魚雷自導聲對接式目標模擬器設(shè)計與實現(xiàn)

楊占龍, 陳 航, 王新宏, 戚 茜

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魚雷自導聲對接式目標模擬器設(shè)計與實現(xiàn)

楊占龍, 陳 航, 王新宏, 戚 茜

(西北工業(yè)大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

現(xiàn)有的大多數(shù)水下目標模擬器(包括針對聲納和魚雷自導)在設(shè)計時均未考慮信號接收端的換能器基陣特性, 為能在陸上試驗室條件下全面測試魚雷自導系統(tǒng)性能, 設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于聲對接方式的魚雷自導目標模擬器, 介紹了聲對接式目標模擬器的組成及其相應(yīng)功能, 設(shè)計了陣元信號模擬器與聲對接裝置, 完成了并行處理系統(tǒng)的硬件開發(fā)、聲對接基陣與換能器陣元設(shè)計及聲匹配材料的選取。通過對研制的聲對接式目標模擬器的性能測試, 并利用自導頭通過聲耦合對生成的陣元信號進行檢驗, 結(jié)果證實了以聲對接方式設(shè)計并實現(xiàn)的目標模擬器的可行性和有效性。該目標模擬器克服了對聲學部件建模不精確所帶來的影響, 減少了魚雷自導系統(tǒng)水下試驗的次數(shù), 具有很好的實用價值。

魚雷自導系統(tǒng); 目標模擬器; 聲對接陣; 數(shù)字信號處理器; 并行處理

0 引言

魚雷自導目標模擬器是在試驗室環(huán)境下對魚雷自導系統(tǒng)進行研究與測試所必需的關(guān)鍵設(shè)備, 它從仿真角度通過對魚雷水下工作環(huán)境與目標聲學特性進行模擬, 為魚雷自導系統(tǒng)提供自導基陣陣元接收信號, 使得在試驗室中達到自導系統(tǒng)研究與測試的目的。目標模擬器的開發(fā)研究首先需要進行的重要工作是對水聲環(huán)境、目標聲學特性、換能器基陣特性建立數(shù)學模型, 所建立的數(shù)學模型是否準確地反映魚雷工作的物理環(huán)境, 是決定著目標模擬器有效性的關(guān)鍵, 也直接影響到魚雷自導系統(tǒng)的研究與性能測試結(jié)果。

現(xiàn)有的大部分水下目標環(huán)境模擬器[1-4]僅通過對水聲環(huán)境與目標聲特性建立數(shù)學/仿真模型來模擬海洋環(huán)境與目標信號, 避開換能器基陣, 其結(jié)果無法體現(xiàn)聲學部件特性, 從而影響魚雷自導/聲納系統(tǒng)研究或測試結(jié)果的置信度, 更無法檢驗包括聲學基陣在內(nèi)的魚雷自導頭/聲納全系統(tǒng)。

鑒于此, 本文針對魚雷自導目標, 研究基于聲對接方式的魚雷自導目標模擬器, 將與魚雷自導換能器基陣對應(yīng)的聲對接基陣物理設(shè)備引入目標模擬器中, 構(gòu)成含聲對接陣的目標/環(huán)境模擬半實物系統(tǒng), 通過聲對接基陣將數(shù)字設(shè)備產(chǎn)生的基陣陣元接收信號在陸上試驗室環(huán)境中以聲耦合方式為魚雷自導頭提供物理激勵, 模擬魚雷自導的水下試驗平臺環(huán)境, 具有很好的應(yīng)用價值。

1 魚雷自導聲對接式目標模擬器

魚雷自導聲對接式目標模擬器主要由陣元信號模擬器與聲對接裝置兩大部分組成, 具備自導基陣陣元接收信號的模擬與聲信號的對接兩大功能, 其中聲對接裝置包括聲對接基陣與聲匹配材料。聲對接式目標模擬器的組成以及與魚雷自導頭對接示意, 見圖1。

圖1 聲對接式目標模擬器組成框圖

2 陣元信號模擬器設(shè)計

對于魚雷自導聲對接式目標模擬器, 其大數(shù)據(jù)量與大運算量的特點決定了在設(shè)計時首先要保證它是一個實時系統(tǒng), 能夠?qū)崟r產(chǎn)生多路陣元域信號, 以實時地給魚雷自導頭提供物理激勵。因此, 陣元信號模擬器采用具有多個高速數(shù)字信號處理器(digital signal processor, DSP)的并行處理系統(tǒng)作為陣元信號實時產(chǎn)生的硬件平臺。

圖2是陣元信號模擬器并行處理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。工控機的主控板是并行處理系統(tǒng)的管理中心, 完成系統(tǒng)的任務(wù)動態(tài)調(diào)度與控制。數(shù)字信號處理板與D/A板是系統(tǒng)的信號處理中心, 實現(xiàn)陣元信號實時生成的任務(wù)。

圖2 陣元信號模擬器硬件結(jié)構(gòu)圖

數(shù)字信號處理板基于緊湊型外設(shè)組件互連(compact peripheral component interconnect, CPCI)總線的體系架構(gòu), 采用分布式耦合結(jié)構(gòu), 8片ADSP-TS201S處理器間通過鏈路口構(gòu)成陣列式互連結(jié)構(gòu)。每片DSP外接1片256 MB的同步動態(tài)隨機存儲器(synchronous dynamic random access memory, SDRAM), 可用于大容量數(shù)據(jù)的高速存儲。主機與DSP之間的通信通過66 MHz/64bit CPCI總線, 經(jīng)由外設(shè)組件互連(peripheral component interconnect, PCI)接口芯片協(xié)調(diào)完成。DSP間通過鏈路口進行數(shù)據(jù)交互。圖中FPGA(field programmable gate array)即現(xiàn)場可編程門陣列。

D/A板采用PCI接口方式, 可實現(xiàn)多路通道的同步輸出。板上TS201S處理器與主控板1號DSP相連, 通過鏈路口進行數(shù)據(jù)通信, 負責8片D/A轉(zhuǎn)換器的初始化與讀寫操作, 控制D/A轉(zhuǎn)換器輸出模擬信號。

3 聲對接裝置設(shè)計

聲對接裝置的主要功能是將陣元信號模擬器產(chǎn)生的陣元域模擬電信號通過聲對接裝置中的對接基陣轉(zhuǎn)換為聲信號, 以聲耦合方式為魚雷自導頭基陣陣元提供一對一的物理激勵, 是聲對接式目標模擬器實現(xiàn)水下工作環(huán)境的關(guān)鍵部件。

3.1 聲對接基陣

由于聲對接基陣是為自導頭基陣提供一對一的物理激勵, 且自導頭基陣已定型, 因此在設(shè)計與其配套的聲對接基陣時首先按照自導頭基陣的陣元排列方式布陣并硫化定型, 對接陣陣元以點對點的方式對自導頭基陣注入聲信號, 且與自導頭基陣陣元一一對應(yīng)地形成各自獨立的聲信道, 產(chǎn)生垂直入射到自導頭基陣的平面波信號。

為了保證聲對接基陣與自導頭基陣可靠對接并正確耦合, 將對接基陣與自導頭基陣通過支撐架固定好, 頂緊裝置將對接基陣加壓緊固。圖3給出聲對接裝置的裝配示意圖。為了確保聲耦合處于最佳狀態(tài), 除了聲對接基陣輻射面與自導頭基陣接收面之間有一定的均勻壓力分布外, 聲對接基陣在硫化時需對輻射表面線型進行控制, 采用二次硫化的工藝技術(shù)確保硫化后的基陣表面光滑平整[5], 從而使得對接陣輻射面與自導頭接收面對接時均勻接觸, 有利于充分耦合。

為了減小陣元間交叉耦合引起的自導頭基陣接收信號失真等影響, 研制對接基陣時首先保證與自導頭基陣完全共形, 對接基陣換能器與自導頭基陣對應(yīng)換能器點對點準確定位, 嚴格控制兩者的對接位置偏差; 其次對接換能器采用小尺寸輻射面換能器[6], 最大程度上減小對接陣陣元與自導頭基陣陣元間的交叉耦合與相互作用。

圖3 聲對接裝置裝配示意圖

3.2 聲對接換能器陣元

聲對接換能器采用與自導頭基陣換能器同類型的縱振復合棒換能器, 材料選用PTZ-4壓電陶瓷, 發(fā)射帶寬滿足針對魚雷自導目標信號的頻帶要求, 涵蓋自導頭工作頻段, 且在帶寬內(nèi)具有平坦的發(fā)射響應(yīng)。

3.3 聲匹配材料

對于聲匹配材料的選擇, 首先考慮其聲阻抗率, 為了在空氣環(huán)境下模擬海水環(huán)境, 聲匹配材料的聲阻抗率要與海水的聲阻抗率相一致。其次, 要考慮匹配材料的厚度, 適宜的厚度既能保證正確的聲耦合, 還能在陣元間對接加壓時起到緩沖作用。

3.3.1 聲匹配材料的聲阻抗

通常, 水聲換能器基陣的透聲膜選用與海水特性阻抗非常接近的聚氨酯橡膠[5], 因此在選擇聲匹配材料時應(yīng)考慮與透聲膜特性阻抗相近的透聲橡膠, 達到介質(zhì)間的阻抗匹配, 同時要求匹配材料密度均勻, 無雜質(zhì)。

3.3.2 聲匹配材料的厚度

即

同時, 匹配層厚度還應(yīng)滿足

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果

4.1 聲對接陣測試

在陸上環(huán)境中對研制出的聲對接陣進行了性能測試。將聲對接陣與自導頭基陣對接加壓固定好后, 在聲對接陣陣元端加峰峰值為10 V的發(fā)射信號, 測量自導頭基陣對應(yīng)位置陣元通過聲耦合得到的接收響應(yīng), 測量的部分結(jié)果如表1所示。

表1 自導頭基陣部分陣元的接收響應(yīng)

Table 1 Receiving responses of torpedo homer array elements

由表1可以看出, 由對接陣通過聲耦合方式得到的自導頭基陣陣元端接收響應(yīng)具有較好的一致性, 能夠滿足實際系統(tǒng)的對接需求。

4.2 陣元域信號產(chǎn)生與檢驗

利用自導頭對聲對接式目標模擬器產(chǎn)生的陣元域信號進行了靜態(tài)開環(huán)檢驗。圖4為主動自導工作方式下聲對接式目標模擬器產(chǎn)生的陣元信號波形圖。由于聲對接陣的陣元數(shù)較多且數(shù)據(jù)量大, 考慮到系統(tǒng)實時性, 在陣元信號模擬器上顯示陣元信號波形時僅顯示前4路陣元信號波形, 并對陣元信號數(shù)據(jù)按照一定比例進行抽取顯示。

圖4 聲對接式目標模擬器陣元信號波形圖

由圖4可以看出, 陣元信號波形中首先到達的是混響信號, 緊接著是目標回波信號。根據(jù)目標與魚雷的位置坐標: 目標(-1 736.08 m,-5 m,-6 352.29 m), 魚雷(-1 505.68 m,-9.56 m,-5 886.81 m),解算出的目標相對于魚雷的水平方位角為4.63°, 垂直方位角為0.50°, 雷目距離為519.4 m。根據(jù)目標航速航向與魚雷航速航向, 解算出的目標與魚雷的相對徑向速度為43.34 kn。魚雷自導頭對由對接陣耦合到基陣陣元信號進行自導信號處理, 得到自導估計出的目標參數(shù)為: 水平方位角為2.24°, 垂直方位角為-0.29°, 雷目距離為533.76 m, 相對速度為37.15 kn。結(jié)合自導估計結(jié)果, 并考慮到自導估計的誤差性, 可以得出，聲對接式目標模擬器產(chǎn)生的陣元信號能夠正確反映目標信息, 驗證了以聲耦合方式為自導頭基陣提供激勵的可行性與有效性。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計并實現(xiàn)的聲對接式目標模擬器克服了對換能器基陣聲學部件進行建模的不精確所帶來的影響, 彌補了傳統(tǒng)目標模擬器無法對魚雷自導頭基陣進行測試的不足, 在陸上試驗室條件下即可完成自導性能研究和測試工作, 提高仿真精確度的同時大大節(jié)省了試驗費用。

通過添加網(wǎng)絡(luò)接口單元, 聲對接式目標模擬器可作為單獨的仿真成員加入到其他水聲仿真系統(tǒng)中, 構(gòu)成水聲環(huán)境半實物仿真系統(tǒng), 而且單獨提取陣元信號模擬器部件即可完成半實物仿真到數(shù)字仿真的轉(zhuǎn)換, 具有很好的可移植性。

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Design and Implementation of Target Simulator with Acoustic Coupling for Torpedo Homing System

YANG Zhan-long, CHEN Hang, WANG Xin-hong, QI Qian

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi￠an 710072, China)

Mostexisting underwater target simulators for sonar and torpedo homing system were designed without considering the characteristics of transducer array for signal receiving. To test comprehensively the performance of torpedo homing system in laboratory, we designed and implemented a target simulator with acoustic coupling, including the array element signal simulator and acoustic coupling device. This paper introduces the architecture and functions of the target simulator with acoustic coupling, the hardware platform development of a multi-DSP parallel processing system, the designs of acoustic coupling array and transducer array elements, and the selection of acoustic coupling material. The performance test for the developed target simulator was conducted and the coupled element signals were tested with the existing torpedo homing system. The results verify the feasibility and effectiveness of the target simulator with acoustic coupling. This target simulator can overcome the influence of inexactly modelling transducer array, and reduce the number of underwater tests for torpedo homing system.

torpedo homing system; target simulator; acoustic coupling array; digital signal processor (DSP); parallel processing

TJ630.34; TP391.9

A

1673-1948(2011)04-0263-05

2011-01-16;

2011-03-07.

楊占龍(1976-), 男, 博士后, 研究方向為魚雷自導信號與信息處理.

(責任編輯: 楊力軍)