亚音速空中运动目标被动声探测定位系统研究

    0 引  言

    智能雷弹利用被动声探测技术,通过对声传感器阵列接收到的目标如武装直升机、巡航导弹、低空飞行的战斗机等噪声信号的处理,得到目标在空中的位置。空中被动声探测技术主要应用于两方面:一类是警戒与侦查,主要是对轻型飞机、巡航导弹和武装直升机的远距离警戒、目标侦查、战场侦查;另一类是攻击型武器系统,探测定位并适时起爆战斗部,主要有反直升机智能雷弹、反巡航导弹智能雷弹。本文的定位系统设计就是针对低空运动目标的噪声特性(发动机、旋翼等产生强烈的噪声),利用声阵列探测噪声信号进行处理,从而得到目标的位置。

    1 被动声探测定位原理

    声传感器是环境监测的关键器件之一。常用的声传感器按换能原理的不同,大体可分为电动式、压电式和电容式三种类型。而好的声传感器应具有频率范围宽、响应平直,动态范围大、失真度小、灵敏度高、电磁干扰小等特性。驻极体电容式声传感器除具有以上优点外,还具有价格低、体积小等特点,因而,在声音测量中得到广泛应用。本文针对驻极体声传感器设计了一种低功耗的声音信号采集电路系统,以实现对驻极体声传感器信号的放大、滤波、采集和数字信号的处理及传输等功能。此外,本文还利用上位机软件对采集的数据进行了分析和仿真计算。

    1. 1 驻极体的基本性质及工作原理

    驻极体材料是在高温和高压下向材料中注入电荷,形成/镶嵌0电荷,并且电荷永久性地存储在材料中的一种化学材料。近年来,驻极体材料的发展以聚丙烯PP蜂窝膜和聚四氟乙烯PTFE多孔膜为代表。驻极体材料薄膜与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔开。这样,膜片与金属极板之间就形成一个电容。当声波作用于驻极体膜片引起振动时,使得膜片与金属极板间的电容发生变化,从而产生了随声波变化而变化的变容电压。

    驻极体声传感器的基本工作原理可以用最普遍的平行极板电容器来说明。两块相互平行的金属极板,当不考虑其边缘效应(2个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量的变化)时,其电容量为

    式中:d为两平行极板之间的距离;A为两平行极板相互覆盖的有效面积;E为极板间介质的介电常数;Er为介质的相对介电常数。

    由于电容器充电电荷量为Q,其两端极化电压为V0,电容为C0(Q =C0V0),当声信号作用于驻极体时,膜片振动使电容变化$C,因为Q恒定,声压作用后,膜片振动造成电容变化量就会转变为电压变化量$Vt,即

    因此,传声器输出交变电压[1]。

    1. 2 声阵列定位原理

    被动声定位的基本原理是将传声器在空间布置成一定几何形状的阵列,以接收目标噪声的声场信息,通过检测或计算各传声器所测得的信号的时延来确定目标的位置。对于无方向性传声器,各个传声器接收到同一声源的信号先后,反映了声源所在传声器连线的方向和距离。由N个声传感器阵元组成的阵列,可以得到至少N-1个独立的时延,空中的直升机等运动目标对于被动声定位系统来说可以看成点目标(远场),有三个自由度。因此,要对目标进行定位,至少需要四个阵元组成的声传感器阵列。由于十字形阵列具有分维特性(指二维参量可分开估计),且阵列冗余度较小,因此,平面十字阵是较为合适的阵形。时延法被动定位是被动声探测系统广泛采用的方法[2]。本探测系统采用四元平面十字阵分布,四个声传感器均匀分布于十字支架的四个顶端上。基阵基线长1 m,传感器位于半径在0. 5 m的圆周上。四元十字阵定位原理图如图1所示。