劉德耀，吳軍波，武翰文

(解放軍92941部隊94分隊，遼寧 葫蘆島 125001)

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彈丸海上落點聲學(xué)測量方法研究

劉德耀，吳軍波，武翰文

(解放軍92941部隊94分隊，遼寧 葫蘆島 125001)

對大口徑艦炮彈丸海上落點水聲特性進行分析，提出采用水聽器作為傳感器，采集彈丸入水時產(chǎn)生的擊水噪聲信號，通過水聽器在海面合理布陣，利用噪聲信號到達各水聽器的時延差(TDOA)，對彈丸海上落點進行精確定位. 仿真計算結(jié)果表明，該方法具有測量范圍大、 測量精度高等特點，能夠滿足大口徑艦炮彈丸海上落點測量需求.

海上彈丸落點； 聲學(xué)測量； 水聲特性

0 引 言

艦炮威力是其作戰(zhàn)效能的重要組成部分，對于中大口徑艦炮，其有效射程及地面密集度是艦炮威力的核心技術(shù)指標之一[1]，而這兩個艦炮主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標靶場試驗的關(guān)鍵是彈丸落點的高精度測量. 艦炮對海射擊時彈丸海上落點測量可采用無線電測量、 光學(xué)測量及聲學(xué)測量等多種測量手段[2-6]，本文針對彈丸海上落點的聲學(xué)測量方法進行探討.

1 彈丸落點聲學(xué)特性及其檢測方法

1.1 彈丸落點聲學(xué)特性

彈丸入水過程分3個階段:初始擊水階段、 空腔形成階段和氣泡脈動階段. 與之對應(yīng)的過程所產(chǎn)生的水下噪聲信號主要包括擊水聲信號、 寂靜區(qū)間和氣泡脈動聲信號. 圖 1 為實驗測得的空投目標濺落聲信號時域波形圖[7].

圖 1 目標入水噪聲信號Fig.1 The noise signal emitted by target into the water

在目標接觸水面后的極短時間內(nèi)，目標撞擊和擠壓周圍的水介質(zhì)產(chǎn)生幅度較高的沖擊壓力脈沖，即圖 1 中所示的擊水聲信號(第一個脈沖信號). 隨著目標入水過程的繼續(xù)，水流從目標前端開始分離，形成充氣空泡，目標愈深入水中空泡體積隨之擴大，內(nèi)部壓力愈發(fā)降低； 同時在水面逐漸形成水花，水花濺落時產(chǎn)生二次擊水聲，但它們所包含的能量很低，這一階段可看作一個聲寂靜區(qū)間. 寂靜區(qū)間之后為氣泡脈動聲，當環(huán)境壓力大于空腔內(nèi)部壓力時，空泡壁上的水質(zhì)點向中心匯聚，出現(xiàn)閉合現(xiàn)象； 當物體高速入水時，所形成的空泡越大，空泡內(nèi)外的壓力差越大，其閉合過程越劇烈，產(chǎn)生的輻射噪聲就越強.

1.2 彈丸落點信號檢測方法

圖 2 不同距離處擊水聲信號強度估算Fig.2 Water acoustic signal intensity estimates at different distances

彈丸落點可采用水聽器檢測其擊水聲信號(第一個脈沖信號)的方法進行定位，主要有兩個原因： 一是其聲源級高，易檢測，參數(shù)估計精度高； 二是擊水聲產(chǎn)生位置直接對應(yīng)彈丸入水點位置，定位結(jié)果直觀反應(yīng)彈丸落點.

目標擊水聲的產(chǎn)生與物體撞擊水面及隨后的運動緊密相關(guān)，嚴格的理論分析不易進行. 通過對不同入水速度、 不同入水角、 不同收發(fā)位置、 不同特征尺度的目標入水聲的模擬實驗數(shù)據(jù)分析，估算某型彈丸的擊水聲信號強度見圖 2.

在三級海況下，500～5 500 Hz頻帶內(nèi)的海洋環(huán)境噪聲級約110 dB[8-10]，在800 m距離處的接收信噪比約36 dB. 若系統(tǒng)檢測閾值為10 dB，可滿足800 m左右的水聲作用距離要求.

2 測量原理及定位精度分析

2.1 彈丸落點測量基本技術(shù)要求

對彈丸落點最基本的測量技術(shù)要求有兩點： ① 測量范圍； ② 測量精度. 具體的測量范圍及測量精度要求與彈丸散布有關(guān)，彈丸的散布因彈丸種類及其發(fā)射系統(tǒng)的不同而差異較大，如英國BAE公司研發(fā)的62倍口徑155 mm“先進艦炮系統(tǒng)”(AGS)遠程對地攻擊彈(LRLAP)的散布約為20 m(CEP)，而通常大口徑艦炮的地面散布一般在1/300(變差系數(shù)EX/X，EX為距離散布，X為距離)左右，CEP約為100 m 左右. 綜合考慮大口徑艦炮武器系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，其彈丸海面落點測量范圍可確定為半徑500 m的圓，測量誤差優(yōu)于5 m(標準差). 由2.2節(jié)論述可以得知，水聲測量方法可以滿足測量范圍要求.

2.2 測量系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)主要由主控單元、 無線傳輸單元、 信號處理單元、 水聽器陣列(測量基站)等組成，見圖 3. 測量基站檢測出彈丸落水的噪聲信號，并經(jīng)過信號處理單元處理后通過無線傳輸單元上傳至主控單元，主控單元根據(jù)噪聲到達各基站的時間差，采用相應(yīng)的軟件完成彈丸落點的解算.

圖 3 系統(tǒng)原理框圖Fig.3 System schematic block diagram

2.3 目標定位方法及基站布設(shè)

目標定位方法有多種，其中時差定位方法(TDOA)又稱雙曲線定位方法，技術(shù)成熟，較易實現(xiàn)，本文以此為基礎(chǔ)展開討論. TDOA定位是由彈丸入水產(chǎn)生的噪聲信號到達不同基站的時間差,計算出彈丸入水點到各基站間的距離之差，而兩個基站的距離差能建立唯一的一條雙曲線，由至少3個基站建立的雙曲線方程組求解，得到交點來確定彈丸落點的坐標.

基站布設(shè)方式直接影響TDOA的測量精度. 根據(jù)平面上火炮彈著點的散布區(qū)域為橢圓形，散布密度服從正態(tài)分布的特性[11]，并考慮到實際測量環(huán)境，基站以正多邊形或L型布設(shè)為宜，測量中心與散布中心重合. 圖 4 分別為正多邊形6基站和L型7基站布站示意圖.

圖 4 測量基站布設(shè)方案Fig.4 Layout Scheme of measuring stations

假設(shè)待求彈丸落點坐標為p(x,y)，各基站坐標為si(xi,yi)，則可得到方程組

式中：r1=c*t，r2=r1+c*(t2-t1)=c*(t1+τ21)，…，ri=c*(t1+τi1).c為聲在水中的傳播速度，t1為噪聲到達參考基站(s1)的時間(未知量)，τ21,…,τi1為噪聲到達各基站與參考基站時間差(可測量，已知量).

由式(1)可知，理論上3個基站就可對彈丸落點進行測量. 而實際使用中由于種種誤差，完全一致的交點是不存在的，需要較多的基站得到超過未知量數(shù)目的方程組，獲得更多的冗余信息來實現(xiàn)更準確的定位. 基站的數(shù)量大于3時，得到的非線性方程組個數(shù)要多于未知變量的個數(shù)，先將式(1)化為線性方程組,然后用加權(quán)最小二乘法求彈丸落點的精確解[12].

2.4 測量精度仿真計算

2.4.1 仿真條件

彈丸落點測量精度與基站基準位置精度、 時間同步精度、 噪聲信號撿拾精度、 彈丸落點噪聲及海況背景噪聲相關(guān)，同時信號處理算法也對定位精度起著關(guān)鍵作用.

仿真條件按照工程可實現(xiàn)條件設(shè)定：

基站位置采用GPS定位，設(shè)定其精度為2 m(標準差)； 聲速裝定誤差0.2%(設(shè)定彈丸落點區(qū)域內(nèi)海水聲傳播速度為1 500 m/s)； 時間同步精度及噪聲提取時延誤差簡化后綜合為2 ms.

正多邊型基站布設(shè)半徑為500 m(分4基站、 5基站及6基站3種情況)；L型基站布設(shè)為邊長900 m的直角線(7個測量基站)，見圖 4. 測量基站坐標為圖中標注的圓點.

2.4.2 仿真計算結(jié)果

應(yīng)用MATLAB語言編程，采用蒙特卡洛法，每個測量點統(tǒng)計500次，得到不同基站布設(shè)情況下的定位誤差空間分布，見圖 5.

圖 5 不同基站布陣測量精度仿真結(jié)果Fig.5 Measuring accuracy simulation results under different station embattle

仿真結(jié)果表明：

1) 測量基站的布設(shè)方式對測量精度及測量范圍影響較大；

2) 等邊多邊形布陣優(yōu)于L型布陣，在半徑為500 m圓的范圍內(nèi)，測量精度優(yōu)于5 m，滿足彈丸落點的測量要求；

3) 測量中心區(qū)域的測量精度較高，測量邊緣區(qū)域的測量精度較低；

4) 多測量基站有利于提高測量精度，當測量基站多于5個時，增加測量基站對提高測量精度影響不敏感.

3 結(jié)束語

彈丸海上落點測量手段有多種，各種測量方法均有其優(yōu)缺點. 水聲測量方法具有測量范圍大、 測量精度高等優(yōu)點，特別是環(huán)境適用性強、 使用方便，在工程實施方面具有獨特的優(yōu)勢，更適用于靶場艦炮試驗工作.

本文提出的采用水聽器作為傳感器提取彈丸落水噪聲信號，采用TDOA定位原理進行彈丸入水點測量的方法，為大口徑艦炮彈丸海上落點測量提供了一條新途徑.

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The Projectile Demonstration of Acoustics Measurement of Falling Point on the Sea

LIU Deyao，WU Junbo，WU Hanwen

(Unit 92941 of PLA，Huludao 125001, China)

Analyzing method about acoustic characteristics of the large-caliber gun projectile falling point on the sea has been put forward in this paper. Using hydrophone sensors, the noise signal generated by the projectile splashing into the water is collected, Via placing the hydrophone reasonable embattle in the sea, using the TDOA that noise signal arrives at each different hydrophones, projectile falling point on the sea is accurate located. The simulation results show that this method has the characteristics of large measuring range and high measuring precision. The method can meet measurement needs of large-caliber gun projectile falling point on the sea.

sea projectile point; acoustics measurement; water acoustic features

1671-7449(2016)06-0506-05

2016-05-20

劉德耀(1963-)，男，高級工程師，碩士，主要從事艦炮系統(tǒng)試驗技術(shù)工作.

TJ306

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2016.06.010