滕吉鹏， 方 舟， 潘 仙， 梁 勇

(嘉兴南洋职业技术学院， 浙江 嘉兴 314031)

0 引 言

对于水下目标设备的性能研究、设计、改造来说，目标本身的噪声数据对于其各方面的应用都有着重要的指导意义。水声潜标是获取水下目标设备噪声信息的重要工具装备。由于水声潜标能满足各种海况条件下的应用，对各种环境都具有良好的适应性，并且可以进行长期、定点、连续和多层面的同步测量，目前水声潜标装置已在海洋科学调查研究、军事侦察等方面得到非常广泛的应用。水声浮标是目前广泛应用于水上及水下目标定位、探测和监视的一种重要水声设备，其性能可靠，技术成熟且实现简便，效果较好，在实际应用中，可利用多个水声浮标构成声学定位浮标阵列，以实现对水下目标的实时位置或轨迹测量及实时的位置监视功能。

提出一种融合浮标与潜标的水声定位噪声测量系统，由水声定位浮标和潜标等设备共同组成一个水下测量网络。潜标负责待测水域的噪声测量；多个定位浮标组成的浮标定位阵负责对水下目标进行同步定位及轨迹监测；水上的系统显控平台通过水声控制指令的发射控制系统的整个运行过程，并能够实时地接收水声设备发回的声学信号。显控平台可对接收到的信号实时地进行数据分析，分析计算水下目标噪声的频谱、声源级和功率谱密度等特性，并且根据用户需求，对分析数据进行实时图形显示并提供事后的数据回放及处理功能。为提高系统的水声定位精度,加入高精度时钟和GPS。

1 系统组成

基于浮标与潜标结合的水声定位噪声测量系统主要由4个定位浮标、无线通信基站、显示控制平台、潜标和甲板单元组成，其系统配置如图1所示。

图1 系统配置示例

系统中，由4个水声定位浮标共同组成一个同步测量基阵，该基阵可实时采集并处理水下目标的水声瞬态信号，并通过无线通信功能将数据回传至显示控制平台。无线通信基站可完成系统的定位浮标阵列和水上显示控制平台的高精度定位功能，并为二者之间的数据传输提供无线平台。水上的显示控制平台用于管理整个水声系统并且完成对水下目标的定位解算功能、水下目标的噪声数据分析及显示功能、数据回放功能等。系统中潜标具有声学释放、声学测距、水下噪声信号采集、水声信号通信等功能，同时也具有水声释放功能。系统工作时潜标可接收甲板单元的声学询问信号和控制指令信号，并且与甲板单元相互配合，两者共同实现水声目标测距、水声设备释放和水声信号采集工作。潜标在机械结构设计时具有机械释放结构。为实现系统设备的回收，可通过显示控制平台下发水声通信命令，打开机械结构，释放潜标上的承重物，从而让潜标在浮球浮力的作用下实现上浮，完成设备的回收功能，后期便于用户导出潜标的记录数据并进行后期的数据分析处理。

2 系统工作原理

在实时工作中，系统利用4个水声浮标的数据根据几何原理进行定位，定位系统的基阵阵元之间的距离称为基线长度。系统采用长基线定位原理对水下目标的实时位置进行解算，其基线长度可与海深相比拟，一般在几百米到几千米。

2.1 长基线工作原理

由数个浮标为基元构成基阵的定位系统，通过测量各浮标到达测量目标的时延解算出潜标与目标之间的距离，再由其几何关系解算出目标的位置，其优点是定位精度高、作用距离长及定位精度与水深无关。在测量浮标位置时系统可使用GPS，得到浮标的经纬度并对所有浮标进行同步，将解算位置与高精度GPS数据融合，进而测量目标的绝对位置。

长基线定位系统[1-2]可由3个或3个以上浮标组成的基阵构成，以最具代表性的3个浮标组成的基阵为例说明长基线定位原理。如图2所示，设定目标的坐标为：P(x,y,z)，3个浮标为(xi,yi,zi)(i=1,2,3)。浮标依据GPS时钟工作于同步方式。假定目标在时刻T0入水，浮标接收到的声传播时间分别为Ti(i=1,2,3)。假设水中声速为C，则各浮标至目标的距离为Di(i=1,2,3)。根据其几何关系以浮标为球心的3个球面的交汇点即为目标点坐标。

图2 长基线球面交汇示例

根据水声异步定位原理，也可称之为双曲面交汇模型，利用4个浮标组成的定位基阵满足下列方程组：

(1)

式中：t0、x、y和z为未知量。选取i=1号浮标作为参考浮标，式(1)可变为

c·(ti-t0)

(2)

式中：C为光速；i=2,3,4。

解式(2)即可获得目标的位置坐标。其主要利用目标至2个定位浮标之间的距离差值进行计算，事实上，距离间的差值反映的也就是目标至各浮标间的时间差值。在实际工作中，目标在水中的深度z可利用深度传感器提前获取，因此可将目标的深度z作为先验已知值代入方程，此时利用3个浮标的信息即可对目标进行定位，冗余的浮标信息可用于剔除不合理的方程解并实现多个方程解的加权平均[3]。

2.2 系统误差分析

系统中，目标定位误差主要由GPS水平误差、系统的时延测量误差和由水声信道不同所导致的水声误差引起，通过蒙特卡罗反演方法[4]仿真分析这3个误差源对目标定位精度的影响。

设定4个浮标的坐标分别为：(0 m，0 m)、(1 500 m, 0 m)、(0 m, 1 500 m)和(1 500 m，1 500 m)，GPS定位误差为5 m，测时误差0.3 ms，平均声速相对误差为3‰。将4个浮标围成的阵内区域按50 m×50 m分割成网格状，对网格的所有节点统计水平定位均方根误差，得到目标定位均方根误差分布如图3所示。其中每个网格内定位误差大小以黑色到白色渐变颜色来标记，m。图3是对100组样本进行的仿真统计。

图3 系统误差分析

由仿真结果可看出，只需保证目标落在阵内区域，则其水平面上的定位误差小于7 m (均方根值)。

2.3 信号检测与估计原理

为提高信号检测能力，保证系统的时延测量精度，换能器接收的水声信号经过接收机和模数变换后，先利用自适应Notch滤波器滤除信道噪声，提取有用信号[4]。信号检测模块采用窄带包络检波器、鉴宽器、瞬时频率及方差检测器联合处理以保证信号检测的高性能。

由于系统采用窄带单脉冲，工作带宽和频点分布密集，低频信号的二倍频乃至三倍频都在工作频带内，因此强信号的边带频谱将通过邻近频率通道，成为邻近通道中的尖脉冲干扰，引起通道串漏，采用传统的能量检测器加鉴宽器检测将大幅增加虚假警报的概率，通过加入瞬时频率方差检测器(Variance-of-Instantaneous-Frequency Detector, VIFD)，配合传统的检测器进行联合判决，系统可有效地抵抗通道间的串扰及脉冲干扰。

系统的联合判决如图4所示。

图4 Notch滤波和VIFD联合判决

脉冲搜索的过程就是信号检测的过程。由于每个同步周期内每个通道只能上传3个脉冲信息，因此对检测到的所有脉冲进行挑选十分必要。脉冲挑选的原则是必须选择每个同步周期的首脉冲，其余的在满足条件的脉冲里选择幅度较大的。具体挑选的方法如下：把一系列挨在一起的脉冲分为一群，当前后两个脉冲的时间间隔超过500 ms时，把其分为不同的群，后一个脉冲为群的首脉冲，将首脉冲打包存入数据发送缓冲区；在首脉冲后开窗，窗长为50 ms，窗内的脉冲全部认为无效；把剩下的脉冲按幅度大小排列，取出(3～N)个幅度相对大的脉冲(其中N为本通道首脉冲的个数)；将脉冲信息打包送入数据发送缓冲区。脉冲挑选及搜索逻辑如图5所示。

图5 脉冲挑选及搜索逻辑

每个同步周期都把本周期最后一个脉冲的时延记录下来，用以与下一同步周期的第一个脉冲做对比来判断是否是一群的首脉冲。

当一个脉冲跨同步周期时，脉冲的参数存在暂存区内，下一个周期继续检测，测得的脉冲时延相对本周期为负值。

2.4 噪声测量原理

在系统工作过程中，由水下潜标全天候全天时地记录水下目标的噪声数据。记录的数据在回收潜标后，通过潜标的USB口导出至主控平台，由主控软件对噪声数据进行分析处理。软件可进行噪声的功率谱密度、声压级、声源级等指标的计算并给出相应的图表显示。

系统中所有设备均通过高精度GPS进行同步对时，目标噪声在每个绝对时刻的各项指标均能与目标的实时大地位置逐一对应，主控软件最终会融合实时GPS位置数据与记录目标的噪声信号得到噪声在各方位的指标值，从而得到目标的指向性图示，软件得到的处理结果可为水下目标噪声的研究提供有力的数据支持。对各项噪声指标的计算方法[6]说明如下：

(1) 功率谱密度的计算方法。假定有限长随机信号序列为x(n),其傅里叶变换和功率谱密度估计存在如下关系，即在各离散的频率点有

k=0,1,…,M-1

(3)

式中：F[x(n)]为对序列x(n)的傅里叶变换，由于F[x(n)]的周期为M，求得的功率谱估计以M为周期，系统选用改进的Welch法以提高计算精度。具体步骤为：将M个数据分为L段，每段G个数据，即N=L·G再选择适当的窗函数对每段数据依次加权，计算F；最后对分段的数据计算结果进行平均即可得到功率谱密度估计。

(2) 声压级的计算方法。在频域上对功率谱密度积分，可求得噪声声压级：

NL_fre=10 lg(sum(Psd)·B)-Me

(4)

式中：Psd为计算的功率谱密度；B为谱线带宽；Me为水听器的接收灵敏度，计算中不同的谱线利用不同的接收灵敏度查表代入公式进行修正。

(3) 噪声声源级的计算方法。

SL=NL+20lgd+α·d

(5)

式中：SL为噪声声源级；NL为噪声声压值；换能器与目标间的距离值d通过GPS数据计算得到，α为环境吸收因数，在处理数据时查表获取，根据不同的试验环境进行调节。

3 湖上试验

所提出的融合浮标与潜标的水声定位噪声测量系统已进行湖上试验。在试验时，首先在试验区域布放4个浮标阵和潜标，甲板单元和显控平台放置于测量船上，试验开始目标由测量船出发，在试验区域内航行，系统实时对目标的轨迹进行定位，并且由潜标对目标的噪声进行不间断的监听记录，后续导出潜标记录的数据并通过主控软件对噪声数据进行处理，得到噪声的声源级、声压级及目标与潜标斜距、目标与潜标角度的随时间变化的关系图，通过主控软件的回放功能，系统可显示记录的噪声数据对应时刻的目标轨迹图，为用户提供直观的图形显示。

图6为显示控制平台的噪声指标显示页面。综合图6(b)的噪声声压级及图6(c)的目标与潜标斜距可看出，当目标与潜标距离值最近时，噪声声压级值最大，而图6(a)的噪声声源级在整个运动过程中基本保持平稳。结合图6(d)的目标与潜标角度可得到目标噪声在每个角度的指标。图6的试验结果显示，水下目标以30 kn航速水下直线航行时，噪声声源级约160 dB。

图6 湖上试验显示控制平台测噪结果

4 结 论

阐述一种融合浮标与潜标的水声定位噪声测量系统。高精度时钟和GPS的加入使系统能精确监测各时刻的环境噪声及水下目标的运动轨迹和噪声。系统提供友好的用户主控界面，软件可融合时间、位置及噪声测量多种信息为用户同时显示水下目标的运动轨迹及噪声数据分析结果。在湖上试验时，选择目标在同一航速下不同轨迹时的多次噪声测量结果进行比较，统计得到多次测量的谱级误差约0.8 dB，对比目标轨迹的定位结果与目标位置的真值，得到系统的定位误差约0.5 m。经过多次长时间的测量，验证了系统的稳定性及可靠性。