水下近场目标声探测系统设计研究

水下近场目标声探测系统设计研究
刘伟;王昌明
【摘要】为对水下近场目标进行定位和识别,设计了一种小型水下近场目标声探测系统.该系统采用水听器十字阵对目标进行被动方位估计和主动声纳测距相结合的工作方式.为验证声纳探测系统设计的可行性,设计了一个水下目标方位估计的水池实验,该实验系统利用LabVIEW便捷的数据采集和存储功能及MATLAB对算法的强大仿真能力,方便地实现了对水声信号的采集和分析.这种探测系统的设计可为水听器布阵和相关算法的选择提供参考.%Aiming at underwater near-field target localization and recognition, a small-sized underwater near-field target acoustic detection system was designed. The system adopts the operation mode that active ranging sonar techniques and target passive DOA estimation using cross array. In order to validate the feasibility of the sonar system design, a set of water-tank experimental scheme is designed for the direction finding of underwater target The purpose of the experiment is to realize underwater acoustic signal acquisition and processing conveniently by means of Lab VIEW and MATLAB. The former is easy to data gathering and saving function, and the latter possess powerful simulation of algorithms. The experimental results offer reference for suitable types of arrays and related algorithms selection.
【期刊名称】《计量学报》
【年(卷),期】2011(032)006
【总页数】4页(P531-534)
【关键词】计量学;声探测系统;水下近场目标;十字阵;仿真实验
【作者】刘伟;王昌明
【作者单位】广东工业大学信息工程学院,广东广州510006;南京理工大学精密仪器系,江苏南京210094
【正文语种】中文
【中图分类】TB95
1 引言
声纳是各国海军大力发展的技术，主要用于对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪；进行水下通信和导航，保障舰艇、反潜飞机的战术机动和水中武器的使用。

目前，声纳的发展趋势是采用较低工作频率、加大基阵尺寸和孔径、寻求新的声纳传播途径，增大传播距离的远程探测[1]。

近年来，用于短距离探测、基阵体积小的近程声纳系统受到重视，它主要用于一些没有足够的安装空间和运行动力来承载大型的声纳设备的小型水下运行器上。

各种声纳几乎都是利用在水下的水听器阵列再加以信号处理来探测目标的。

在水声定位基阵中，三子阵定位法结构和算法都较简单，已在实际工程中得到应用，但其定位性能和作用距离都有很大的局限性。

目前，常用阵形还有很多，如直线阵、圆形阵、L形阵、矩形面阵和十字阵。

通过水听器基阵采集的信号经前置处理后一般采取波束形成处理得到探测目标的相关运动参数等。

目标参数的估计性能与基阵结构和波束形成算法有很大的关系，故而在水声定位系统的设计中，波束形成算法和水听器阵形的选择尤为重要。

通过比较水听器阵形和相关算法后，确立了采用十字阵单基阵和MVDR算法来进
行方位估计的水下近场目标声探测系统的组成，并给出了该系统的模块化方案设计。

在水声信号的采集、测量及目标探测领域，专用仪器不多，若从硬件开始做起，不仅需要较长时间，且投入较大。

为此，本文设计了水下近场目标声定位的水池实验系统，利用PC机和数据采集卡等现有资源，进行了方位和距离估计等方面的水池仿真实验。

2 水下近场目标声探测系统的组成
水下近场目标声探测系统应用于水下小型运载器上，能够对水下近距离目标的方位角、俯仰角和距离进行估计，并设计能对目标类型进行辨识。

针对水下近场目标声探测系统的使用环境，本系统设计要求为在近程对水下近场目标的方位角和俯仰角给出估计；对目标的距离进行估计；对目标的类型进行识别，主要能分辨出指定的类型。

整个系统为一个独立模块，通过适当接口，能够和上位主机交换数据。

为了设备小型化和提高运行速度及稳定性，系统包括主控模块、信号处理模块、发射换能器、小型接收基阵和声速测量模块组成。

工作状态分为被动估计目标方位和主动测距，系统主要模块如图1所示。

图1 水下目标声探测系统原理框图
硬件电路板系统设计分为模拟部分和数字部分，见图2。

图2 水下目标声定位系统电路设计原理图
系统设计：
1)基阵结构。

因为需要估计目标的方位角和俯仰角，属二维角度估计，由于十字阵具有分维特性，且阵列冗余度小，故使用十字阵为接收基阵。

每个换能器阵中，换能器数目设计为16个，间距定为半个波长。

2)信号的接收。

对应每个换能器，需要进行前置放大、防混叠滤波、增益控制放大和数模转换。

3)数模转换和数据采集。

对于该仪器，采样率不必太高，约在20到50 kHz之间
即可，位数定为16位。

由于需要对增益控制放大器进行控制，以及对A/D转换数据进行读取，数据处理部分运算量较大，需要采用并行处理方式，因此数据采集的前端可以采用单片机(或ARM与DSP)进行处理，主要用于增益控制，并对A/D 转换的数据进行读取，读取后存入一个双端口存储器，供信号处理芯片读取，并加以处理。

4)信号处理。

信号处理部分完成数字滤波、FFT、波束形成和方向估计、距离估计和目标类型识别，这些都需要较大的运算量，其中以波束形成运算量最大。

同时要求精度高时，运算量会进一步增加，因此选用运算速度高的芯片对提高系统性能有益，同时选用内部存储器较大的芯片，也会对提高运算速度有利。

5)主动测距。

采用脉冲法，测出脉冲被目标反射后来回需要的时间，分析处理后得到距离。

该方法的关键是要检测目标的微弱回波及区分混响信号。

测距时借助方位估计，当判断出有目标且准确估计出方向后，可以沿该方向发射声脉冲，并沿该方向接收回波，从而测量距离，这种方法需要换能器基阵能够转动。

6)目标类型识别。

掌握对方目标的噪声特点，根据噪声谱的特点初步分辨对方目标类型。

这主要是算法上的研究，借助方位估计中所采集的数据，采用适当算法来实现[2]。

7)结果显示与数据输出：将得到的结果显示出来，由于显示的数据不多，可以用4位数码管或小型液晶显示屏。

应用需要将结果输出时，可以通过RS232或485接口输出。

8)电源模块：供电电源为运行器自身携带电源，电压为24 V，需要转换到5 V，3.3 V，1.6 V，主动测距中的声发射需要较高电压。

图3 水下目标识别流程图
3 水池实验系统原理和组成
3.1 水池实验系统构建
在水下近场目标声探测系统中，需要对水声信号进行前置放大、数模转换、存贮、数字信号处理和结果显示等，且待处理数据量很大。

由于专用仪器不多，硬件电路的设计制板不仅需要较长时间，且投入较大[3～6]。

为此，本文设计了水下近场目标声定位的水池实验系统，利用PC机和数据采集卡等现有资源，结合LabVIEW
和MATLAB软件，进行了方位和距离估计等方面的水池仿真实验，原理框图见图4。

图4 水池实验系统构成框图
水池实验系统分信号模拟发射部分和信号接收及处理部分。

信号发射部分使用无指向性目标噪声模拟器来模拟目标声源，其输入信号有函数信号发生器产生的正弦波、方波和三角波模拟单频信号；用事先录制好的噪声经播放器播放后模拟宽带信号。

信号接收和处理部分由安装在带有360°刻度转台上的水声接收基阵(基阵在转台可旋转用于模拟目标的入射方位角)、PCI数据采集卡和PC机组成。

图5和图6分
别为阵型比较实验时的均匀圆阵和十字阵。

图5 水听器均匀圆阵结构图
图6 水听器十字阵结构图
3.2 水池实验数据分析
为验证本文中系统设计的正确性，进行了水池实验并对采集的数据进行分析。

使用无指向性目标噪声模拟器来模拟目标声源，其输入信号为2～8 kHz的宽带信号。

目标从(90°，25°)入射，声源和基阵位置分布如图7所示。

基阵为由2个子阵组
成的十字阵，总阵元数为8个(两子阵的中心阵元为同一阵元)，阵元间距为
0.075 m(半倍声波长，声速取1 500 m/s)。

用LabVIEW编写的8通道数据采集
程序，采集水听器所接收的噪声，快拍数为100，采用1 024点FFT对输入信号
分解，存盘后利用MATLAB编的MVDR算法得出目标的方位估计空间谱，从而
得知方位参数[7]。

单个信号源时的十字阵的空间谱图如图8所示。

从图中可看出，由于阵元个数较少，因此主瓣不够尖锐，分辨力较低，但仍能分辨出目标角度；空间谱图中有对称旁瓣出现是由于池面反射声信号所致。

由于十字阵是二维搜索，运算量比较大，系统处理速度慢。

为考察基阵在各方向上的估计性能，利用转台让θ从0°到180°之间变化以获取空间谱估计，得出方位角θ的估计误差(见图9)。

图7 水池实验基阵和声源位置图
图8 十字阵二维角度空间谱图
4 结论
本文结合实际工程需要，提出了水下近场目标声探测系统的设计方案，包括水下目标方位估计、距离估计和目标识别子系统，同时给出了系统的硬件实现技术方案。

为考查本系统设计的有效性，针对目标方位估计问题，结合LabVIEW和MATLAB及数据采集卡设计了水池实验系统。

通过水池实验数据表明，利用十字阵方位估计时误差可控制在5%内。

图9 十字阵方位角估计误差分布图
[参考文献]
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