管啟亮　譚　鑫　楊家庚

(91439部隊(duì)　大連　116041)

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利用水聲方法實(shí)現(xiàn)水下爆炸試驗(yàn)爆源定位*

管啟亮譚鑫楊家庚

(91439部隊(duì)大連116041)

摘要水下爆炸試驗(yàn)中,能否準(zhǔn)確地對(duì)爆源的定位具有重要意義。論文通過(guò)對(duì)比分析常見(jiàn)應(yīng)用于水下爆源定位測(cè)量的技術(shù)手段,總結(jié)其特點(diǎn)及應(yīng)用條件;同時(shí)針對(duì)水下爆炸試驗(yàn),研究利用水聲手段進(jìn)行水下爆炸試驗(yàn)爆源定位的方法,并提出兩種不同的水聲定位方法并介紹其相關(guān)原理。

關(guān)鍵詞水下爆炸試驗(yàn); 爆源定位測(cè)量

Realization of Explosion Sourse Position of Underwater Explosion Test by Hydrophones Method

GUAN QiliangTAN XinYANG Jiageng

(No. 91439 Troops of PLA, Dalian116041)

AbstractIn the underwater explosion test, it is important to position the explosion source. The characteristics and application conditions to measure the position of the explosion source are summarized by comparative analysis; The method of using hydrophones to position the explosion source aimed at underwater explosion test is studied. Two different hydrolocations are submitted and introduce the principle is introduced.

Key Wordsunderwater explosion test, position of the explosion source

Class NumberU666

1引言

在水下爆炸抗沖擊試驗(yàn)中,對(duì)爆源和抗沖擊目標(biāo)的定位具有重要意義:由于氣象水文等因素影響,爆源和被試目標(biāo)的相對(duì)位置處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程內(nèi),因而實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的定位測(cè)量是實(shí)施試驗(yàn)組織指揮的重要依據(jù)。同時(shí),測(cè)量出的爆源和被試目標(biāo)的相對(duì)位置和態(tài)勢(shì)也是評(píng)定爆炸威力和目標(biāo)毀傷效果的重要參數(shù)。

現(xiàn)有技術(shù)手段中對(duì)水面目標(biāo)的定位方法有很多,但是針對(duì)水下目標(biāo)的定位方法卻很少。這是由于海水介質(zhì)的特性所決定的,使得對(duì)水下目標(biāo)的探測(cè)定位非常困難,而且這些測(cè)量器材手段由于抗沖擊性能的限制都難以應(yīng)用于水下爆源的定位測(cè)量。因此萌生出利用水聲方法來(lái)實(shí)現(xiàn)水下爆源定位的想法。本文簡(jiǎn)述了常用的幾種爆源定位方法,并提出了兩種水聲定位的方法提供參考。

2爆源定位方法分析

我軍先后完成了海上多種工況的裝備抗水下爆炸沖擊試驗(yàn),根據(jù)不同技術(shù)條件,采用多種技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)固定爆源的定位測(cè)量。下面就常用的幾種方法進(jìn)行討論分析。

2.1機(jī)械定位

機(jī)械定位法適用于水面艦船靜態(tài)抗沖擊試驗(yàn)。機(jī)械定位法結(jié)合布放,通過(guò)被試艦上固定的兩條定位索連接被試艦、爆源和拖纜,利用拉緊的定位索解三角形對(duì)爆源進(jìn)行定位。

機(jī)械定位法在被試艦錨定狀態(tài)下能保證爆源與被試艦在布放時(shí)刻的相對(duì)位置滿足要求,海上試驗(yàn)必須嚴(yán)格選擇試驗(yàn)時(shí)機(jī),盡量縮短從爆源布放到起爆的時(shí)間,并借助有利的流速流向,以保證被試艦與爆源間相對(duì)位置穩(wěn)定。

2.2沖擊波零時(shí)法

沖擊波零時(shí)法也僅適用于靜態(tài)抗沖擊試驗(yàn)。沖擊波零時(shí)法是通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)量爆炸時(shí)刻(零時(shí))、測(cè)點(diǎn)的自由場(chǎng)壓力峰值時(shí)刻,獲取炸點(diǎn)距測(cè)點(diǎn)的距離。用沖擊波零時(shí)法可在爆炸后得到爆源與目標(biāo)的相對(duì)位置,但無(wú)法滿足“爆距可控”的試驗(yàn)指揮要求。隨著爆距的增加,沖擊波零時(shí)法測(cè)量誤差逐步增大,因此不適宜遠(yuǎn)距離爆炸測(cè)量。當(dāng)被試艦處于航行狀態(tài)時(shí),由于自由場(chǎng)壓力傳感器支架無(wú)法安裝、固定,因此無(wú)法采用沖擊波零時(shí)法。

2.3GPS定位法

GPS定位法適用于沉底固定爆源爆炸試驗(yàn)。GPS定位法指的是在爆源布放的過(guò)程中,將GPS天線置于布放鋼纜處,在爆源置底的同時(shí),記錄下此時(shí)天線處的水面坐標(biāo),作為水下爆源的水平面投影點(diǎn)坐標(biāo)。在爆源沉底不動(dòng)的情況下,水下與水面的位置偏差主要由爆源布放過(guò)程中海流的影響引起。

GPS定位法適應(yīng)被試艦艇拋錨或航行二種試驗(yàn)態(tài)勢(shì),還可對(duì)從被試艦拋錨、爆源布放到起爆整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的艦位、爆距變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,為試驗(yàn)組織指揮提供決策依據(jù)。

2.4水聲定位法

到目前為止,聲場(chǎng)是已知水下傳播距離最遠(yuǎn)的物理場(chǎng),因此對(duì)水下目標(biāo)的定位可以采用水聲方法。水聲定位方法從技術(shù)方面上來(lái)分,主要根據(jù)定位所使用的環(huán)境、用途等不同的要求,分為主動(dòng)定位(有源)、被動(dòng)定位(無(wú)源)兩大類(lèi)。

3水聲主動(dòng)定位測(cè)量方法

主動(dòng)定位是在回聲測(cè)距或同步測(cè)距的基礎(chǔ)上,通過(guò)布陣交匯的方法對(duì)目標(biāo)定位。根據(jù)抗沖擊試驗(yàn)條件和精度要求,采用長(zhǎng)基線定位原理,通過(guò)加裝爆源水聽(tīng)器的手段,可實(shí)現(xiàn)對(duì)爆源從布放到爆炸全過(guò)程的位置測(cè)量與顯示,并可通過(guò)GPS測(cè)量轉(zhuǎn)換為以大地坐標(biāo)為基準(zhǔn)的絕對(duì)坐標(biāo),滿足“爆距可控”的試驗(yàn)指揮要求,并為事后結(jié)果評(píng)定提供依據(jù)。

3.1長(zhǎng)基線水聲定位原理

對(duì)于測(cè)量基線遠(yuǎn)大于信號(hào)波長(zhǎng)的情況歸為長(zhǎng)基線,通常長(zhǎng)基線定位距離在幾百米及以上。長(zhǎng)基線水聲定位是利用目標(biāo)信號(hào)到達(dá)各基元的傳播時(shí)間測(cè)距定位,采用球面交匯實(shí)現(xiàn)水平二維定位。

對(duì)于布放在海底的沉底爆源定位,可以采用分時(shí)長(zhǎng)基線手段,通過(guò)水面附近的測(cè)距儀在不同位置測(cè)量與爆源的斜距,經(jīng)球面交匯獲得爆源坐標(biāo),并可通過(guò)多點(diǎn)冗余測(cè)量進(jìn)一步提高定位精度。

3.2實(shí)用長(zhǎng)基線水聲定位方法

對(duì)于懸浮爆源,采用布放在海底的水聲應(yīng)答器作為長(zhǎng)基線定位測(cè)量的基元,與測(cè)距儀配合,采用長(zhǎng)基線定位原理球面交匯實(shí)現(xiàn)定位。在爆源上加裝僅用于接收的水聽(tīng)器,避免了聲測(cè)量系統(tǒng)對(duì)起爆電路的干擾。通過(guò)水聽(tīng)器接收應(yīng)答器的定位信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)爆源的持續(xù)定位。鑒于長(zhǎng)基線測(cè)量手段對(duì)深度的測(cè)量精度較低,以下定位解算方法基于應(yīng)答器和水聽(tīng)器的深度都采用深度壓力傳感器測(cè)量值的情況下。

3.3定位解算方法

設(shè)測(cè)距儀的坐標(biāo)為:(x0,y0,z0),在海底布放兩個(gè)應(yīng)答器,且應(yīng)答器的坐標(biāo)為:(xi,yi,zi)(i=1,2),爆源的大地坐標(biāo)為:(X,Y,Z)。設(shè)測(cè)距儀到應(yīng)答釋放器的距離為Ri(i=1,2),則有:

(1)

設(shè)測(cè)距儀t0時(shí)刻開(kāi)始發(fā)射詢問(wèn)信號(hào),測(cè)距儀檢測(cè)單元在t1時(shí)刻收到詢問(wèn)信號(hào),在t2,t3時(shí)刻收到應(yīng)答器的應(yīng)答信號(hào),忽略應(yīng)答器收發(fā)延時(shí),聲速為c。

根據(jù)幾何關(guān)系可列出如下方程:

(2)

上述三個(gè)方程中,未知量為X和Y,Z由壓力傳感器測(cè)定。其余的量都為已知,解上述方程即可求得爆源的位置,此時(shí)方程有唯一解。

4被動(dòng)水聲定位方法

被動(dòng)定位利用目標(biāo)自身輻射聲信號(hào)對(duì)目標(biāo)的位置進(jìn)行估計(jì),具有高取樣率和隱蔽性等優(yōu)點(diǎn)。在水下爆炸試驗(yàn)中,只有在爆炸瞬間才具備沖擊波聲源,因而可以利用矢量水聽(tīng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)被動(dòng)定位。所以采用遠(yuǎn)距離布設(shè)矢量傳感器接收爆炸反射信號(hào),用方位交匯或時(shí)延差雙曲線定位的方法測(cè)定爆源坐標(biāo)。

4.1爆炸聲信號(hào)的分析

爆炸聲是爆炸沖擊波產(chǎn)生的瞬時(shí)信號(hào)。顯然,水中爆炸的特點(diǎn)是爆炸波的瞬時(shí)壓力峰值高,聲強(qiáng)級(jí)較大,根據(jù)《彈藥水中爆炸的水聲效應(yīng)》一文可知,1g的RDX(黑索金)炸藥爆炸產(chǎn)生的最大瞬時(shí)聲源級(jí)高達(dá)218dB。且爆炸聲由炸藥瞬間爆炸產(chǎn)生的沖擊力,其持續(xù)時(shí)間通產(chǎn)很短,在100ms以內(nèi)爆炸聲衰減至很小,脈沖持續(xù)時(shí)間短,衰減速度快(不考慮混響和多途);聲信號(hào)持續(xù)時(shí)間較短,而且信號(hào)測(cè)量距離較長(zhǎng)。直接測(cè)量爆炸聲信號(hào)會(huì)有很大誤差,因?yàn)楸曅盘?hào)是非線性的信號(hào),因此在對(duì)爆源定位精度要求不高的情況下可以通過(guò)對(duì)反射聲信號(hào)的測(cè)量進(jìn)行定位。

4.2矢量水聽(tīng)器水聲定位原理

使用矢量水聽(tīng)器對(duì)爆點(diǎn)進(jìn)行定位,不需要在參試目標(biāo)上安裝測(cè)點(diǎn),采用遠(yuǎn)距離布設(shè)矢量水聽(tīng)器接收爆炸信號(hào),用方位交匯或時(shí)延差雙曲線定位的方法精確測(cè)定爆點(diǎn)坐標(biāo),除有效降低測(cè)量成本,提高測(cè)量可操作性外,還可成功解決被攻擊目標(biāo)無(wú)法安裝測(cè)點(diǎn)情況下的定位問(wèn)題。該定位方法的基礎(chǔ)是矢量水聽(tīng)器的測(cè)向。矢量水聽(tīng)器可以同時(shí)測(cè)量聲場(chǎng)的聲壓和振速,通過(guò)二維矢量傳感器同點(diǎn)輸出聲壓P和二維質(zhì)點(diǎn)振速(Vx,Vy),可用來(lái)測(cè)量目標(biāo)方位角θ。目標(biāo)水平方位θ為

(3)

4.3純方位水聲定位方法

使用矢量水聽(tīng)器進(jìn)行目標(biāo)定位可使用兩種解算方法:一種是純方位定位,一種是時(shí)延差雙曲面定位。純方位方法利用矢量水聽(tīng)器計(jì)算目標(biāo)方位角再進(jìn)行幾何平面計(jì)算。時(shí)延差雙曲面則是利用水聽(tīng)器浮標(biāo)陣的各陣元的時(shí)延差進(jìn)行解算定位。

僅考慮平面定位,定義基線坐標(biāo)系為:以陣元1為坐標(biāo)原點(diǎn),陣元1和陣元2構(gòu)成的基線為X軸,X軸的正方向?yàn)橛申囋?指向陣元2,該坐標(biāo)系為基線坐標(biāo)系,如圖1所示。

圖1　純方位定位示意圖

在陣元1、2和目標(biāo)T組成的三角形中,令α12是以陣元1為頂點(diǎn)的內(nèi)角,α21是以陣元2為頂點(diǎn)的內(nèi)角,d12為基線長(zhǎng)度,它可以由浮標(biāo)上的DGPS數(shù)據(jù)計(jì)算得到。

大地坐標(biāo)取“北東地”坐標(biāo),矢量傳感器的X軸方向在安裝時(shí)校正為與正北方向一致,Y軸方向校正為正西方向,大地坐標(biāo)系與基線坐標(biāo)系的夾角γ1可由二陣元DGPS位置得到,陣元1,2測(cè)得的目標(biāo)方位角分別為β1和β2(順時(shí)針為正)。則有:

(4)

只考慮平面定位幾何關(guān)系可得出

(5)

整理后可得

(6)

又因?yàn)?/p>

θ12=π-(α12+α21)

(7)

所以可將上式整理為

(8)

從原理上講兩個(gè)陣元就可以測(cè)量出目標(biāo)位置,但是為保證測(cè)量結(jié)果更加精準(zhǔn),通常需要三個(gè)以上陣元提供復(fù)數(shù)的數(shù)據(jù)。

4.4時(shí)延差測(cè)量雙曲面定位

時(shí)延差雙曲面定位的優(yōu)勢(shì)在于它無(wú)需應(yīng)用矢量水聽(tīng)器的矢量信號(hào),只需要復(fù)數(shù)的陣元接收到同一信號(hào)的時(shí)延差,便可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位解算。

目標(biāo)測(cè)量區(qū)域有四個(gè)水聽(tīng)器,以海平面為xoy平面,建立坐標(biāo)系。設(shè)目標(biāo)坐標(biāo)(x,y,z),四個(gè)陣元的坐標(biāo)已知為(xi,yi,zi)(i=1,2,3,4),取其中三個(gè)水聽(tīng)器(1,2,3)。

設(shè):

(9)

聲速為c,τ12為1號(hào)2號(hào)的時(shí)延差,τ23為2號(hào)3號(hào)的時(shí)延差,τ31為3號(hào)1號(hào)的時(shí)延差,則可導(dǎo)出下式:

(10)

解上式可以得出目標(biāo)坐標(biāo),具體方法同長(zhǎng)基線水聲定位方法。

5結(jié)語(yǔ)

水聲長(zhǎng)基線定位法,通過(guò)布放在海底的水聲應(yīng)答器和測(cè)距儀配合使用,實(shí)現(xiàn)對(duì)爆源位置的連續(xù)定位測(cè)量,而且還避免了聲測(cè)量系統(tǒng)對(duì)起爆電路的干擾。為試驗(yàn)的指揮決策提供了有力支持。

矢量水聽(tīng)器水聲定位法通過(guò)矢量水聽(tīng)器的使用實(shí)現(xiàn)定位,但是因?yàn)闇y(cè)量的為爆炸聲到被試目標(biāo)的反射聲,所以無(wú)論是通過(guò)純方位定位還是時(shí)延差雙曲線定位都只能模糊反映爆源爆炸時(shí)刻的即時(shí)爆源位置。這就大大限定了使用范圍。該方法還需要對(duì)矢量水聽(tīng)器和水聲信號(hào)處理分析提出更高的要求。

這里討論的水聲定位方法,是僅從水聲定位的原理和技術(shù)方面出發(fā),在實(shí)際使用中可以根據(jù)具體測(cè)量需求,靈活選擇測(cè)量方法。而且不難發(fā)現(xiàn)水聲手段測(cè)量水下目標(biāo)的優(yōu)越性。但是,也應(yīng)該看到,使用水聲手段進(jìn)行爆源定位無(wú)法即時(shí)顯示爆距卻可以計(jì)算出爆炸零時(shí)即時(shí)爆距或者是被試目標(biāo)的位置。因此在具體實(shí)施使用中應(yīng)該根據(jù)要求選擇定位手段方法。

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中圖分類(lèi)號(hào)U666

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.038

作者簡(jiǎn)介:管啟亮,男,助理工程師,研究方向:水聲測(cè)量。

收稿日期:2015年9月10日,修回日期:2015年10月24日