基于回波的單路探測(cè)雙波發(fā)射動(dòng)態(tài)控制方法

譚菊琴，李文鵬，陳荷娟

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

0 引言

主動(dòng)超聲探測(cè)技術(shù)是現(xiàn)代水中彈藥近炸引信常用的技術(shù)之一，它依據(jù)目標(biāo)返回的回波和目標(biāo)聲輻射特性實(shí)現(xiàn)目標(biāo)精確定位，是實(shí)施精確打擊的一種有效手段。當(dāng)引信由彈藥系統(tǒng)直接投送到目標(biāo)區(qū)域，理想情況下，引信主動(dòng)式聲近感裝置只需發(fā)射一種周期固定的恒定載頻（constant frequency，簡(jiǎn)稱CF）脈沖信號(hào)，因信號(hào)簡(jiǎn)單，通過判斷回波有無(wú)就可實(shí)現(xiàn)“發(fā)現(xiàn)”目標(biāo)的功能。當(dāng)前，多數(shù)超聲目標(biāo)探測(cè)器已經(jīng)具備這種“發(fā)現(xiàn)”功能。但是，對(duì)于水中彈藥近炸引信來(lái)說，實(shí)際工作環(huán)境復(fù)雜，存在各種干擾（如海洋環(huán)境、艦船噪聲、鄰彈干擾等），實(shí)際上，從回波不能識(shí)別是探測(cè)器自身發(fā)射信號(hào)經(jīng)目標(biāo)反射的回波，還是其他物體（非攻擊目標(biāo)）反射的回波，從而會(huì)帶來(lái)引信的誤判斷和誤動(dòng)作。解決這一問題的根本途徑是要抑制干擾，提高引信對(duì)目標(biāo)信息的獲取水平。

關(guān)于引信主動(dòng)探測(cè)的定位與目標(biāo)識(shí)別研究中，多數(shù)研究集中于發(fā)射波形設(shè)計(jì)［1－3］和接收信號(hào)處理方法［4］。如文獻(xiàn)［1—2］研究了窄帶條件下調(diào)制信號(hào)探測(cè)性能，文獻(xiàn)［3］研究了寬帶條件下調(diào)制信號(hào)探測(cè)性能。上世紀(jì)九十年代末，南京理工大學(xué)陳荷娟、石建，提出了區(qū)分鄰彈和目標(biāo)的多普勒頻偏控制方法［4］。為提高抗鄰彈干擾，文獻(xiàn)［5］在此研究基礎(chǔ)上，提出了雙門控制方法，解決了多普勒頻偏法不能確認(rèn)收到的回波是自身發(fā)射信號(hào)經(jīng)目標(biāo)反射的回波，還是其他探測(cè)器經(jīng)目標(biāo)反射的回波的問題。但是，現(xiàn)階段主動(dòng)聲近炸引信的發(fā)射系統(tǒng)是采用單體制固定發(fā)射周期進(jìn)行信號(hào)發(fā)射控制的，這種探測(cè)機(jī)制易丟失目標(biāo)。因此，本文提出基于回波的單路超聲探測(cè)雙波發(fā)射控制策略。

1 雙門控制法的控制特征

雙門控制法的控制特征如圖1所示。圖1中s（t）是發(fā)射信號(hào)；r（t）是回波信號(hào)；g（t）是回波信號(hào)經(jīng)接收電路處理后的輸出信號(hào)，即控制器輸入信號(hào)，g（t）＝0表示未收到回波，否則，g（t）＝1；d（t）為雙門控制信號(hào)；τp1為信號(hào)脈寬；B為第一個(gè)控制門的最大門寬，τh為其延遲開門時(shí)間；Bk為第二個(gè)控制門的最大門寬；T是探測(cè)周期，從控制器開始工作到下一次開啟時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間，T＝T1＋T2。為降低近距離體積混響，提高抗干擾的能力，只允許控制門內(nèi)接收信號(hào)。

圖1 雙門控制法Fig.1 Double－gate control method

見圖1，若t＝τm1，且第一個(gè)控制門d（t）＝1（τh＜t＜ （τh＋B））時(shí)，r（t）中出現(xiàn)信號(hào)CF／，即r（t）≠0，對(duì)應(yīng)g（t）≠0，說明有物體出現(xiàn)，則在t＝τ1＝τm1＋τp1（假設(shè)為理想信道）時(shí)，立即使d（t）由“1”變?yōu)椤?”，停止接收r（t）信號(hào)。為了確認(rèn)信號(hào)CF′的性質(zhì)，在關(guān)閉第一個(gè)控制門時(shí)，發(fā)射第2個(gè)CF信號(hào)。接著，在上次出現(xiàn)CF′信號(hào)前Bk／2時(shí)，開啟第二個(gè)控制門，此時(shí)，d（t）由“0”變?yōu)椤?”。若在τk1＜t＜ （τk1＋Bk）內(nèi)，沒有出現(xiàn)回波CF′，如圖1（a），則說明第1次接收到的回波是非目標(biāo)信號(hào)，可認(rèn)為是干擾信號(hào)。如果第一個(gè)控制門內(nèi)出現(xiàn)的是目標(biāo)回波信號(hào)，只要t＜（1／2）T，在接下來(lái)的第二個(gè)控制門就會(huì)再次接收到回波CF′，見圖1（b）。因此，第一個(gè)控制門具有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的功能，故稱作“發(fā)現(xiàn)門”；第二個(gè)控制門具有確認(rèn)目標(biāo)的功能，故稱作“確認(rèn)門”。從圖中可知，門寬B、Bk受回波控制，且門寬B上限值不超過（T－τh）。

圖1（a）所示s1（t）、g1（t）表達(dá)式為：

式中，uCF（t）為矩形包絡(luò)CF恒頻脈沖信號(hào)，f0是載波頻率，rect（·）為矩形函數(shù)；n為整數(shù)：1，2，…，N。

圖1（b）所示s2（t）、g2（t）表達(dá)式為

雖然，雙門控制法簡(jiǎn)單、有抗干擾能力，但是，探測(cè)周期T固定，會(huì)影響探測(cè)器的響應(yīng)。另外，它針對(duì)的是單波信號(hào)的發(fā)射控制，該探測(cè)體制無(wú)法獲取更多目標(biāo)特征信息。

蝙蝠不同的捕食行為具有特定捕食策略，它在捕食獵物時(shí)，按搜索、捕捉和結(jié)束三個(gè)階段，實(shí)施捕食行為，其發(fā)射波形可根據(jù)捕食行為、目標(biāo)距離自適應(yīng)地調(diào)整。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，有一種發(fā)射CF－FM波形的蝙蝠，它們?cè)谒阉麟A段發(fā)射長(zhǎng)周期含CF成份的超聲波，一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，立即改發(fā)含F(xiàn)M成份的超聲波，以求獲得目標(biāo)精細(xì)信息，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別；隨著與目標(biāo)的接近，還會(huì)逐漸減少脈寬、發(fā)射周期，保持對(duì)目標(biāo)的追蹤［6－7］。

2 基于回波單路探測(cè)的雙波發(fā)射動(dòng)態(tài)控制方法

本文在雙門控制信號(hào)基礎(chǔ)上，借鑒蝙蝠回聲定位信號(hào)的發(fā)射控制策略，提出一種新的控制策略，旨在最大探測(cè)距離內(nèi)，基于回波信息控制恒頻、調(diào)頻兩種超聲波形發(fā)射的自動(dòng)切換。

2.1 仿蝙蝠超聲探測(cè)的雙波發(fā)射動(dòng)態(tài)控制原理

仿蝙蝠超聲探測(cè)雙波發(fā)射動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，它主要由信號(hào)發(fā)生器、發(fā)射控制電路、發(fā)射電路、接收處理電路和水聲換能器組成。發(fā)射控制電路在電源控制下啟動(dòng)，控制信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生CF脈沖信號(hào)，經(jīng)發(fā)射電路，由水聲換能器1向水中發(fā)射超聲波，探測(cè)器開始搜索目標(biāo)。延時(shí)一段時(shí)間后，關(guān)閉發(fā)射系統(tǒng)，打開接收處理電路。若在信號(hào)發(fā)送接收最大探測(cè)周期Tmax內(nèi)，換能器2未接收到r（t）信號(hào)（即r（t）＝0），或經(jīng)判斷無(wú)目標(biāo)存在，則繼續(xù)發(fā)CF超聲波。若目標(biāo)存在，且Tmax＞T＞Tmin（Tmin對(duì)應(yīng)最小探測(cè)距離）時(shí)，發(fā)FM 超聲波；T≤Tmin，立即輸出起爆信號(hào)。

圖2 雙波發(fā)射控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of dual－wave emission control system

2.2 基于回波單路探測(cè)雙波發(fā)射動(dòng)態(tài)控制策略

控制策略如圖3所示，設(shè)m（t）是控制信號(hào)；E（t）為起爆控制信號(hào)，若E（t）＝0表示不輸出起爆指令，E（t）＝1表示輸出起爆指令。

策略一：如圖3（a）所示，打開“發(fā)現(xiàn)門”直至t＝Tmax，r1（t）＝0，做出“無(wú)目標(biāo)”決策，不輸出起爆指令，即E（t）＝0。在下一個(gè)探測(cè)周期，繼續(xù)發(fā)射CF脈沖信號(hào)搜尋目標(biāo)。此時(shí)，對(duì)應(yīng)的發(fā)射信號(hào)s1（t）表達(dá)式為

策略二：見圖3（b），r1（t）＝CF′，做出“有物體”決策，同時(shí)發(fā)射第2個(gè)CF脈沖信號(hào)，延時(shí)T1－Bk／2［5］，打開“確認(rèn)門”允許接收r2（t）信號(hào)，直至“確認(rèn)門”達(dá)到最大門寬Bk，r2（t）＝0，做出“無(wú)目標(biāo)”決策，令E（t）＝0。在下一個(gè)探測(cè)周期，繼續(xù)發(fā)射CF脈沖信號(hào)。此時(shí)，s2（t）為

策略三：見圖3（c），若r1（t）＝CF′，且在“確認(rèn)門”的門寬為Bk1（Bk1＜Bk）時(shí)，有r2（t）＝CF′，T2＞Tmin，則做出“有目標(biāo)”決策，令E（t）＝0，同時(shí)改發(fā)FM脈沖信號(hào)。延時(shí)T2－Bk／2，打開第三個(gè)門（稱“跟蹤門”），跟蹤目標(biāo)?！案欓T”內(nèi)r3（t）＝0，說明無(wú)跟蹤目標(biāo)，做出“無(wú)目標(biāo)”決策，令E（t）＝0，同時(shí)改發(fā)CF信號(hào)，重新搜尋目標(biāo)。此時(shí)，s3（t）為

式中，uFM（t）是矩形包絡(luò)三角LFM脈沖信號(hào)，表達(dá)式為：

式中，u1（t）＝ejπMt2（0＜t＜τp2／2），u2（t）＝ 1／u1（t）（τp2／2＜t＜τp2），M＝B／τp2調(diào)頻斜率，B 為帶寬。

策略四：見圖3（d），“跟蹤門”內(nèi)r3（t）＝FM′，且T3＞Tmin，做出“有跟蹤目標(biāo)”決策，令E（t）＝0，繼續(xù)發(fā)射FM 信號(hào)。此時(shí)，s4（t）為

策略五：見圖3（e），當(dāng)“跟蹤門”內(nèi)r3（t）＝FM′，但T3≤Tmin，確認(rèn)攻擊“目標(biāo)”存在，輸出起爆指令，即E（t）＝1。

圖3 基于回波單路探測(cè)雙波發(fā)射動(dòng)態(tài)控制方法Fig.3 Control method for echo－based single－channel dual－wave emission system

3 仿真驗(yàn)證

設(shè)計(jì)了6個(gè)計(jì)時(shí)器，各計(jì)時(shí)器可用符號(hào)“Ji”（i＝1，…，6）表示，J1、J2、J3、J4、J5、J6分別為：信號(hào)脈寬計(jì)時(shí)器，時(shí)延計(jì)時(shí)器，信號(hào)發(fā)送接收周期計(jì)時(shí)器，“發(fā)現(xiàn)門”門寬計(jì)時(shí)器，“確認(rèn)門”門寬計(jì)時(shí)器，“跟蹤門”門寬計(jì)時(shí)器。

信號(hào)發(fā)射動(dòng)態(tài)控制方法的實(shí)現(xiàn)，本質(zhì)上就是對(duì)這6個(gè)計(jì)時(shí)器時(shí)序設(shè)計(jì)。按照上面的控制規(guī)則設(shè)置14個(gè)狀態(tài)，分別是：S0、S1、…、S13，控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如表1所示。

表1 控制器狀態(tài)表Table.1 Controller of status table

按照順序控制原則，控制器的有限狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖4所示。

圖4 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖Fig.4 State diagram

根據(jù)深彈引信的近炸作用要求，適當(dāng)?shù)倪x取延遲開門時(shí)間τh＝2.6ms，CF的脈寬τp1＝2ms、FM的脈寬τp2＝1ms，確認(rèn)、跟蹤門的最大門寬Bkmax＝3ms，信號(hào)發(fā)送接收最小周期Tmin＝19ms，最大周期Tmax＝30ms。設(shè)定：in＿pulse為回波g（t）信號(hào)輸出端；WAVE＿OUT為對(duì)應(yīng)的發(fā)射信號(hào)輸出端；exposion為起爆控制信號(hào)輸出端；open＿door為“發(fā)現(xiàn)門”；open1＿door為“確認(rèn)、跟蹤門”。

在Quartus II設(shè)計(jì)平臺(tái)中設(shè)計(jì)了基于FPGA的控制器，并利用Modelsim對(duì)控制器進(jìn)行時(shí)序仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 單路探測(cè)雙波發(fā)射動(dòng)態(tài)控制仿真Fig.5 Simulation for dynamical control of single－channel dual－wave signal emission system

圖5（a）是策略一仿真波形，顯示的是在open＿door＝1，Tmax＝30ms，沒有收到in＿pulse信號(hào)對(duì)應(yīng)的exposion及發(fā)射信號(hào)波形。

圖5（b）是策略二仿真波形。open1＿door＝1，Bkmax＝3ms時(shí)，仍未收到in＿pulse信號(hào)對(duì)應(yīng)的exposion及發(fā)射信號(hào)波形。

圖5（c）是策略三仿真波形。顯示的是目標(biāo)存在，但是在跟蹤目標(biāo)過程中，將目標(biāo)跟丟對(duì)應(yīng)的exposion及發(fā)射信號(hào)波形。

圖5（d）是策略四、五仿真波形。若控制門內(nèi)連續(xù)兩次收到in＿pulse，WAVE＿OUT就會(huì)輸出脈寬為1ms的FM脈沖；若收到兩次in＿pulse信號(hào)的時(shí)間間隔Ti≤Tmin，控制器則輸出起爆控制信號(hào)，此時(shí)，WAVE＿OUT輸出為“0”，exposion輸出1。

從圖5中還可看出，在控制門關(guān)閉時(shí)，即使有in＿pulse信號(hào)輸入，也不會(huì)使控制器誤動(dòng)作，見圖5（b）。

仿真結(jié)果表明，在發(fā)射環(huán)境開始后的近距目標(biāo)探測(cè)中，對(duì)于單路探測(cè)系統(tǒng)（用單發(fā)－單收2個(gè)換能器，或者收發(fā)共用一個(gè)換能器）來(lái)說，如果發(fā)射含有CF、FM兩種調(diào)制信號(hào)的超聲波信號(hào)，可以在設(shè)定的探測(cè)周期內(nèi)，完成發(fā)現(xiàn)、確認(rèn)目標(biāo)，并迅速做出決策，實(shí)時(shí)控制信號(hào)發(fā)射器調(diào)整發(fā)射信號(hào)和輸出起爆指令。

4 結(jié)論

本文給出了用于引信水下超聲目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)的基于回波的單路探測(cè)雙波發(fā)射動(dòng)態(tài)控制方法。該方法借鑒蝙蝠回聲定位信號(hào)的發(fā)射控制策略，設(shè)計(jì)了控制策略。發(fā)射控制系統(tǒng)可根據(jù)接收到的回波信息自動(dòng)的選擇信號(hào)發(fā)射策略，控制信號(hào)的發(fā)射時(shí)機(jī)及信號(hào)形式。仿真表明：該方法控制簡(jiǎn)單、決策迅速，實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)現(xiàn)、確認(rèn)目標(biāo)回波信號(hào)的能力，提高了系統(tǒng)抗干擾的能力。為引信目標(biāo)探測(cè)器的定位、跟蹤功能提供技術(shù)支持。設(shè)計(jì)中接收的回波信息是經(jīng)過處理的，對(duì)于回波信號(hào)的處理不是本文研究的內(nèi)容，不在此熬述。

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