算方位角，其誤差曲線(xiàn)如圖3所示。方位角均方根誤差為 1.08°。

設(shè)置水聽(tīng)器陣尺寸為0.16 m，方位角為30°，俯仰角為40°，聲源為3 kHz的單頻信號(hào)，采樣頻率從10 kHz變化到40 kHz時(shí)，DSP計(jì)算方位角，其誤差曲線(xiàn)如圖6所示。方位角均方根誤差為0.22°。

圖6 不同采樣頻率時(shí)方位角定向誤差Fig.6 Estimation error of azimuth angle on different sampling frequencies

設(shè)置方位角為 30°，俯仰角為 40°，聲源為3 kHz的單頻信號(hào)，采樣率為30 kHz，水聽(tīng)器陣尺寸從0.1 m變化到0.3 m，其定向誤差曲線(xiàn)如圖7所示。方位角均方根誤差為0.76°。

圖7 不同水聽(tīng)器陣尺寸時(shí)方位角定向誤差Fig.7 Estimation error of azimuth angle on different array sizes

設(shè)置水聽(tīng)器陣尺寸為0.16 m，方位角為30°，俯仰角為40°，聲源為3 kHz的單頻信號(hào)，采樣率為30 kHz，在移相之后給4路信號(hào)分別加入噪聲，使信噪比從-10 dB變化到10 dB時(shí)，DSP計(jì)算方位角，其誤差曲線(xiàn)如圖8所示。

方位角誤差曲線(xiàn)呈有規(guī)律的折線(xiàn)，這是因?yàn)樵谒惴ㄍ茖?dǎo)過(guò)程中引入了近似條件fr/c＜＜1。這個(gè)近似造成系統(tǒng)方位角的定向誤差信號(hào)頻率與水聽(tīng)器陣尺寸有關(guān)。

圖8 不同信噪比時(shí)方位角定向誤差Fig.8 Estimation error of azimuth angle on different SNR

3 結(jié)語(yǔ)

壓差式矢量水聽(tīng)器定向系統(tǒng)在低頻段具有小于2°方位角定向誤差，完成一次方位計(jì)算需要60 ms，該硬件系統(tǒng)還具有體積小的特點(diǎn)。該研究的軟硬件系統(tǒng)和算法可以應(yīng)用到智能深水炸彈中，也可用于相關(guān)的水下目標(biāo)被動(dòng)聲定向。

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