在浩瀚的水下世界，對目標(biāo)的精確探測與定位是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。隨著潛艇靜音化和陣列化技術(shù)的發(fā)展，水面艦艇僅靠艦載聲納已難以發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的潛艇目標(biāo)。此時，水下爆炸聲源因其具有頻帶寬、聲源級高、無指向性、使用靈活等特點(diǎn)，在水聲研究中扮演著重要角色。然而，如何利用這種瞬態(tài)、高能量的爆炸聲信號，僅通過單個矢量水聽器（一種能夠同時測量聲壓和不同方向質(zhì)點(diǎn)振速的傳感器）就實現(xiàn)目標(biāo)的精確定向，一直是個技術(shù)難題。傳統(tǒng)的窄帶信號方位估計算法，以及基于傳感器陣列的常規(guī)處理方法，在面對爆炸聲信號這種特殊寬帶信號時，要么性能不足，要么計算復(fù)雜度過高，難以滿足實際應(yīng)用中對精度、分辨率和實時性的綜合要求。因此，開發(fā)一種專門針對爆炸聲信號特點(diǎn)、能夠利用單矢量水聽器實現(xiàn)高精度、強(qiáng)魯棒性方位估計的新算法，具有重要的理論價值和應(yīng)用前景。

為了破解這一難題，研究人員聚焦于爆炸聲信號的三大核心特征：瞬時寬帶、高能量沖擊和非連續(xù)性。他們巧妙地將這些“劣勢”轉(zhuǎn)化為算法的“優(yōu)勢”，提出了一種創(chuàng)新的方位估計方法。研究團(tuán)隊設(shè)計并驗證了兩種算法變體：基于匹配濾波器時域輸出的能量和加權(quán)（MFTD-EAW）與能量積加權(quán)（MFTD-EPW）直方圖方位估計算法。該研究不僅通過詳盡的計算機(jī)仿真驗證了算法的優(yōu)越性能，還通過室內(nèi)駐波桶實驗和戶外汾河二庫實地測試，證明了其在真實環(huán)境下的有效性與實用性。這項研究成果已發(fā)表在《Defence Technology》期刊上，為水下目標(biāo)主動探測提供了新的技術(shù)思路。

本研究中，研究人員運(yùn)用的關(guān)鍵技術(shù)方法主要包括：1）匹配濾波器（Matched Filter）技術(shù)，利用爆炸聲源信號本身作為模板進(jìn)行時域相關(guān)處理，實現(xiàn)脈沖壓縮和信噪比提升；2）加權(quán)重直方圖統(tǒng)計方法，將每個時間點(diǎn)計算出的瞬時方位角，依據(jù)該點(diǎn)信號能量的不同加權(quán)策略（能量和或能量積）進(jìn)行統(tǒng)計，最終通過尋找直方圖峰值來估計目標(biāo)方位；3）原位自適應(yīng)匹配策略，即直接截取當(dāng)前時刻矢量水聽器聲壓通道接收到的爆炸信號作為匹配濾波器模板，以應(yīng)對爆炸波形因環(huán)境變化而產(chǎn)生的畸變；4）室內(nèi)外實驗驗證體系，包括在受控的室內(nèi)低頻測試系統(tǒng)（含駐波桶和旋轉(zhuǎn)裝置）進(jìn)行全方位旋轉(zhuǎn)與定點(diǎn)測試，以及在開闊水域（汾河二庫）利用基于MEMS矢量水聽器和微型爆炸聲源的雙基地微聲納浮標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行實地測試。

研究人員提出的算法核心在于將匹配濾波與加權(quán)直方圖統(tǒng)計相結(jié)合。首先，算法采用原位自適應(yīng)匹配策略，使用實測爆炸聲壓信號作為匹配濾波器模板，對聲壓及X、Y兩路振速通道信號分別進(jìn)行匹配濾波處理，得到時域輸出。匹配濾波器能在白噪聲背景下最大化輸出信噪比，有效突出信號。接著，算法基于聲強(qiáng)流（acoustic energy flow）原理，利用濾波后信號的交叉譜聲強(qiáng)分量計算每個時間點(diǎn)的瞬時方位角估計值。最關(guān)鍵的一步是加權(quán)統(tǒng)計：算法將360°方位空間劃分為網(wǎng)格，并根據(jù)每個時間點(diǎn)計算出的方位角，將其對應(yīng)的權(quán)重值（由該點(diǎn)X、Y通道的交叉譜聲強(qiáng)能量決定）累加到相應(yīng)的方位網(wǎng)格中。研究提出了兩種加權(quán)方式：能量和加權(quán)（MFTD-EAW）與能量積加權(quán)（MFTD-EPW）。前者將兩通道能量線性相加，計算簡單；后者將兩通道能量相乘，能對真實目標(biāo)位置的權(quán)重進(jìn)行非線性放大，同時進(jìn)一步抑制統(tǒng)計獨(dú)立的通道噪聲和突發(fā)噪聲，理論上具有更優(yōu)的抗干擾能力和更低的噪聲基底。通過尋找加權(quán)直方圖中的峰值，即可最終確定目標(biāo)的方位。

為了評估算法性能，研究團(tuán)隊使用實測的PETN（季戊四醇四硝酸酯）爆炸聲源信號作為仿真聲源，在MATLAB環(huán)境中進(jìn)行了單目標(biāo)和雙目標(biāo)方位估計的蒙特卡洛模擬。

仿真結(jié)果表明，在寬頻信噪比（SNR）大于–5 dB時，MFTD-EAW和MFTD-EPW算法的方位估計誤差小于0.5°，顯著優(yōu)于作為對比的MF-FDAC（基于匹配濾波的聲壓-振速-頻率反卷積自適應(yīng)噪聲消除）和(P+Vc)Vc（聲壓與振速組合）算法。在–10 dB的低信噪比條件下，雖然所有算法都能有效估計目標(biāo)方位，但MFTD算法的空間方位譜顯示出更窄的波束峰，意味著其具有更高的目標(biāo)方位分辨率。此外，計算復(fù)雜度對比顯示，MFTD算法主要依賴快速傅里葉變換（FFT），復(fù)雜度為O(N·log₂N)，而MF-FDAC算法由于涉及角度掃描和自適應(yīng)迭代，復(fù)雜度高達(dá)O(K·L·N)。仿真結(jié)果顯示，MFTD算法的執(zhí)行時間保持在毫秒級，遠(yuǎn)低于MF-FDAC算法，計算效率優(yōu)勢明顯。

在雙目標(biāo)場景下，仿真探究了信號重疊長度、空間角度差和信噪比的影響。當(dāng)兩個目標(biāo)信號強(qiáng)度相同、角度差為30°、信號不完全重疊且信噪比為0 dB時，MFTD-EAW和MFTD-EPW算法能夠有效分辨出兩個目標(biāo)，并準(zhǔn)確估計其方位。而MF-FDAC和(P+Vc)Vc算法則出現(xiàn)了峰值融合，無法區(qū)分兩個目標(biāo)，僅適用于單源目標(biāo)方位估計。進(jìn)一步的仿真顯示，無論兩個目標(biāo)在空間上是遠(yuǎn)是近（除非信號完全重疊），MFTD算法均能保持較強(qiáng)的方位分辨能力，其中MFTD-EPW的性能略優(yōu)于MFTD-EAW。

在室內(nèi)低頻測試系統(tǒng)中，研究人員進(jìn)行了全方位旋轉(zhuǎn)歷史方位估計測試和定點(diǎn)方位估計測試。他們將MEMS矢量水聽器安裝在駐波桶上方的垂直旋轉(zhuǎn)裝置上，通過旋轉(zhuǎn)裝置改變水聽器與聲源的相對位置。測試結(jié)果表明，MFTD算法能夠?qū)崿F(xiàn)對爆炸聲信號的穩(wěn)定跟蹤。在定點(diǎn)測試中，MFTD-EPW算法的平均方位誤差最小（0.34°），性能最優(yōu)，驗證了第2.2節(jié)的理論分析。此外，在原始高信噪比（22 dB）信號中加入高斯白噪聲，使其信噪比降至–6 dB后，MFTD算法依然能給出唯一的方位角估計，且波束寬度窄、分辨率高，而對比算法則出現(xiàn)了明顯的偽峰。

為進(jìn)一步驗證算法在實際環(huán)境中的可行性，研究團(tuán)隊在汾河二庫利用基于MEMS矢量水聽器和微型爆炸聲源的雙基地微聲納浮標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行了方位測試。測試距離約為255米。通過GPS坐標(biāo)計算得到目標(biāo)的實際方位為–24.2905°。利用本文算法對接收到的真實爆炸聲源和模擬爆炸聲信號進(jìn)行方位估計，結(jié)果表明：對于真實爆炸聲源，方位估計誤差最大為3.3°，最小為1.3°；對于模擬爆炸聲信號，方位估計誤差最大為1.7°，最小為0.7°。這證明了該算法在開闊水域?qū)φ鎸嵑湍�擬爆炸聲源均具有有效的方位估計能力。

本研究提出并驗證了兩種適用于爆炸聲信號的匹配濾波時域輸出加權(quán)直方圖單矢量水聽器方位估計算法（MFTD-EAW和MFTD-EPW）。該算法創(chuàng)新性地將爆炸聲信號的高能量沖擊特性轉(zhuǎn)化為定位算法的權(quán)重優(yōu)勢。綜合仿真與實驗結(jié)果表明：

這項研究的意義在于，它為解決水下爆炸聲源這一特殊主動聲源的精確、快速方位估計問題提供了一種新穎且高效的解決方案。通過利用信號自身的物理特性來設(shè)計算法權(quán)重，巧妙地規(guī)避了傳統(tǒng)方法在處理瞬時寬帶、高能沖擊信號時的局限。算法結(jié)構(gòu)相對簡單，計算效率高，特別適合于資源受限的水下移動平臺（如浮標(biāo)、無人潛航器）進(jìn)行實時目標(biāo)探測與定位。

同時，作者在結(jié)論部分也坦誠指出了當(dāng)前研究的局限性，主要集中在多目標(biāo)方位估計能力方面：目前僅完成了雙目標(biāo)仿真驗證，且條件局限于特定信噪比、等強(qiáng)度和信號不完全重疊的場景；缺乏室內(nèi)外實際多目標(biāo)物理測試數(shù)據(jù)的支撐。未來的研究將聚焦于提升算法在低信噪比、信號完全重疊及強(qiáng)度不均等多目標(biāo)復(fù)雜場景下的分辨率，并通過更多實地測試來驗證和完善算法的工程實用性，從而為水下多目標(biāo)主動探測的工程應(yīng)用提供堅實的技術(shù)支持。