融合浮標(biāo)與潛標(biāo)的水聲定位噪聲測(cè)量系統(tǒng)

滕吉鵬， 方 舟， 潘 仙， 梁 勇

(嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 嘉興 314031)

0 引 言

對(duì)于水下目標(biāo)設(shè)備的性能研究、設(shè)計(jì)、改造來說，目標(biāo)本身的噪聲數(shù)據(jù)對(duì)于其各方面的應(yīng)用都有著重要的指導(dǎo)意義。水聲潛標(biāo)是獲取水下目標(biāo)設(shè)備噪聲信息的重要工具裝備。由于水聲潛標(biāo)能滿足各種海況條件下的應(yīng)用，對(duì)各種環(huán)境都具有良好的適應(yīng)性，并且可以進(jìn)行長(zhǎng)期、定點(diǎn)、連續(xù)和多層面的同步測(cè)量，目前水聲潛標(biāo)裝置已在海洋科學(xué)調(diào)查研究、軍事偵察等方面得到非常廣泛的應(yīng)用。水聲浮標(biāo)是目前廣泛應(yīng)用于水上及水下目標(biāo)定位、探測(cè)和監(jiān)視的一種重要水聲設(shè)備，其性能可靠，技術(shù)成熟且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便，效果較好，在實(shí)際應(yīng)用中，可利用多個(gè)水聲浮標(biāo)構(gòu)成聲學(xué)定位浮標(biāo)陣列，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)的實(shí)時(shí)位置或軌跡測(cè)量及實(shí)時(shí)的位置監(jiān)視功能。

提出一種融合浮標(biāo)與潛標(biāo)的水聲定位噪聲測(cè)量系統(tǒng)，由水聲定位浮標(biāo)和潛標(biāo)等設(shè)備共同組成一個(gè)水下測(cè)量網(wǎng)絡(luò)。潛標(biāo)負(fù)責(zé)待測(cè)水域的噪聲測(cè)量；多個(gè)定位浮標(biāo)組成的浮標(biāo)定位陣負(fù)責(zé)對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行同步定位及軌跡監(jiān)測(cè)；水上的系統(tǒng)顯控平臺(tái)通過水聲控制指令的發(fā)射控制系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行過程，并能夠?qū)崟r(shí)地接收水聲設(shè)備發(fā)回的聲學(xué)信號(hào)。顯控平臺(tái)可對(duì)接收到的信號(hào)實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分析計(jì)算水下目標(biāo)噪聲的頻譜、聲源級(jí)和功率譜密度等特性，并且根據(jù)用戶需求，對(duì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)圖形顯示并提供事后的數(shù)據(jù)回放及處理功能。為提高系統(tǒng)的水聲定位精度,加入高精度時(shí)鐘和GPS。

1 系統(tǒng)組成

基于浮標(biāo)與潛標(biāo)結(jié)合的水聲定位噪聲測(cè)量系統(tǒng)主要由4個(gè)定位浮標(biāo)、無線通信基站、顯示控制平臺(tái)、潛標(biāo)和甲板單元組成，其系統(tǒng)配置如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)配置示例

系統(tǒng)中，由4個(gè)水聲定位浮標(biāo)共同組成一個(gè)同步測(cè)量基陣，該基陣可實(shí)時(shí)采集并處理水下目標(biāo)的水聲瞬態(tài)信號(hào)，并通過無線通信功能將數(shù)據(jù)回傳至顯示控制平臺(tái)。無線通信基站可完成系統(tǒng)的定位浮標(biāo)陣列和水上顯示控制平臺(tái)的高精度定位功能，并為二者之間的數(shù)據(jù)傳輸提供無線平臺(tái)。水上的顯示控制平臺(tái)用于管理整個(gè)水聲系統(tǒng)并且完成對(duì)水下目標(biāo)的定位解算功能、水下目標(biāo)的噪聲數(shù)據(jù)分析及顯示功能、數(shù)據(jù)回放功能等。系統(tǒng)中潛標(biāo)具有聲學(xué)釋放、聲學(xué)測(cè)距、水下噪聲信號(hào)采集、水聲信號(hào)通信等功能，同時(shí)也具有水聲釋放功能。系統(tǒng)工作時(shí)潛標(biāo)可接收甲板單元的聲學(xué)詢問信號(hào)和控制指令信號(hào)，并且與甲板單元相互配合，兩者共同實(shí)現(xiàn)水聲目標(biāo)測(cè)距、水聲設(shè)備釋放和水聲信號(hào)采集工作。潛標(biāo)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)具有機(jī)械釋放結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備的回收，可通過顯示控制平臺(tái)下發(fā)水聲通信命令，打開機(jī)械結(jié)構(gòu)，釋放潛標(biāo)上的承重物，從而讓潛標(biāo)在浮球浮力的作用下實(shí)現(xiàn)上浮，完成設(shè)備的回收功能，后期便于用戶導(dǎo)出潛標(biāo)的記錄數(shù)據(jù)并進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)分析處理。

2 系統(tǒng)工作原理

在實(shí)時(shí)工作中，系統(tǒng)利用4個(gè)水聲浮標(biāo)的數(shù)據(jù)根據(jù)幾何原理進(jìn)行定位，定位系統(tǒng)的基陣陣元之間的距離稱為基線長(zhǎng)度。系統(tǒng)采用長(zhǎng)基線定位原理對(duì)水下目標(biāo)的實(shí)時(shí)位置進(jìn)行解算，其基線長(zhǎng)度可與海深相比擬，一般在幾百米到幾千米。

2.1 長(zhǎng)基線工作原理

由數(shù)個(gè)浮標(biāo)為基元構(gòu)成基陣的定位系統(tǒng)，通過測(cè)量各浮標(biāo)到達(dá)測(cè)量目標(biāo)的時(shí)延解算出潛標(biāo)與目標(biāo)之間的距離，再由其幾何關(guān)系解算出目標(biāo)的位置，其優(yōu)點(diǎn)是定位精度高、作用距離長(zhǎng)及定位精度與水深無關(guān)。在測(cè)量浮標(biāo)位置時(shí)系統(tǒng)可使用GPS，得到浮標(biāo)的經(jīng)緯度并對(duì)所有浮標(biāo)進(jìn)行同步，將解算位置與高精度GPS數(shù)據(jù)融合，進(jìn)而測(cè)量目標(biāo)的絕對(duì)位置。

長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)[1-2]可由3個(gè)或3個(gè)以上浮標(biāo)組成的基陣構(gòu)成，以最具代表性的3個(gè)浮標(biāo)組成的基陣為例說明長(zhǎng)基線定位原理。如圖2所示，設(shè)定目標(biāo)的坐標(biāo)為：P(x,y,z)，3個(gè)浮標(biāo)為(xi,yi,zi)(i=1,2,3)。浮標(biāo)依據(jù)GPS時(shí)鐘工作于同步方式。假定目標(biāo)在時(shí)刻T0入水，浮標(biāo)接收到的聲傳播時(shí)間分別為Ti(i=1,2,3)。假設(shè)水中聲速為C，則各浮標(biāo)至目標(biāo)的距離為Di(i=1,2,3)。根據(jù)其幾何關(guān)系以浮標(biāo)為球心的3個(gè)球面的交匯點(diǎn)即為目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)。

圖2 長(zhǎng)基線球面交匯示例

根據(jù)水聲異步定位原理，也可稱之為雙曲面交匯模型，利用4個(gè)浮標(biāo)組成的定位基陣滿足下列方程組：

(1)

式中：t0、x、y和z為未知量。選取i=1號(hào)浮標(biāo)作為參考浮標(biāo)，式(1)可變?yōu)?/p>

c·(ti-t0)

(2)

式中：C為光速；i=2,3,4。

解式(2)即可獲得目標(biāo)的位置坐標(biāo)。其主要利用目標(biāo)至2個(gè)定位浮標(biāo)之間的距離差值進(jìn)行計(jì)算，事實(shí)上，距離間的差值反映的也就是目標(biāo)至各浮標(biāo)間的時(shí)間差值。在實(shí)際工作中，目標(biāo)在水中的深度z可利用深度傳感器提前獲取，因此可將目標(biāo)的深度z作為先驗(yàn)已知值代入方程，此時(shí)利用3個(gè)浮標(biāo)的信息即可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，冗余的浮標(biāo)信息可用于剔除不合理的方程解并實(shí)現(xiàn)多個(gè)方程解的加權(quán)平均[3]。

2.2 系統(tǒng)誤差分析

系統(tǒng)中，目標(biāo)定位誤差主要由GPS水平誤差、系統(tǒng)的時(shí)延測(cè)量誤差和由水聲信道不同所導(dǎo)致的水聲誤差引起，通過蒙特卡羅反演方法[4]仿真分析這3個(gè)誤差源對(duì)目標(biāo)定位精度的影響。

設(shè)定4個(gè)浮標(biāo)的坐標(biāo)分別為：(0 m，0 m)、(1 500 m, 0 m)、(0 m, 1 500 m)和(1 500 m，1 500 m)，GPS定位誤差為5 m，測(cè)時(shí)誤差0.3 ms，平均聲速相對(duì)誤差為3‰。將4個(gè)浮標(biāo)圍成的陣內(nèi)區(qū)域按50 m×50 m分割成網(wǎng)格狀，對(duì)網(wǎng)格的所有節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)水平定位均方根誤差，得到目標(biāo)定位均方根誤差分布如圖3所示。其中每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)定位誤差大小以黑色到白色漸變顏色來標(biāo)記，m。圖3是對(duì)100組樣本進(jìn)行的仿真統(tǒng)計(jì)。

圖3 系統(tǒng)誤差分析

由仿真結(jié)果可看出，只需保證目標(biāo)落在陣內(nèi)區(qū)域，則其水平面上的定位誤差小于7 m (均方根值)。

2.3 信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)原理

為提高信號(hào)檢測(cè)能力，保證系統(tǒng)的時(shí)延測(cè)量精度，換能器接收的水聲信號(hào)經(jīng)過接收機(jī)和模數(shù)變換后，先利用自適應(yīng)Notch濾波器濾除信道噪聲，提取有用信號(hào)[4]。信號(hào)檢測(cè)模塊采用窄帶包絡(luò)檢波器、鑒寬器、瞬時(shí)頻率及方差檢測(cè)器聯(lián)合處理以保證信號(hào)檢測(cè)的高性能。

由于系統(tǒng)采用窄帶單脈沖，工作帶寬和頻點(diǎn)分布密集，低頻信號(hào)的二倍頻乃至三倍頻都在工作頻帶內(nèi)，因此強(qiáng)信號(hào)的邊帶頻譜將通過鄰近頻率通道，成為鄰近通道中的尖脈沖干擾，引起通道串漏，采用傳統(tǒng)的能量檢測(cè)器加鑒寬器檢測(cè)將大幅增加虛假警報(bào)的概率，通過加入瞬時(shí)頻率方差檢測(cè)器(Variance-of-Instantaneous-Frequency Detector, VIFD)，配合傳統(tǒng)的檢測(cè)器進(jìn)行聯(lián)合判決，系統(tǒng)可有效地抵抗通道間的串?dāng)_及脈沖干擾。

系統(tǒng)的聯(lián)合判決如圖4所示。

圖4 Notch濾波和VIFD聯(lián)合判決

脈沖搜索的過程就是信號(hào)檢測(cè)的過程。由于每個(gè)同步周期內(nèi)每個(gè)通道只能上傳3個(gè)脈沖信息，因此對(duì)檢測(cè)到的所有脈沖進(jìn)行挑選十分必要。脈沖挑選的原則是必須選擇每個(gè)同步周期的首脈沖，其余的在滿足條件的脈沖里選擇幅度較大的。具體挑選的方法如下：把一系列挨在一起的脈沖分為一群，當(dāng)前后兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔超過500 ms時(shí)，把其分為不同的群，后一個(gè)脈沖為群的首脈沖，將首脈沖打包存入數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)；在首脈沖后開窗，窗長(zhǎng)為50 ms，窗內(nèi)的脈沖全部認(rèn)為無效；把剩下的脈沖按幅度大小排列，取出(3～N)個(gè)幅度相對(duì)大的脈沖(其中N為本通道首脈沖的個(gè)數(shù))；將脈沖信息打包送入數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)。脈沖挑選及搜索邏輯如圖5所示。

圖5 脈沖挑選及搜索邏輯

每個(gè)同步周期都把本周期最后一個(gè)脈沖的時(shí)延記錄下來，用以與下一同步周期的第一個(gè)脈沖做對(duì)比來判斷是否是一群的首脈沖。

當(dāng)一個(gè)脈沖跨同步周期時(shí)，脈沖的參數(shù)存在暫存區(qū)內(nèi)，下一個(gè)周期繼續(xù)檢測(cè)，測(cè)得的脈沖時(shí)延相對(duì)本周期為負(fù)值。

2.4 噪聲測(cè)量原理

在系統(tǒng)工作過程中，由水下潛標(biāo)全天候全天時(shí)地記錄水下目標(biāo)的噪聲數(shù)據(jù)。記錄的數(shù)據(jù)在回收潛標(biāo)后，通過潛標(biāo)的USB口導(dǎo)出至主控平臺(tái)，由主控軟件對(duì)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。軟件可進(jìn)行噪聲的功率譜密度、聲壓級(jí)、聲源級(jí)等指標(biāo)的計(jì)算并給出相應(yīng)的圖表顯示。

系統(tǒng)中所有設(shè)備均通過高精度GPS進(jìn)行同步對(duì)時(shí)，目標(biāo)噪聲在每個(gè)絕對(duì)時(shí)刻的各項(xiàng)指標(biāo)均能與目標(biāo)的實(shí)時(shí)大地位置逐一對(duì)應(yīng)，主控軟件最終會(huì)融合實(shí)時(shí)GPS位置數(shù)據(jù)與記錄目標(biāo)的噪聲信號(hào)得到噪聲在各方位的指標(biāo)值，從而得到目標(biāo)的指向性圖示，軟件得到的處理結(jié)果可為水下目標(biāo)噪聲的研究提供有力的數(shù)據(jù)支持。對(duì)各項(xiàng)噪聲指標(biāo)的計(jì)算方法[6]說明如下：

(1) 功率譜密度的計(jì)算方法。假定有限長(zhǎng)隨機(jī)信號(hào)序列為x(n),其傅里葉變換和功率譜密度估計(jì)存在如下關(guān)系，即在各離散的頻率點(diǎn)有

k=0,1,…,M-1

(3)

式中：F[x(n)]為對(duì)序列x(n)的傅里葉變換，由于F[x(n)]的周期為M，求得的功率譜估計(jì)以M為周期，系統(tǒng)選用改進(jìn)的Welch法以提高計(jì)算精度。具體步驟為：將M個(gè)數(shù)據(jù)分為L(zhǎng)段，每段G個(gè)數(shù)據(jù)，即N=L·G再選擇適當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)對(duì)每段數(shù)據(jù)依次加權(quán)，計(jì)算F；最后對(duì)分段的數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行平均即可得到功率譜密度估計(jì)。

(2) 聲壓級(jí)的計(jì)算方法。在頻域上對(duì)功率譜密度積分，可求得噪聲聲壓級(jí)：

NL_fre=10 lg(sum(Psd)·B)-Me

(4)

式中：Psd為計(jì)算的功率譜密度；B為譜線帶寬；Me為水聽器的接收靈敏度，計(jì)算中不同的譜線利用不同的接收靈敏度查表代入公式進(jìn)行修正。

(3) 噪聲聲源級(jí)的計(jì)算方法。

SL=NL+20lgd+α·d

(5)

式中：SL為噪聲聲源級(jí)；NL為噪聲聲壓值；換能器與目標(biāo)間的距離值d通過GPS數(shù)據(jù)計(jì)算得到，α為環(huán)境吸收因數(shù)，在處理數(shù)據(jù)時(shí)查表獲取，根據(jù)不同的試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 湖上試驗(yàn)

所提出的融合浮標(biāo)與潛標(biāo)的水聲定位噪聲測(cè)量系統(tǒng)已進(jìn)行湖上試驗(yàn)。在試驗(yàn)時(shí)，首先在試驗(yàn)區(qū)域布放4個(gè)浮標(biāo)陣和潛標(biāo)，甲板單元和顯控平臺(tái)放置于測(cè)量船上，試驗(yàn)開始目標(biāo)由測(cè)量船出發(fā)，在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)航行，系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)目標(biāo)的軌跡進(jìn)行定位，并且由潛標(biāo)對(duì)目標(biāo)的噪聲進(jìn)行不間斷的監(jiān)聽記錄，后續(xù)導(dǎo)出潛標(biāo)記錄的數(shù)據(jù)并通過主控軟件對(duì)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到噪聲的聲源級(jí)、聲壓級(jí)及目標(biāo)與潛標(biāo)斜距、目標(biāo)與潛標(biāo)角度的隨時(shí)間變化的關(guān)系圖，通過主控軟件的回放功能，系統(tǒng)可顯示記錄的噪聲數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)時(shí)刻的目標(biāo)軌跡圖，為用戶提供直觀的圖形顯示。

圖6為顯示控制平臺(tái)的噪聲指標(biāo)顯示頁(yè)面。綜合圖6(b)的噪聲聲壓級(jí)及圖6(c)的目標(biāo)與潛標(biāo)斜距可看出，當(dāng)目標(biāo)與潛標(biāo)距離值最近時(shí)，噪聲聲壓級(jí)值最大，而圖6(a)的噪聲聲源級(jí)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中基本保持平穩(wěn)。結(jié)合圖6(d)的目標(biāo)與潛標(biāo)角度可得到目標(biāo)噪聲在每個(gè)角度的指標(biāo)。圖6的試驗(yàn)結(jié)果顯示，水下目標(biāo)以30 kn航速水下直線航行時(shí)，噪聲聲源級(jí)約160 dB。

圖6 湖上試驗(yàn)顯示控制平臺(tái)測(cè)噪結(jié)果

4 結(jié) 論

闡述一種融合浮標(biāo)與潛標(biāo)的水聲定位噪聲測(cè)量系統(tǒng)。高精度時(shí)鐘和GPS的加入使系統(tǒng)能精確監(jiān)測(cè)各時(shí)刻的環(huán)境噪聲及水下目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡和噪聲。系統(tǒng)提供友好的用戶主控界面，軟件可融合時(shí)間、位置及噪聲測(cè)量多種信息為用戶同時(shí)顯示水下目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡及噪聲數(shù)據(jù)分析結(jié)果。在湖上試驗(yàn)時(shí)，選擇目標(biāo)在同一航速下不同軌跡時(shí)的多次噪聲測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)得到多次測(cè)量的譜級(jí)誤差約0.8 dB，對(duì)比目標(biāo)軌跡的定位結(jié)果與目標(biāo)位置的真值，得到系統(tǒng)的定位誤差約0.5 m。經(jīng)過多次長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量，驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。