孫貴新

關鍵詞：落點位置測量;浮標與潛標;瞬態(tài)信號

1引言

采用浮標與潛標相結合的方式，可以完成對高速運動目標入水點位置的測量，浮標和潛標探測到的數(shù)據(jù)可以進行事后融合，同時提升落點位置測量精度和可靠性。但在工程實踐中，浮標和潛標相結合的方法會面臨諸多技術難題。

2瞬態(tài)信號檢測與分析技術

瞬態(tài)信號在時域上具有很短的上升時間、較短的脈沖持續(xù)時間、較大的脈沖幅度。在頻域上，瞬態(tài)信號具有較寬的頻譜分布。在信號特征上，瞬態(tài)信號與穩(wěn)態(tài)干擾背景具有比較明顯的特征差別，具有明顯的非平穩(wěn)的特征。本系統(tǒng)利用瞬態(tài)信號檢測完成對水下目標的被動定位。

根據(jù)信號特性，分別采用不同的信號檢測方法進行分析，如能量法、短時傅里葉變換法，短時相關法、基于小波變換法、雙譜法等多種方法進行了信號檢測的分析和結果對比。

由于瞬態(tài)信號的聲源級比較高，采用簡單的能量檢測法檢測時延，較其他檢測方法簡單、易實現(xiàn)且運算量小，易在DSP處理器上實現(xiàn)，但是存在低信噪比情況下性能急劇下降的缺點，如要在計算機上實現(xiàn)，可嘗試采用其他方法檢測時延。在潛標定位時采用DSP實時處理，潛標回收后采用多種信號檢測技術，可以提高目標檢測精度。

3瞬態(tài)信號去噪聲技術

水下瞬態(tài)信號易受海洋噪聲的影響，當接收信號的信噪比較低時，會導致能量譜峰值識別存在較大偏差，從而降低定時精度，因此為了提高接收信號的信噪比，同時保證定時精度，需要對水下爆炸信號去噪聲進行研究[1]。

在聲學信號處理中，采用固定濾波器、維納濾波、譜減法和小波去噪。與其他方法相比，小波去噪是一種基于小波變換的去噪方法[2]。小波變換有效克服了傳統(tǒng)方法在時變平穩(wěn)信號分析中存在的缺點，可以最大限度保留時變非平穩(wěn)信號中的突變成分。系統(tǒng)中選擇小波變換可以提高約9DB的信噪比，在信號后處理中增加小波去噪，可以提高系統(tǒng)信噪比以及時延檢測精度。

4低功耗下水聲信號檢測技術

在超低功耗工作條件下，系統(tǒng)要求對未知頻率、未知頻帶帶寬和未知信號形式的信號進行檢測。

為了降低運算量和提高檢測概率，本系統(tǒng)的未知信號檢測采用時頻分析能量檢測方法。頻譜分析可以將接收信號能量分解到各個子頻帶內。假設噪聲為寬帶分布，時間平穩(wěn)：待檢測信號為有限帶寬和時寬信號，當信號落到時頻分析單元內時，系統(tǒng)實現(xiàn)對信號的匹配濾波，能量檢測獲得最大處理增益。時頻域能量檢測采用快速傅立葉變換算法（FFT），可有效地減少信號處理運算量，從而降低了系統(tǒng)功耗。

頻域能量檢測方法是比較成熟的技術，采用該技術可大大減少系統(tǒng)開發(fā)周期，并降低系統(tǒng)研制風險。

海洋環(huán)境噪聲在系統(tǒng)比較寬的工作頻段內幅度譜起伏會比較嚴重，因此將整個工作頻帶劃分成多個子頻帶，同時進行動態(tài)門限估以及信號檢測[3]。門限設定決定了系統(tǒng)檢測概率和虛警概率。由于海洋環(huán)境噪聲是緩慢時變的，因此需要對噪聲背景進行實時估計，并動態(tài)設定門限。為了簡化計算，系統(tǒng)采用a-p濾波器估計方法，原理是當前幀檢測門限由當前幀幅度譜均值和前一幀幅度譜均值經過a-p濾波后的結果來決定。

5高精度目標方位估計技術

高精度目標方位估計技術的具體實現(xiàn)方法主要是：時延差估計誤差、聲速測量誤差、基線長度誤差和潛標方位姿態(tài)測量誤差。其中，聲速測量誤差和基線長度誤差是系統(tǒng)誤差，時延差估計誤差和潛標方位姿態(tài)測量誤差為隨機誤差。由于聲速測量誤差比較小，而基線長度誤差可通過水池校準進行修正，因此這兩個誤差可不考慮。潛標方位姿態(tài)測量誤差是由輔助設備決定的，不在本系統(tǒng)考慮范圍內?；诖?，影響目標方位估計的主要誤差源就是時延差估計誤差。提高目標方位估計精度理論上有很多成熟的方法，工程實踐上主要采用提高時延差的方法來估計精度。

采用廣義互相關方法進行時延差估計，由于在時域直接計算互相關運算量大，因此采用計算互功率譜的方法來得到信號的互相關函數(shù)。

如此，即可將時域上的互相關函數(shù)計算轉化成頻域上的互功率譜計算。如果在互相關之前需要對信號進行預濾波處理，也可以轉化成頻域來進行，即將兩通道信號的互功率譜先乘以濾波權系數(shù)，然后反傅里葉變換得到時域上的互相關函數(shù)，最后進行時延差估計。采用頻域互功率譜計算進行互相關函數(shù)計算，就可以將互相關函數(shù)計算結合到信號檢測過程中進行，不需要再次進行繁復地計算，即當判定檢測到信號后，直接利用信號檢測過程中計算的信號FFT經過簡單處理，則可求得互功率譜，這就大大地減少了信號處理運算量，降低系統(tǒng)功耗?？偨Y上述方法，可得到基于互功率譜的時延差道預處理濾波器的頻率響應。

6寬頻大動態(tài)高倍頻采樣信號采集技術

測試目標是瞬態(tài)沖擊信號，距離落點較近的節(jié)點接收信號較強，距離落點較遠節(jié)點接收信號較弱。由于落點位置未知，系統(tǒng)必須具備寬頻帶大動態(tài)信號采集能力。

要實現(xiàn)大動態(tài)寬帶信號采集，對光源調制帶寬、高倍率光學采樣、運算速度、運算量、系統(tǒng)動態(tài)范圍等都提出了極高的要求。在光學調制技術上，干涉型光纖探測需采用光學調制將低頻聲壓信號調制到高頻相位載波上，當聲壓信號帶寬增加時，為避免頻譜混疊，需要光學調制頻率也隨之增加。經過優(yōu)化設計，目前已實現(xiàn)5-2000赫茲寬頻帶無失真解調。在信號處理中，通過增加單周期內的采樣點數(shù)，盡可能保留更精細的波形數(shù)據(jù)和更豐富的頻域信息。本項目采用聲壓頻帶上限的16倍頻光學采樣，通過提高采樣光脈沖的重復頻率，使得從光纖水聽器基元中返回的光脈沖攜帶更全面的聲壓信息。在計算能力上，根據(jù)落點檢測系統(tǒng)對聲陣段大量基元返回的高采樣率信號進行同步實時解算的要求，信號處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)總傳輸速率、運算速度和運算量都需提升至新的水平。項目主要解決多核并行大容量計算管理與資源調度，數(shù)據(jù)高速緩存與傳輸、板卡間高精度同步和數(shù)據(jù)互聯(lián)等關鍵技術問題，同時對運算邏輯和算法進行優(yōu)化，實現(xiàn)從高采樣率光脈沖信號中恢復出高保真原始聲場信息的目標。在動態(tài)范圍上，通過光纖相干探測技術將聲壓強度大小轉化到光場的相位上，并引入光場調制技術，從而將探測幅度跨度巨大的強度信號轉化到頻域上，而探測系統(tǒng)測到的光場強度保持不變。由于在光頻域可產生高的調制頻率，光學系統(tǒng)頻帶寬度遠高于強度探測中光電轉換及模數(shù)轉換的動態(tài)范圍。通過以上措施，可以保證系統(tǒng)具備130dB以上的動態(tài)范圍。

項目組針對高源級信號進行了海上測試，采用動態(tài)范圍約llOdB的光纖水聽器陣列系統(tǒng)進行測試時，由于信號強度達到了超過系統(tǒng)接收最大范圍，采集到的信號出現(xiàn)了過載問題。

通過增加前端采樣率與優(yōu)化系統(tǒng)光學結構等措施，光纖水聽器系統(tǒng)的動態(tài)范圍大于130dB，優(yōu)化后的光纖水聽器陣列可以接收到更大強度的信號而不會出現(xiàn)過載。

7水聽器三維陣形監(jiān)測技術

無人船拖帶光線水聽器陣列機動機時，在配重塊與拖曳力的共同作用下，垂直線陣整體陣形為三維拋物線陣形。為此，陣列中需要安裝三維姿態(tài)傳感器，實現(xiàn)線陣高階彎曲模態(tài)的三維測量，為陣形校正算法提供輸入數(shù)據(jù)。采用姿態(tài)傳感器對陣形進行較正，可以顯著提高陣列處理增益及測向精度。

當拖線陣直徑減少到30mm以下時，如果陣形監(jiān)測傳感器的尺寸不變，將會導致傳感器安裝部位尺寸大于線陣直徑，從而增加線列陣拖曳流噪聲，降低拖線陣探測性能。與此同時，安裝傳感器位置的凸起在絞車上卷繞工作時極易損傷水聽器陣列，降低系統(tǒng)可靠性。

為了提高監(jiān)測的實時性，需要提高傳感器數(shù)據(jù)采樣頻率;為了安裝在細線陣中，需要減小傳感器尺寸;為了提高陣形校正的精度，需要提升傳感器精度及數(shù)量：為了實現(xiàn)立體監(jiān)測，需要實現(xiàn)陣形的三維姿態(tài)及工作深度測量。研制小型化、高采樣、高精度、多維度陣形監(jiān)測傳感器是本項目的關鍵技術。

針對36mm直徑拖線陣，采用三維電子羅盤已實現(xiàn)陣形航向角、俯仰角與橫滾角的高精度測量。針對26mm直徑拖線陣，項目組將對陣形監(jiān)測傳感器的結構進行優(yōu)化設計，集成光傳功能、縮小尺寸、改進安裝結構，確保傳感器可以安裝在陣列中，并保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。陣形監(jiān)測傳感器核心部件由三維姿態(tài)測量板、深度測量板、壓力感應頭與光電轉換板等幾部分組成，電路板整體進行封裝，并安裝到拖線陣中。為了縮減傳感器尺寸，需要將三維姿態(tài)測量板、深度測量板及光電轉換板進行布局優(yōu)化.以減小板面尺寸。

傳感器集成度增加，結構尺寸變小后，還需要對其標定方法進行優(yōu)化改進。三維電子羅盤中存在零偏誤差、靈敏度誤差、非正交誤差、對齊誤差、軟磁效應、硬磁效應等誤差因素。這些誤差都會使傳感器的輸出偏離真實值，進而對當前姿態(tài)的解算造成較大影響。為了讓解算的姿態(tài)更加準確，必須對這些誤差因素進行精確標定和補償。

考慮到三維電子羅盤內部非正交誤差、對齊誤差、軟磁效應、硬磁效應之間的相互關系，從整體上將它們都當成一種內部芯片與外殼體的安裝誤差，項目組提出了一種先通過繞外殼軸旋轉標定安裝誤差，再標定靈敏度和零偏誤差的方法，實現(xiàn)了三維電子羅盤整體誤差的精確標定與校正，且校正后的傳感器在不同的橫滾與斜角范圍內都能夠保證高精度工作，不同橫滾角下姿態(tài)精度測試數(shù)據(jù)圖2所示。

8結束語

本文針對實踐中應用浮標和潛標相結合的方法解決高速運動目標入水點測量時會面臨諸多技術難題，如彈頭擊水聲脈沖瞬態(tài)信號檢測與分析技術、瞬態(tài)信號去噪聲技術、低功耗下水聲信號檢測技術、高精度目標方位估計技術、寬頻大動態(tài)高倍頻采樣信號采集技術、水聽器三維陣形監(jiān)測技術等，提出解決方案，并經實踐驗證及應用，證明了研究結果的正確性。