《目标探测与识别技术》-3

第3章声探测技术56437３.５自然风对声探测的影响及其修正３.６双子阵定位理论３.７声探测数据的后置处理３.８声探测技术在军事中的应用返回3.1声传播特性3.1声传播特性由大学物理知识可知,声波是一种机械波,它是机械振动在弹性介质中的传播。传播的介质可以是空气,也可以是水或大地等。当距离大于声源尺寸时,声源可以被看作点声源,声波可以被看作球面波。在三维空间中,声波传播的波动方程为3.1.1声压、声强与声强级声音为纵波,其传播引起空气的疏密变化,从而引起气压的变化。该压力与大气压的差值即为声压。当声波的位移为下一页返回3.1声传播特性3.1.2声传播速度及其温湿度的影响声音在传播过程中,声速与媒介温度有关。理想的干洁空气中声音传播速度与温度的关系如下3.1.3空气中声波的衰减空气中,水和其他灰尘对声波的影响表现为使声波衰减,由于水分子的热交换引起空气对声音的吸收,使声音传播时发生衰减,传声器接收到的声能E呈指数衰减:上一页下一页返回3.1声传播特性3.1.4多普勒效应当声源或听者,或两者相对于空气运动时,听者听到的音调(即频率),和声源与听者都处于静止时所听到的音调一般是不同的,这种现象叫作多普勒效应。作为特例,速度的方向在声源和听者连线上,vL和vS分别表示听者和声源相对于空气的速度,取由听者到声源的方向作为vL和vS的正方向,则听者听到的频率与声源频率的关系为上一页下一页返回3.1声传播特性3.1.5风对声音传播的影响在静止等温的空气中,点声源S(xs,ys,zs)发出的声波是以球面波形式向外传播,其各时刻的波阵面是一系列以声速增大的同心球,即t时刻波阵面满足上一页返回3.2声探测系统3.2.1传声器及其阵列1.传声器的种类及其特性将声信号(机械能)转换成相应电信号(电能)的换能器为传声器,即麦克风。传声器根据其原理可分为动圈式、压电式、电容式和驻极体式四种类型。下一页返回3.2声探测系统2.传声器的方向性单个传声器对于低频声信号是无方向性的,只有对10kHz以上的信号才呈现一定的方向性,且频率越高,方向性越强。为了实现对目标的定向,一般采用导向筒、合成波束方向图和利用几何关系三种方法,后两种方法需要采用传声器阵列才能实现定向。(1)采用导向筒采用导向筒是在传声器前加一个导向筒,利用导向筒的内壁吸收其他方向的声波,实现方向性。但加了导向筒使其转动惯量增大,而且声波衰减较大,同时方向性也不够好,难以满足战术技术要求。(2)采用合成波束方向图上一页下一页返回3.2声探测系统采用合成波束方向图是利用声波到达传声器阵列的各传声器的时间差(时延)与方向有关,通过对各路信号加不同延迟后叠加,使其中一个方向的信号得到最大的增强,而其他方向的信号增强较小甚至相互抵消,形成波束方向图的方向性。(3)利用几何关系利用几何关系也是利用声波到达传声器阵列的各传声器的时间差(时延)与方向有关,通过几何关系求解目标的位置。3.传声器阵列利用几何关系定位时,传声器阵列可分为线阵、面阵和立体阵三种。对于固定式阵列来说,线阵只能对阵列所在直线为界的半个平面进行定位,否则没有唯一解。面阵可以在整个平面对目标进行定位,也可以对阵列所在平面为界的半个空间进行定位。上一页下一页返回3.2声探测系统立体阵则可以对整个空间定位,但其算法要复杂些。3.2.2恒流源供电电路与前置放大器声测电路的精度是影响智能雷弹对目标定位的主要因素。阵列所用电容测量传声器,既可以直接加极化电压而工作,也可以用恒流源驱动。恒流源驱动可以避免信号的传输线损耗和降低传输线噪声,消除由于引线而带来噪声和产生信号衰减。为了保证各路信号的线路延迟量一致,各阵元传输线长度应完全一致。传声器电路结构和恒流源原理电路如图3-2所示。上一页下一页返回3.2声探测系统3.2.3程控放大电路程控放大器是阵列声测系统中决定模拟电路响应声音强度范围的部件,利用程控放大器可以使得对于低至60dB、高至130dB的声压信号,得到幅度接近-5V~+5V范围的电压输出信号,从而保证对大范围内的声音具有足够高的响应信噪比。广泛采用的程控放大器有压控放大器、电压反馈型放大器、数/模转换(DAC)器件组成的放大器和专用程控放大器电路。利用DAC器件构成的放大器,信号的输入/输出关系与输入数字成正比,当把输入信号接入DAC的参考端时,由于DAC内部的开关电路采用CMOS器件,使得可以通过交流电流形成乘法式关系:上一页下一页返回3.2声探测系统全集成程控放大器集译码器、多路开关、电阻网络和放大器于一体,提供多挡增益选择。其中Burr-Brown公司的3606等程控放大器其增益为对数形式,有1、2、4、8、16、32、64、128、256、512和1024共11挡,由4-bit增益控制,如图3-4所示。3.2.4滤波电路滤波电路是模拟信号处理的重要部件,采用硬件滤波有利于提高系统对目标声源的选择性,减小干扰声源的影响,该系统中既要有较高的频率选择特性,即要求较高的滤波器阶数,又要保持足够的通道一致性,即通道的传递函数的一致性误差要小,同时,要求元件数目少,便于缩小硬件尺寸和减少元件一致性误差源数目。上一页下一页返回3.2声探测系统图3-5所示的MAX260程控滤波器芯片是CMOS型器件,内装两个二阶滤波器,可单独使用,也可串联成四阶滤波器使用。每个二阶滤波器的3个输出端可分别接成低通、高通或带通。3.2.5模/数转换电路为了保证时延估计的精度,要求对各路传声器信号的放大和时移特性一致,应该使系统采用4路完全一致的电路及完全一致的元件参数。采用频域时延估计算法时,系统要求的采样率很低,可在48kHz或以下,单片多通道带采样/保持电路的模/数转换的典型器件有AD7865等。上一页下一页返回3.2声探测系统3.2.6数字信号处理电路数字信号处理电路是实现目标识别和定位计算实时性的关键,必须采用DSPs芯片来完成。在多个厂家的DSPs产品中,以TI公司的TMS320系列产品最成熟、资料最多、应用最广,因此首选该系列产品。3.2.7辅助电路由于温度对声音的传播速度影响较大,进而给目标定距带来误差,风速也会影响声音速度。为了提高定位精度,应对温度和风速进行精确测量。为了对声定位系统进行检测及必要时监控系统工作状态,系统应留有与微机的接口。上一页返回3.3时延估计理论对于远处的声信号源,当其距离远大于其自身尺寸时,可以把它作为一个点声源。设声源发出的信号到达传声器1为s(t),经空间某两个传感器测量得到的信号分别为x1(t)和x2(t),并考虑传声器间的距离远小于到目标的距离(因此忽略两个传感器之间信号幅度的相对衰减),那么,这两路信号可以用下面的数学模型来描述3.3.1广义互相关法用来确定两相关信号之间的时延τ最直接的方法就是互相关函数法。下一页返回3.3时延估计理论为了达到尽量锐化τ=D处的时延相关峰,对互相关函数法加以改进,得到了广义互相关法。广义互相关法是在互相关函数法的频域上加一个广义权函数ψg(f),即取广义互相关函数为3.3.2相位谱分析时延估计原理如果认为环境噪声是统计独立的,那么接收到的两信号之间的互相关函数可以用信号的自相关函数表示:上一页下一页返回3.3时延估计理论3.3.3端点效应及其消除对于同时记录的等长信号x(t)和y(t)(t∈(0,tn))之间的时延估计,由于y(t)滞后x(t)时间D(为了讨论方便,不妨设D>0),虽然y(t)=x(t-D)(t∈(D,tn)),但y(t)≠x(t-D+tn)(t∈(0,D)),使其周期延拓后的信号形状并不相同。因此,必然存在端点效应,而且随着D的加大和y(t)与x(t-D+tn)(t∈(0,D))差异的加大,其对时延估计的影响也随之加大。上一页返回3.4被动声定位算法3.4.1线阵定位算法线阵是由布设在一条直线上的若干个传声器组成,用于对半个平面进行定位(或定向)的常用阵形。若阵列能够转动,则可以对整个平面进行定位(或定向)。舰艇所用的被动声呐系统,由于受船宽的限制,通常采用线阵下一页返回3.4被动声定位算法1.二元线阵二元线阵示意图如图3-6所示。图3-6所示的二元线阵是最简单的传声器阵列,它只能用于远距离目标的定向。设两传声器M1、M2对称布设在x轴相距l的两点上,其坐标分别为-

标位于S(x,y),距离为r,方位角为φ,则声程差上一页下一页返回3.4被动声定位算法2.三元线阵三元线阵示意图如图3-7所示。三元线阵传声器阵列不仅可以定向,也可以定距。设两传声器M1、M2

沿x轴对称布设在位于原点(0,0)的传声器M0两边,其坐标分别为(-l,0)、l(,0),目标位于S(x,y),距离为r,方位角为φ,则声程差上一页下一页返回3.4被动声定位算法3.多元线阵为了提高定向、定距精度,增加阵元数量是一个有效的方法。最常用的是2n+1元等距线阵。取线阵沿x轴布设,中间的传声器M0位于原点(0,0),则x轴正方向第k个传声器Mk的坐标为(kl,0),到目标的距离为rk;x轴负方向第k个传声器M'k

的坐标为(-kl,0),到目标的距离为r'k。则传声器Mk

与Mk-1的声程差上一页下一页返回3.4被动声定位算法3.4.2平面四元方阵定位算法1.基本算法设四传声器(M1、M2、M3、M4)构成边长为l的平面方阵,分别对称分布在水平面xOy的四个象限,如图3-8所示。目标位于S(x,y,z),方位角为φ,仰角为θ,且OS=r,SM1=r1,M2M1=d21,M3M1=d31,M4M1=d41,则有上一页下一页返回3.4被动声定位算法2.精度分析式(3-58)中的②、③式分别对d21

、d41

求偏导,有上一页下一页返回3.4被动声定位算法3.算法的改进虽然平面四元方阵只有3个独立时延,但可估计的时延共有6个。对于定位计算来说,另外3个为非独立的冗余时延。充分利用d21

、d34

、d41

、d32

、d31

、d42这6个时延,可提高定向和定距的精度。3.4.3圆阵定位算法n+1元圆阵是由半径为a的圆周上均布的n个传声器Mi(i=0,1,…,n-1)和圆心O上的传声器M组成。目标位于S(x,y,z),方位角为φ,仰角为θ,且OS=r,SMi=ri,声程差上一页返回3.5自然风对声探测的影响及其修正对于不同的传声器阵列,风的影响是不同的,但对风影响进行修正的思路和方法是相同的,下面以正四元方阵为例进行推导。3.5.1风对二传声器声程差的影响风对二传声器声程差的影响定位修正图如图3-9所示。3.5.2风对方位角和仰角的影响由式(3-77)、式(3-78)可得,风影响下计算的方位角φ'与实际方位角φ的关系为下一页返回3.5自然风对声探测的影响及其修正3.5.3风对方位角和仰角的修正公式由于v≪c,为了计算简单,忽略二次项影响,此时有上一页返回3.6双子阵定位理论3.6.1定位原理双子阵定位是利用两个子阵各自算出目标的方位(θ1,φ1)、(θ2,φ2),若两条射线L1、L2在空间相交,则交点T(x,y,z)为目标的位置;如两条射线在空间不相交,则求出两射线的公垂线,则公垂线P1P2的中心T(x,y,z)即为所的目标位置。双子阵定位示意图如图3-10所示。3.6.2定距误差上面给出的定距公式,影响精度的主要因素还是时延估计误差,其随机误差的均方差为返回3.7声探测数据的后置处理由于基线短、背景噪声干扰以及信号的多途性,而且在实际应用中算法可能出现不稳定,得到的时延估计误值不可能完全准确,预测方向和攻击时间会产生较大的误差,以至难以满足精度要求。除了对时延估计算法进行研究,后置智能化处理是提高测量精度的有效途径,它利用目标运动的变化规律,将多次测量结果相关联进行跟踪,可以有效地提高精度。后置处理的最典型方法是卡尔曼滤波,它是一种简要递推算法的滤波器,可方便地在计算机上加以实现并满足实时性要求。3.7.1卡尔曼滤波器卡尔曼滤波器是理想的最小平方递归估计器,其利用递推算法,即后一次的估计计算利用前一次的计算结果。与其他估计算法相比较,卡尔曼滤波器具有算法简单及存储量小的优点,所以广泛用于近代数据处理系统中。卡尔曼滤波器的工作原理图如图3-11所示。下一页返回3.7声探测数据的后置处理3.7.2数学模型目标的数学模型是机动目标跟踪的基本要素之一,也是一个关键而棘手的问题,模型的准确与否直接影响跟踪效果。在建立模型时,既要使所建立的模型符合实际,又要便于数学处理。这种数学模型应将某一时刻的状态变量表示为前一时刻状态变量的函数,所定义的状态变量应是全面反映系统动态特性的一组维数最少的变量。假设被跟踪测量值为x,它的变化是匀速的,变化速度为x',x'的波动用随机速度扰动Vx

表示,则CA运动方程为上一页下一页返回3.7声探测数据的后置处理3.7.3递推算法假设系统的随机速度扰动和测量噪声相互独立,并且都为零均值、协方差分别为Qk()和Nk()的高斯随机噪声。对应于模型表达式的卡尔曼滤波器递推过程如下:一步预测值上一页下一页返回3.7声探测数据的后置处理对于式(3-95)、式(3-96)给出的运动方程,启动条件为上一页返回3.8声探测技术在军事中的应用在军事上,声探测的应用可以追溯到第一次世界大战以前,由于受到当时电子技术、信号处理技术的限制,难以满足战术技术要求,应用受到很大限制。声探测在军事中的第一个成功应用是声呐系统。声呐利用声波在水中衰减小、速度较快的特点,设计出了大量的主动、被动的声呐系统和海底预警系统,在潜艇探测目标、导航和反潜作战中发挥了巨大的作用下一页返回3.8声探测技术在军事中的应用3.8.1声呐技术在军事上的应用和发展1.先进信号处理技术早期的声呐接收机功能比较简单,人们对水声环境与无线电波环境的差异认识不深,简单地把应用于雷达和无线电通信的信号处理技术移植到声呐系统中,因此并没有发挥其应有的作用,而且当时的模拟电路技术也很难实现信号处理。近年来,随着高性能微处理器和各种专用通用高速数字信号处理器的出现,以及各种先进信号处理算法的开发,声呐的效能发生了巨大的变化。声呐系统的更新在很大程度上是随着计算机系统和信号处理系统的升级而进行的,声呐基阵的改动不大。美国海军在声呐技术的发展上,首先把大量资金用于改进信号处理能力,其次是购买新型声基阵(如甚低频主动声呐基阵),同时重新设计了潜艇的作战指挥系统。上一页下一页返回3.8声探测技术在军事中的应用以前,各种非声学传感器(如雷达)只是作为声呐的补充或辅助设备,现在把这些非声学传感器数据和声呐数据结合起来,通过光纤送到潜艇的作战指挥系统进行集中处理,构成战术指挥图,供作战时参考。2.水声通信和声呐组网技术先进的信号处理技术显著提高了声呐系统的性能,使声呐除了完成潜艇探测的任务外,还可以进行远距离水声通信。西方国家推测,苏联在冷战时期就实现了水声通信,但数据传输量很小,只是几个简单命令。现在的水声通信技术已经可以实现图像传输,通过编码技术可以进行大约100b·s-1的低速数据传输,今后可能提高到1000b·s-1。水声通信技术使各种水下平台的数据交换成为可能,如通过潜艇和无人潜航器的数据交就可以构成水下战场的声图像。各种水下平台之间共享声呐数据已成为声呐技术的一个主要发展方向。上一页下一页返回3.8声探测技术在军事中的应用3.被动声呐技术冷战时期,西方海军的主要威胁是苏联的核潜艇。核潜艇的核反应堆在运行时噪声较大,因此那时北约主要发展用于监听噪声的被动声呐站,对窄带信号的检测成为声呐信号处理的关键技术。在冷战后期,北约依靠新的信号处理技术削弱了苏联降低潜艇噪声所获得的优势。这个时期反潜的特点就是大力发展被动声呐,包括拖曳阵和被动声呐浮标。现在西方海军多在第三世界国家周围的海域活动,威胁主要来自常规潜艇。.低频主动声呐技术安静型柴电潜艇的广泛装备,使声呐技术的研究热点重新转移到主动声呐上。但主动声呐有两个缺点:一是声呐发射的声波会被反潜设备接收到,使潜艇暴露目标并遭到攻击;二是主动声呐在浅海的作用距离受海床的影响。声呐脉冲会在海底和水面之间反射,沿不同路径返回(即多途效应)。此时会有微小的时延,在接收机上形成混响干扰,掩盖目标的回波。声呐使用的脉冲序列越长,探测距离越远,声呐受混响的影响就越严重。上一页下一页返回3.8声探测技术在军事中的应用5.爆炸声回波定位技术针对安静型柴油机潜艇给声呐浮标系统带来的威胁,美国海军于20世纪50年代中期构想了“朱莉”计划。基本思路是,潜艇噪声的降低将会使SOSUS声呐系统失效,但可以通过增加一个信号———深水炸弹爆炸声来解决问题。爆炸声将在寂静潜伏的潜艇上产生回波,SOSUS系统的被动声呐阵接收回波并进行定位。但“朱莉”系统只能在深度超过3500m的深海使用,否则海底反射波将淹没潜艇的回波,因此对一些沿海海域并不适用。在20世纪七八十年代,苏联还开发了一种改进的“朱莉”系统,使用一组爆炸声来克服海底回波的影响。受当时条件的限制,“朱莉”系统没有复杂的信号处理功能,只是通过直达声和潜艇回波的时延差来定位。到90年代,随着计算机的飞速发展,区分潜艇回波和海底反射波的问题得到了解决。“朱莉”系统的最大优势是可以探测到潜艇而不会暴露反潜舰艇的位置,并可以决定是否需要以及何时对潜艇发动攻击。上一页下一页返回3.8声探测技术在军事中的应用3.8.2反直升机智能雷弹武装直升机以其特有的机动性、灵活性和超低空飞行性能,成为现代战争中的“空中坦克”,有着很强的生存能力和攻击能力。这首先是因为它的超低空飞行性能,使它能够有效地利用地形地物进行掩护,躲过雷达的搜索和防空导弹的袭击;其次,它有一定的装甲防护能力,可阻挡12.7mm枪弹的射击;最后,它较少受气象条件的制约,能够迅速完成诸如地面侦察、输送武器装备和兵力、攻击敌方重要目标和防御设施等任务。为了便于己方直升机通过,可通过无线电通信遥控关闭雷弹,等直升机通过雷区后再遥控激活雷弹的预警系统。根据反直升机智