李 響，白正勤，劉旭東

（海軍蚌埠士官學(xué)校兵器系，安徽 蚌埠233012）

0 引言

在淺海環(huán)境中，航行艦船的輻射噪聲由于淺海低頻截止效應(yīng)，低頻段的輻射噪聲和海底介質(zhì)相互耦合產(chǎn)生沿海底傳播的艦船地震波場，而其中起主要作用的艦船低頻噪聲場是由艦船內(nèi)部或外部的動力干擾引起的艦船結(jié)構(gòu)振動向外輻射噪聲所引起的［1］。艦船地震波場含有豐富的艦船目標(biāo)信息，從而成為探測艦船目標(biāo)并實(shí)施定位的一種有效方式［2－4］，在水中兵器中有重要的應(yīng)用價(jià)值。由于保密原因，國外對該領(lǐng)域的深入研究鮮有報(bào)道，而國內(nèi)仍處于起步階段，局限于艦船地震波場傳播特性的理論研究，尚未涉足艦船地震波場的應(yīng)用研究。因此，本文提出了利用置于海底的動圈式三軸傳感器接收艦船地震波信號，并對艦船目標(biāo)進(jìn)行被動探測定位的方法。

1 傳感器設(shè)計(jì)

從艦船地震波信號的特點(diǎn)以及系統(tǒng)功耗這兩個(gè)主要方面著手，選擇適合水底環(huán)境使用的艦船地震波場傳感器。

1.1 傳感器的選擇

艦船地震波信號主要是艦船輻射噪聲耦合到海底所產(chǎn)生的沿著海底界面?zhèn)鞑サ谋砻娌?，屬于低頻微弱振動，具有一般地震波的特點(diǎn)。因此，可以借鑒海底結(jié)構(gòu)勘探常用的地震檢波器（壓電式和動圈式），并加以改進(jìn)。相對于壓電式檢波器，動圈式檢波器有較低的輸出阻抗、較好的信噪比和較低的使用頻率，可測量微小的振動，有一定的抗橫向振動能力。同時(shí)，其后繼信號處理電路簡單，并且傳感器本身不需要電源供電。因此，選用進(jìn)行艦船地震波場信號接收。

1.2 傳感器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

動圈式檢波器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其機(jī)電轉(zhuǎn)換通過線圈相對磁鐵往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)。線圈及線樞由一個(gè)彈簧系統(tǒng)支撐在永久磁鐵的磁極間隙內(nèi)，組成一個(gè)振動系統(tǒng)。當(dāng)線圈在磁極間隙中運(yùn)動時(shí)線圈切割磁力線，同時(shí)在線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢，感應(yīng)電勢的大小與線圈切割磁通量的速度成正比，即與其相對于磁鐵的運(yùn)動速度成正比，所以，動圈式檢波器也稱為速度檢波器［5－6］。以垂直檢波器為例：在接收到垂向運(yùn)動時(shí)，磁鐵隨之運(yùn)動，但線圈由于其慣性而趨于保持固定，使線圈和磁場之間有相對運(yùn)動，輸出感應(yīng)電勢。而對于水平的運(yùn)動，線圈相對于磁鐵是不動的，則它的輸出為零。

圖1 動圈式檢波器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Thestructure feature of moving－coil seismometer

1.3 傳感器方向特性

由于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，動圈式檢波器具有天然的“8字形”方向性，沿傳感器軸向的輸出靈敏度最大，假設(shè)最大靈敏度為I0，則偏離傳感器軸β角方向的有效靈敏度為I1＝I0cosβ，如圖2所示。利用此方向特性可以確定振動波相對于傳感器軸的偏角，即波達(dá)方向。為了更好地利用艦船地震波場，只接收單一分量的信號是不夠的。由3個(gè)相同參數(shù)的動圈式檢波器兩兩正交組成三軸地震波傳感器（一個(gè)垂直方向，兩個(gè)水平方向）。則，三軸地震波傳感器在三個(gè)方向各有“8字形”的方向性。

圖2 “8字形”的方向性Fig.2 The directivity of single sensor

2 基于傳感器的被動定位算法

2.1 三軸傳感器輸出特性

三軸傳感器布放于海底，接收航行艦船的空間振動信息，輸出包含目標(biāo)方位信息的三分量信號：vx，vy，vz，如圖3所示。

圖3 信號波達(dá)方向Fig.3 The direction of arrival

聲源發(fā)出的聲波入射到三軸傳感器上，其三軸輸出分量為：

式（1）中，S是入射聲波；φ0是目標(biāo)俯仰角；α0是目標(biāo)方位角；nz是Z軸輸出的噪聲，nx是X 軸輸出的噪聲，ny是Y軸輸出的噪聲，假設(shè)噪聲為零均值、高斯白噪聲，互不相關(guān)，且與聲源互不相關(guān)。

2.2 被動定位算法

假設(shè)在各向同性的均勻噪聲場中，對三軸傳感器的輸出信號V＝ ［vz（t）vx（t）vy（t）］T，分別以U ＝ ［sinφ cosφsinα cosφcosα］T作為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)求和：

加權(quán)求和信號Y的平均功率為：

式（3）表明，當(dāng)且僅當(dāng)φ＝φ0，α＝α0時(shí)，P（φ，α）達(dá)到最大，此時(shí)：

即P（φ，α）對聲波入射方向的響應(yīng)最大，且φ＝φ0，α＝α0。因此，可以通過空間峰值搜索的方法確定目標(biāo)的俯仰角和方位角［7－8］。

2.3 仿真計(jì)算

針對2.1節(jié)的被動定位算法進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真信號為單頻信號，模擬目標(biāo)相對于傳感器的俯仰角為10°，方位角為20°的艦船噪聲信號。圖4為信噪比為0 dB時(shí)進(jìn)行定位計(jì)算的結(jié)果，計(jì)算所得的俯仰角為11°，方位角為20°。結(jié)果表明：定位算法對仿真信號能夠準(zhǔn)確的定位，而且定位算法和信號頻率無關(guān)。

圖4 入射信號的仿真計(jì)算（10°，20°）Fig.4 DOA estimation result versus elevation

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了檢驗(yàn)傳感器的實(shí)際接收效果，以及定位算法對實(shí)際艦船目標(biāo)的探測定位能力，在自然水域進(jìn)行了信號接收和定位試驗(yàn)。

檢測裝置由密封艙、三軸地震波傳感器、信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集存儲電路組成，并將其置于水底，實(shí)驗(yàn)情況如圖5所示。為了解決檢測裝置布放時(shí)傳感器姿態(tài)的不確定性，將三軸地震波傳感器安裝在萬向架上，使三軸傳感器在任何姿態(tài)下都能實(shí)現(xiàn)水平調(diào)節(jié)，保證傳感器的正常工作。

圖6為湖試環(huán)境下三軸地震波傳感器實(shí)測的2km外氣槍聲源信號，三分量信號清晰可辨（水深16m，氣槍置于水下1.5m，氣槍壓力6MPa，檢測系統(tǒng)置于淤泥質(zhì)湖底）。試驗(yàn)表明：三軸地震波傳感器可以很好地接收到水中聲源的噪聲信號。

圖7為海上實(shí)船試驗(yàn)三軸傳感器實(shí)測的艦船信號（試驗(yàn)區(qū)域水深20m，檢測系統(tǒng)置于淤泥質(zhì)海底）。試驗(yàn)表明：接收到三分量信號具有明顯的區(qū)域特性，可明確的識別出艦船的通過特性曲線。

圖8為由算法估計(jì)出的俯仰角隨時(shí)間的變化曲線和目標(biāo)通過特性曲線的對比圖（實(shí)線為計(jì)算所得估計(jì)曲線，虛線為實(shí)測通過曲線）。由圖可得，利用定位算法估計(jì)的目標(biāo)俯仰角變化曲線和實(shí)際的目標(biāo)通過特性曲線符合較好，表明該算法可有效地判別出目標(biāo)相對于檢測裝置的位置及通過區(qū)域。

圖5 實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.5 The diagrammatic sketch of the lake test

圖6 實(shí)測氣槍聲源信號Fig.6 The air gun signal

圖7 實(shí)測艦船信號Fig.7 The ship signal

圖8 俯仰角變化曲線Fig.8 The variational curve of elevation

4 結(jié)論

本文提出了利用動圈式三軸傳感器對艦船目標(biāo)進(jìn)行探測定位的方法。該方法通過動圈式三軸傳感器檢測艦船地震波信號，利用其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和方向特性，結(jié)合算法對艦船目標(biāo)進(jìn)行定位。試驗(yàn)表明，置于海底的動圈式三軸傳感器能夠很好地接收艦船地震波信息，輸出含有目標(biāo)方位特征的三分量信號，結(jié)合算法實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)的被動探測定位，對水下目標(biāo)探測具有重要的意義。但是，本文限于單傳感器對單目標(biāo)的探測定位，而對于多傳感器、多目標(biāo)的探測定位還有待于進(jìn)一步的研究。

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