李 環(huán)，任 霞

(沈陽理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

目前，精確地搜索出淺海水下目標(biāo)方向越來越受研究者的關(guān)注，其主要的方法是用聲吶進行搜索。然而在淺海領(lǐng)域用聲吶搜索水下目標(biāo)的方向時，聲吶在測量數(shù)據(jù)時極易被外界條件影響，如多徑效應(yīng)、海洋噪聲、傳播衰減等，這些因素嚴(yán)重影響聲吶的作用距離和測量精度[1]。

當(dāng)淺海領(lǐng)域的某一目標(biāo)產(chǎn)生噪聲時，會以波的形式在水中傳播，其中一部分傳播到海底引起地震波振動[2-3]。利用矢量傳感器測量地震波振速，可有效減少外界干擾，同時不易被外界發(fā)現(xiàn)，增強了保密性。

本文提出采用復(fù)合增強探測的方法搜索淺海海底水下目標(biāo)方向。該方法采用聲吶測聲壓標(biāo)量，用矢量傳感器測地震波振速矢量，對二者進行互譜處理后，得到水下目標(biāo)的水平方位角，最后根據(jù)矢量傳感器的單邊指向性，便可準(zhǔn)確搜索到目標(biāo)方向。

1 復(fù)合增強探測的原理

復(fù)合增強探測實質(zhì)上是聲壓標(biāo)量和地震波振速矢量各個分量經(jīng)過FFT變換(快速傅里葉變換)后，對相應(yīng)的聲壓頻譜P(w)及振速頻譜Vi(w)進行互譜處理，再對互譜函數(shù)取實部求得水平方位角，最后根據(jù)矢量傳感器的單邊指向性找到目標(biāo)方向，其原理框圖如圖1所示。

圖1 復(fù)合增強探測的原理框圖

對聲壓p(t)作FFT變換得到聲壓頻譜P(w)；對地震波振速vi(t)(i=x,y)作FFT變換得到地震波振速頻譜Vi(w)；對聲壓和振速進行互譜，其互譜函數(shù)Spvi(w)為

(1)

式中*表示取共軛。

對互譜函數(shù)作平均，這里采用滑動窗時間平均，得到的平均時間周期輸出〈Spvi(w)〉為

(2)

式中〈〉表示求滑動窗平均周期。

在水下目標(biāo)方向的復(fù)合探測方法研究中，聲壓與地震波振速具有相同的相位。根據(jù)傅里葉變換基本特性，兩個同相位輸入的能量集中在互譜的實部，即水下目標(biāo)的噪聲能量主要集中在互譜輸出的實部，而虛部為干擾能量[4]?；プV函數(shù)的實部PVx(w)和PVy(w)分別為

(3)

式中：PVx(w)是Spvx(w)的實部；PVy(w)是Spvy(w)的實部。

水下目標(biāo)的水平方位角θ的公式為

(4)

在實際問題中，以x軸方向為θ零度[5]，則有

(5)

式中x(t)為目標(biāo)信號。

定義引導(dǎo)方位角ψ=0°，求出地震波振速分量vx(t)和vy(t)的旋轉(zhuǎn)水平分量vc(t)和旋轉(zhuǎn)垂直分量vs(t)為

(6)

將聲壓p(t)和地震波振速旋轉(zhuǎn)水平分量vc(t)相加，得

p(t)+vc(t)=x(t)[1+cos(θ-ψ)]

(7)

其歸一化指向性Rc(θ)為

Rc(θ)=[p(t)+vc(t)]/2x(t)

(8)

同理，聲壓p(t)和地震波振速旋轉(zhuǎn)垂直分量vs(t)相加，得

p(t)+vs(t)=x(t)[1+sin(θ-ψ)]

(9)

其歸一化指向性Rs(θ)為

Rs(θ)=[p(t)+vs(t)]/2x(t)

(10)

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

在水下目標(biāo)方向的搜索中，水下目標(biāo)產(chǎn)生的信號在水中傳播引起淺海海底地震波發(fā)生變化，在接收端對這個信號進行接收，用聲吶接收其聲壓信號，同時，用矢量傳感器接收其振速信號，然后根據(jù)復(fù)合增強探測的原理準(zhǔn)確找到水下目標(biāo)的方向。在上述過程中，由于水中存在各種噪聲干擾信號，所以在接收時包括干擾噪聲。系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖

聲吶是一種利用聲波在水中的傳輸特性，通過信息處理，完成水下目標(biāo)的跟蹤、探測、定位等的電子設(shè)備。在此次實驗中，利用聲吶主要是為測出水下目標(biāo)的聲壓標(biāo)量p(t)。但聲吶只能測得其與水下目標(biāo)的距離而不能得出水下目標(biāo)的具體方向。圖3為聲吶實物圖。

圖3 聲吶實物圖

矢量傳感器是一種在直角坐標(biāo)系中可同時測得一個或多個矢量的設(shè)備。水下目標(biāo)產(chǎn)生噪聲在水中進行傳播，引起淺海海底地震波發(fā)生振動，矢量傳感器主要測量地震波振速矢量的兩個分量vx(t)和vy(t)。根據(jù)矢量傳感器的單邊指向性[6]，可準(zhǔn)確搜索到水下目標(biāo)的方向。圖4為矢量傳感器實物圖。

圖4 矢量傳感器實物圖

3 實驗數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法

3.1 包絡(luò)檢波法

包絡(luò)檢波法是一種非相干解調(diào)，包括全波整流器和低通濾波器，其原理框圖如圖5所示。

圖5 包絡(luò)檢波法的原理框圖

圖5中，全波整流器的作用是對輸入的數(shù)據(jù)取絕對值，進而使輸入數(shù)據(jù)的取值都轉(zhuǎn)換成正值；低通濾波器的作用是允許低于截止頻率的信號通過而不允許高于截止頻率的信號通過。

3.2 歸一化處理法

歸一化處理法指的是整組數(shù)據(jù)中的每個數(shù)據(jù)除以該組數(shù)據(jù)中的最大值，從而將全部數(shù)據(jù)變?yōu)?0，1)之間的小數(shù)。這種方法是為簡化數(shù)據(jù)處理過程而提出的，計算公式見式(11)。

x1=x/xmax

(11)

式中：x為原始數(shù)據(jù)；xmax為原始數(shù)據(jù)中的最大值；x1為歸一化處理后的數(shù)據(jù)。

4 仿真與結(jié)果分析

4.1 聲吶測出的聲壓與矢量傳感器測出的振速

將聲吶和矢量傳感器置于水中，然后在水下目標(biāo)位置發(fā)射正弦波信號s(t)。

s(t)=sin(2π×1/180×t)+1

(12)

由正弦波載波c(t)對其進行調(diào)制，同時用聲吶測量聲壓標(biāo)量數(shù)據(jù)，矢量傳感器測量地震波振速矢量數(shù)據(jù)。

c(t)=cos(2π×800×t)

(13)

在發(fā)射信號的同時，利用數(shù)據(jù)采集器進行數(shù)據(jù)采集，由于數(shù)據(jù)采集器插有電源，所以在采集過程中混入交變電流干擾信號n(t)以及其他噪聲。

n(t)=sin(2π×50×t)

(14)

因此，采集的數(shù)據(jù)是發(fā)射信號在被調(diào)制的基礎(chǔ)上又添加了噪聲的信號。但對于復(fù)合增強探測方法來說，實際需要的是發(fā)射信號的數(shù)據(jù)，因此必須對采集的數(shù)據(jù)進行解調(diào)(這里采用包絡(luò)檢波法)。經(jīng)過解調(diào)后，對數(shù)據(jù)進行歸一化處理，即可得到聲壓p(t)、地震波振速水平分量vx(t)和地震波振速垂直分量vy(t)的仿真結(jié)果，圖6～圖8所示。

圖6 聲壓p(t)的仿真結(jié)果圖

從圖6看出，聲壓p(t)的仿真結(jié)果是一個空心圓，因此，其是標(biāo)量且無指向性。

圖7 地震波振速水平分量vx(t)的仿真結(jié)果圖

圖8 地震波振速垂直分量vy(t)的仿真結(jié)果圖

從圖7和圖8中看出，地震波振速水平分量vx(t)的仿真結(jié)果是一個水平放置的“8”形，地震波振速垂直分量vy(t)的仿真結(jié)果是一個豎直放置的“8”形，因此，地震波振速vi(t)(i=x,y)是矢量，其各分量具有偶極子指向性。

4.2 水下目標(biāo)方向的搜索

根據(jù)式(12)可知：其頻率f為1/180Hz，所以其周期T為180s，因而實驗選取的數(shù)據(jù)采集時間是輸入信號的一個周期；再根據(jù)圖1，求得水下目標(biāo)的水平方位角；最后根據(jù)矢量傳感器的單邊指向性，得到目標(biāo)方向。

圖9為p(t)+vc(t)的指向性Rc(θ)。圖10為p(t)+vs(t)的指向性Rs(θ)。

在圖9和圖10中，Rc(θ)和Rs(θ)皆為非對稱型，說明矢量傳感器具有單邊指向性。

圖9 p(t)+vc(t)的指向性RC(θ)

圖10 p(t)+vs(t)的指向性RS(θ)

5 結(jié)論

針對在淺海海底搜索水下目標(biāo)時抗干擾能力差的問題，本文提出用聲吶和矢量傳感器同時測量數(shù)據(jù)，然后用復(fù)合增強探測的方法來確定水下目標(biāo)的方向。仿真實驗證明：

(1)對采集到的聲壓標(biāo)量和地震波振速矢量各個分量經(jīng)過FFT變換后，進行互譜取實部處理，可準(zhǔn)確地求出水下目標(biāo)的水平方位角；

(2)采用復(fù)合增強探測的方法可精確搜索到單個的水下目標(biāo)方向。

采用此方法實現(xiàn)多個水下目標(biāo)方向的分辨是下一步要研究的課題。