張 俊, 李榮融, 朱 健, 王明洲

基于能量變化的水下航行器聲引信被動(dòng)檢測

張 俊, 李榮融, 朱 健, 王明洲

(中國船舶集團(tuán)有限公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

針對(duì)水下航行器對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)攔截末程聲引信實(shí)時(shí)有效檢測問題, 利用水下航行器所接收目標(biāo)的輻射噪聲能量快速變化特性, 提出了一種水下航行器聲引信被動(dòng)檢測方法。通過快速傅里葉變換對(duì)接收的目標(biāo)輻射噪聲進(jìn)行轉(zhuǎn)換, 在頻域?qū)崿F(xiàn)頻帶內(nèi)能量計(jì)算, 得到信號(hào)能量變化曲線, 利用設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)能量曲線進(jìn)行平滑處理, 并計(jì)算曲線斜率。仿真分析與實(shí)測數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明, 信號(hào)能量曲線斜率能有效地反映水下航行器與目標(biāo)交匯過程中聲引信接收噪聲的能量變化特點(diǎn), 可以作為交匯最短距離和引信輸出最佳時(shí)刻的重要判據(jù)。

水下航行器; 聲引信; 被動(dòng)檢測; 輻射噪聲; 斜率

0 引言

聲引信作為水下航行器在攔截目標(biāo)末程完成運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測、判定最小交匯距離、輸出引爆信號(hào)的有效近場聲感知手段, 越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的重視, 具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值[1-5]。對(duì)于魚雷等來襲目標(biāo), 在一定航行速度下其輻射噪聲譜級(jí)普遍大于100 dB[1]。理論分析和試驗(yàn)表明, 當(dāng)接收到的目標(biāo)輻射噪聲能量遠(yuǎn)高于自噪聲和環(huán)境噪聲時(shí), 通過對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)輻射噪聲的被動(dòng)檢測實(shí)現(xiàn)目標(biāo)感知和引信判定的方法是有效的[6-9]。

時(shí)域能量檢測是一種基本、傳統(tǒng)的聲引信被動(dòng)檢測方法[10-11], 其基本檢測過程為: 對(duì)目標(biāo)輻射噪聲進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換、濾波放大、能量平方和累積后, 輸出值與設(shè)定的門限進(jìn)行比較, 最后輸出判決結(jié)果, 過程如圖1所示。

圖1 時(shí)域能量檢測基本過程

快速傅里葉變換(fast Fourier transform, FFT)是目前能量檢測的常用方法之一, 該方法將信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域, 然后對(duì)頻帶內(nèi)信號(hào)進(jìn)行求模平方和累加, 最后將計(jì)算所得的能量值與門限進(jìn)行比較, 若超過判決門限, 則判斷檢測為有效。

由于水下航行器攔截運(yùn)動(dòng)目標(biāo)是一個(gè)速度高、時(shí)間短, 空間相對(duì)方位變化快的過程, 水下航行器聲引信接收到的目標(biāo)輻射噪聲具有明顯的空間通過特性, 噪聲能量隨著水下航行器與目標(biāo)間相對(duì)距離的變化而快速起伏。基于此, 文中對(duì)聲引信接收的目標(biāo)輻射噪聲能量曲線的斜率進(jìn)行計(jì)算和分析, 將斜率特征作為聲引信被動(dòng)檢測的重要判據(jù), 為交匯最短距離和引信輸出最佳時(shí)刻的判定提供一種有效的方法。

1 聲引信被動(dòng)檢測模型

1.1 被動(dòng)聲引信信號(hào)變化過程

水下航行器位置坐標(biāo)為

二者距離為

根據(jù)三角正弦定理

得到

根據(jù)遠(yuǎn)場條件下球面波傳播規(guī)律, 目標(biāo)輻射噪聲強(qiáng)度與距離的平方成比例, 水下航行器聲引信接收到的噪聲級(jí)為

1.2 斜率檢測器

斜率檢測是對(duì)信號(hào)能量變化的檢測, 本質(zhì)上仍然為能量檢測。水聲信號(hào)二元能量檢測器如下式

在工程實(shí)踐中, 構(gòu)造檢測準(zhǔn)則為

1.3 具體實(shí)現(xiàn)過程

基于目標(biāo)輻射噪聲能量曲線斜率的聲引信被動(dòng)檢測包含信號(hào)接收、濾波放大處理、數(shù)模轉(zhuǎn)換和后續(xù)信號(hào)處理過程; 信號(hào)處理過程包括信號(hào)能量計(jì)算、數(shù)據(jù)平滑、斜率計(jì)算和判定。圖3為基本檢測過程。

圖3 基于斜率特征的被動(dòng)檢測基本過程

1.3.1 基于FFT的噪聲能量計(jì)算

將1個(gè)檢測周期內(nèi)的信號(hào)分為一定長度的數(shù)據(jù)幀, 對(duì)每一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT后計(jì)算頻帶內(nèi)能量。各幀的能量構(gòu)成如下能量序列

1.3.2 數(shù)據(jù)平滑濾波

FIR濾波器是一種具有穩(wěn)定輸出的線性相位濾波器, 其基本結(jié)構(gòu)是具有多個(gè)分節(jié)的延時(shí)線, 對(duì)每1節(jié)的輸出進(jìn)行加權(quán)累加得到濾波器的總輸出。也就是說, 通過設(shè)計(jì)FIR濾波器系數(shù)對(duì)當(dāng)前及之前各幀的被動(dòng)噪聲能量的加權(quán)累加, 可以得到當(dāng)前時(shí)刻的輸出。濾波器的輸出與輸入相比, 各點(diǎn)幅度有所改變, 且具有固定的時(shí)延。

利用FIR濾波器對(duì)被動(dòng)噪聲能量數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波的計(jì)算過程為

2 仿真分析

圖4 交匯夾角35°時(shí)的仿真結(jié)果

圖5 交匯夾角52°時(shí)的仿真結(jié)果

圖6 交匯夾角69°時(shí)的仿真結(jié)果

圖7 交匯夾角86°時(shí)的仿真結(jié)果

圖8 交匯夾角101°時(shí)的仿真結(jié)果

圖9 交匯夾角116°時(shí)的仿真結(jié)果

表1 不同交匯態(tài)勢條件下最大斜率

由上述圖所示結(jié)果可見, 在6種不同夾角的交匯態(tài)勢下, 平滑濾波器對(duì)航行器聲引信接收的目標(biāo)輻射噪聲能量曲線均起到較好的平滑效果, 保留了能量曲線的變化特點(diǎn), 說明所設(shè)計(jì)的平滑濾波器參數(shù)是合理的。

在各態(tài)勢下, 目標(biāo)輻射噪聲通過特性明顯,水下航行器與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)交匯時(shí)刻, 在時(shí)域上能看到明顯的噪聲信號(hào), 與無目標(biāo)時(shí)刻有明顯變化, 能量曲線斜率有顯著提高。不同夾角態(tài)勢下最大斜率值均達(dá)到了106量級(jí), 相對(duì)于無噪聲信號(hào)時(shí)刻的斜率均有較大的檢測余量。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖10 通道1數(shù)據(jù)斜率計(jì)算結(jié)果

Fig.10 Data slope of channel 1

圖11 通道2數(shù)據(jù)斜率計(jì)算結(jié)果

圖12 通道3數(shù)據(jù)斜率計(jì)算結(jié)果

表2 各通道數(shù)據(jù)最大斜率值

Table 3 Maximum slope value of each channel data

圖13 通道4數(shù)據(jù)斜率計(jì)算結(jié)果

圖14 通道5數(shù)據(jù)斜率計(jì)算結(jié)果

圖15 通道6數(shù)據(jù)斜率計(jì)算結(jié)果

Fig.15 Data slope of channel 6

由各通道信號(hào)能量曲線斜率的計(jì)算結(jié)果可以看出, 由于通道1和通道6換能器接收波束在水下航行器與目標(biāo)的快速交匯過程中掃過目標(biāo), 時(shí)域上可看到明顯的目標(biāo)輻射噪聲波形, 交匯時(shí)刻能量快速上升, 能量曲線斜率相應(yīng)地明顯變大。隨著交匯后水下航行器與目標(biāo)空間距離的增大, 通道1和通道6的輻射噪聲又快速下降, 斜率值呈現(xiàn)負(fù)值并且絕對(duì)值與之前的正斜率相當(dāng)。與通道1和通道6形成明顯對(duì)比的是通道3和通道4, 由于對(duì)應(yīng)換能器波束沒有指向目標(biāo), 其接收到的信號(hào)以環(huán)境噪聲為主, 信號(hào)幅值均勻, 沒有明顯的起伏, 故其能量曲線不具有能量突變的特點(diǎn), 整個(gè)斜率值接近0且比較穩(wěn)定。通道2和通道5換能器波束沒有掃過目標(biāo), 所以也沒有收到目標(biāo)輻射噪聲, 干擾的存在使其信號(hào)能量曲線不如通道3和通道4平緩, 但經(jīng)平滑濾波器的濾波后其能量曲線相對(duì)平緩, 相應(yīng)的斜率值與有目標(biāo)背景噪聲的通道1和通道6相比小得多?？梢娫诤叫畜w與目標(biāo)高速交匯的情況下, 能量較低或時(shí)間尺度較小的干擾不會(huì)對(duì)目標(biāo)的檢測造成影響。

4 結(jié)束語

文中針對(duì)水下航行器聲引信被動(dòng)實(shí)時(shí)檢測問題進(jìn)行了研究, 利用攔截過程中水下航行器與目標(biāo)空間方位變化快、聲引信接收到的目標(biāo)輻射噪聲強(qiáng)度隨距離快速上升和下降的特點(diǎn), 給出了基于能量曲線斜率的被動(dòng)檢測具體實(shí)現(xiàn)方法。利用FFT分析實(shí)現(xiàn)噪聲能量的計(jì)算, 討論了用于能量平滑的FIR參數(shù)選取思路, 并進(jìn)行了仿真分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析。通過仿真分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析, 表明了所述被動(dòng)檢測方法的有效性。

文中基于簡單的提前角攔截態(tài)勢對(duì)所述的檢測方法進(jìn)行分析和仿真, 后續(xù)可針對(duì)復(fù)雜導(dǎo)引方法下的末程攔截彈道進(jìn)行檢測方法的性能分析; 同時(shí), 對(duì)于平滑濾波器參數(shù)的選擇也可開展理論分析研究, 建立科學(xué)有效的參數(shù)選擇模型, 為實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

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Passive Detection of Undersea Vehicle Acoustic Fuze Based on Energy Variation

ZHANG Jun, LI Rong-rong, ZHU Jian, WANG Ming-zhou

(The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an 710077, China)

Aiming at the problem of real-time and effective detection of an acoustic fuze at the end of the intersection between an undersea vehicle and a moving target, a passive detection of acoustic fuze for undersea vehicles was presented, which used the fast-changing energy characteristics of the

noise radiated by target.The noise received by the undersea vehicle acoustic fuze was converted using the fast Fourier transform(FFT), and the energy of the noise in the working frequency band was calculated to obtain the signal energy changing curve.Finally, the energy curve was smoothed by the designed filter, and the slope of the curve was calculated.The results of the simulation and processing of the measured data showed that the slope of the signal energy curve can effectively reflect the energy change characteristics of the noise received by the acoustic fuze in the intersection process between the undersea vehicle and moving target, and the slope of the signal energy curve can be used as an important criterion for the shortest distance between the undersea vehicle and moving target and the best time for acoustic fuze to give out an action signal.

undersea vehicle; acoustic fuze; passive detection; radiated noise; slop

張俊, 李榮融, 朱健, 等.基于能量變化的水下航行器聲引信被動(dòng)檢測[J].水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2022, 30(1): 102-108.

TJ630.32; TB566

A

2096-3920(2022)01-0102-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.01.013

2021-05-26;

2021-09-29.

張 俊(1984-), 男,在讀博士, 高級(jí)工程師, 主要研究方向?yàn)樗斜鞣抡?、水聲信?hào)檢測.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)