基于矢量水听器的水下战武器二维弹道测量研究

　　0 引言

　　鱼雷、火箭助推水雷等水下战武器的水中弹道是武器海上定型试验考核的重要内容。以往对水中弹道测量通常采用弹道内记仪[1-3]，或者在试验海区建立固定阵测试系统等方式。采用弹道内记仪虽然实施简单，但不能给出实时弹道，需要试验后进数据处理才能得到测量结果;采用固定式阵测试系统，需要在试验海区布设固定测量基阵和装备，测量基阵和装备通过水下电缆与测量船或岸基的数据处理设备相连来测量水下武器弹道，这种测量方式存在建设复杂、海上实施困难、投资强度大等问题。本文采用矢量水听器测量技术，利用差分全球定位系统(DGPS)水面定位与水下水声定位相结合的方法，建立了水下战武器二维弹道测量系统，实现了对水下战武器水中弹道的高精度测量，具有海上实施方便、实时性强等特点，解决了水下武器水中弹道测量难题，并经海上试验进行验证。

　　1 矢量水听器对目标测量方法

　　1.1 矢量水听器测量原理

　　在传统的水下目标探测系统中[4-5]，水声探测系统所使用的大多是声压水听器，仅处理声场中的声压信息，而声压是标量，单个声压水听器无指向性，不能用来测定目标的方位。矢量水听器可以同时、同点测量声场的声压p与振速vx，vy，与传统的声压水听器相比，能够获得更多的声场信息，因而它的应用越来越多地受到重视。利用矢量传感器声压、振速联合处理的方位估计算法，获取目标真实方位。对信号的每个采样区间内的一定采样点数的瞬时方位估计值进行统计，统计出该采样区间内的方位值集中数目，方位值集中数目最多的方向则表明声能流最大的方向，即为目标方向。

　　根据二维矢量水听器同点输出声压p和二维质点振速(vx，vy)，测量目标方位角[6-7]。

　　其中，P，V分别为频域的振速和声压，〈·〉f表示在频域取加权平均，F为时域到频域的傅里叶变换。式(1)是时域的平均声强流算法，式(2)—(4)是频域算法，在理想条件下频域算法和时域算法是等价的，频域算法虽然运算量较大，但容易补偿工程误差，也容易按各频率的信噪比加权，所以本文采用频域算法。

　　1.2 矢量浮标阵纯方位定位原理

　　一般在海上测量中，需要布设4个测量基阵。定义基线坐标系为：以阵元i为坐标原点，阵元i和阵元j构成的基线为x轴，x轴的正方向为由阵元i指向阵元j，该坐标系称为基线坐标系为目标T和陈元i与正北方向的夹角，βj为目标T 和陈元j与正北方向的夹角。如图1所示。

　　在阵元i，j和目标T组成的三角形中，令αij_1是以阵元i为顶点的内角，αij_2是以阵元j 为顶点的内角，dij为基线长度，它可以由浮标上的DGPS数据计算得到。大地坐标取“北东地”坐标，矢量水听器的X轴方向在安装时校正为与正北方向一致，Y轴方向校正为正西方向，大地坐标系与基线坐标系的夹角γij可由二阵元DGPS位置得到，阵元i，j测得的目标方位角分别为βi和βj(顺时针为正)，ij=12，23，34，13，24。则有：