被动探测技术简介

8.3.1.1　被动声探测

声音在空气中传播时，介质受到压缩和膨胀，介质的运动变化方向和波的传播方向相同，因此声波在空气中是一种纵波。在理想介质情况下，声波方程可通过连续性方程、运动方程和状态方程推导得出：

式中，p为压强，c为声速，c2=dp/dρ，∇2为拉普拉斯算子。在声学中，普遍使用对数标度来度量声压和声强，称为声压级和声强级，声压级SPL可表示为：

式中，Pref为参考声压，一般取正常人耳对1 kHz声音的可听阈值声压，数值为2×10-5Pa。声音传播容易受到气象条件（雨、雾、雪、风、温度）的影响，其中雨、雾等情况对声音传播影响很小，约每1 000m附加吸收0.5dB，可忽略不计。但是风和空气温度对声音传播的影响较大。空气温度越低，声音传播速度越小。低速风（风速＞30m/s）对声压级的影响很小，当风速大于100m/s时，声压级有±3dB的变化量。声学波动方程只是反映了理想介质中声波传播的共同规律，至于具体的声传播特性还必须结合具体声源和边界条件来确定。

坦克或直升机目标的行驶噪声主要由机械噪声和空气动力噪声两部分组成。机械噪声来源于机械部件之间的交变力。这些力的传递和作用一般分为3类，即撞击力、周期性作用力和摩擦力。在实际机械部件之间往往同时具有三种力的共同作用。空气动力噪声是气体的流动或物体在气体中运动引起空气的振动而产生的，其主要部分是排气噪声。在这两部分噪声中，空气动力噪声一般高于机械噪声。另外，坦克行驶时所产生的噪声特性和它的行驶情况有密切关系，在起动、加速、减速时，最突出的是排气噪声；当在平坦的道路上以常速行驶时，主要声源是排气噪声和发动机噪声；当行驶速度较高或距离探测点较近时，履带噪声将变得突出。坦克噪声呈低频特性，高次谐波呈中频特性，涡流声、燃烧爆破声和车辆机械噪声产生的是高频噪声。一般中型坦克声场最大值频率集中在60～160Hz，呈现低频特性。可以看出，该频率范围主要来自坦克排气噪声。

声音传感器是将声场的压力转化成电压信号，即将声能转化为电能的一种换能器。被动声探测就是通过声音传感器采集装甲车辆目标发出的噪声，并对信号处理后以确定目标的位置或类型的过程。被动声探测的主要问题可分为两类：第一类是对目标的识别问题，通过对信号特征值的提取和分类算法区分出不同的目标，声源目标识别已有较多的研究；第二类是声源目标定位问题，由于被动声探测无方向性，必须通过多个传感器联合感知目标声源，才能得出声源位置。声源定位最主要的输入测量值就是声音信号强度。

在实际情况下，受到噪声、气温、声音反射，以及测量设备的精度等方面的影响，声音能量衰减模型公式可由式（8.26）表示：

式中，Ii（t）是节点i在时间t的测量声音能量值，S（t）是距声源单位距离处得到的能量值，di是节点i与声源之间的距离，gi为节点i的校正因子，取值为1，α为声音衰减系数，εi（t）是模型误差和观测误差之和。

在实际测量中，某时刻采集到的瞬间声压值对于计算意义不大，通常对采集到的信号进行分帧处理，设置的相邻两帧之间有重合部分，其目的是让声音能够平稳过渡。设采集到的数据长为N，采集频率为f，每帧长为wlen，前后两帧的步长为inc，两帧的重叠部分为overlap=wlen-inc 。则采集到的N数据被分为：

则第i帧的声音信号yi短时能量为：

当目标由远及近地靠近节点时，采集到的有用信号幅值由小变大，而一旦目标远离，则对应的信号幅值都将下降。图8.5（a）所示为车辆以40 km/h的速度从节点旁边3m处经过时的声信号，图8.5（b）所示为通过上述算法得到的声音处理信号。由图8.5（b）可以清楚地看出车辆靠近和远离的运动趋势。(www.xing528.com)

图8.5　短时能量法处理声音信号

（a）目标通过时的声音信号；（b）声音处理信号

8.3.1.2　地震动探测

当人员、车辆等地面目标运动时，对地面产生作用，表现形式就相当于对地面施加一定的激励。地球介质是非刚体性质的，这些激励必将导致地球介质的变形，当这种变形在大地介质中传播时就形成了地震波。对地面垂直冲击时，在一般情况下，会产生P波（纵波），S波（横波）和瑞利面波。在这3种地震弹性波中，P波的传播速度是最快的，而且频率高；S波速度低、能量较弱，但它的分辨率高；瑞利面波频率低，但能量最强。P波和S波的能量按1/r2的规律衰减，瑞利波的能量按1/r的规律衰减，其中r是震源到波面的距离；从另一方面解释就是，体波的幅度衰减与加速度传感型变化成正比，面波的振幅衰减与变化成正比。从上面的分析可知，瑞利面波比体波衰减慢得多，更利于信号采集。

在一般情况下，瑞利面波的频率是较低的，其主要频率分量分布在0～150Hz的范围内。坦克、装甲履带车辆的频率分布范围主要是在200Hz以下，能量主要集中在低频段，即25～150Hz。吉普车、卡车、汽车和其他轮式车辆信号是窄带信号，特征峰频率很低，能量集中在低频带。所以在频率上，瑞利面波基本满足对车辆和人员频率的探测要求。由以上分析可知，瑞利面波具有在地表传播，能量衰减慢、传播距离较远，满足车辆、人员等地面目标探测频率测量范围要求等特性，所以更适合于远距离目标震源的探测与识别。

大地的表面属于半无限弹性介质表面，地面目标在地表运动时，会产生一种能量最大的弹性表面波——瑞利面波。瑞利面波的形成可以由波动理论严密地推导出来，其3个分量（x、y、z直角坐标系）上的波速方程为：

在半无限弹性介质表面传播的瑞利面波，具有如下性质：

1）瑞利面波是由纵波和横波叠加而成的，它沿着介质表面传播，并随着深度的增加而呈指数衰减。

2）在瑞利面波的传播过程中，弹性介质的质点运动轨迹为一椭圆，其长轴垂直于地面，地表处质点位移的水平分量与垂直分量的幅值之比约为2/3，水平分量的相位滞后π/2，因而质点的运动轨迹为绕其平衡位置的椭圆，质点在平衡位置正上方时的运动方向与波的传播方向相反。因此，概括地称其运动轨迹为逆进椭圆。

3）瑞利面波的传播速度，略小于同一介质中横波的传播速度。在土层（泊松比σ=0.5）中，vR=0.9194vs

4）瑞利面波在地表处的垂直位移分量大于水平位移分量，当σ=0.5时，约为1.82倍。

5）瑞利面波的水平分量比垂直分量的相位滞后π/2。

一般来讲，瑞利面波频率较低，其主要频率成分集中在0～150Hz。在均匀介质条件下，瑞利面波的频率与其传播速度无关，即瑞利面波的传播速度没有频散性。而在非均匀介质条件下，瑞利面波速度随频率变化而变化，即非均匀介质将导致瑞利面波的频散。因此，瑞利面波具有能量较强、在自由表面传播且传播距离较远等特性，更适合于远距离目标震源的探测与识别。

地震信号的采集就是通过地震检波器将地层的机械振动转变为电信号。地震检波器大致分为结构型、物性型两类，其中结构型主要是电磁感应型、加速度传感型两种，物性型主要有光线式和压电式两类。一般，陆地上的地震信号釆集采用速度型和加速度型传感器。