水下網(wǎng)絡(luò)化綜合試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)研究

段文海 崔國(guó)平 付傳寶

（昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心，昆明，650051）

隨著水下航行器及其技術(shù)的發(fā)展，新型水下航行器的實(shí)航試驗(yàn)具有強(qiáng)綜合、多參量、高精密等共同特點(diǎn)，從而對(duì)水下綜合試驗(yàn)測(cè)試能力提出了更高的要求。而現(xiàn)有系統(tǒng)一般采用分布式獨(dú)立測(cè)試模式，即不同測(cè)試任務(wù)由相應(yīng)系統(tǒng)獨(dú)立完成，因此，急需研究形成多組態(tài)試驗(yàn)測(cè)試能力，提高并發(fā)展信息化集成條件下的水下航行器航跡跟蹤、輻射噪聲測(cè)量、實(shí)航參數(shù)遙測(cè)、實(shí)時(shí)水聲遙控以及對(duì)水下航行器打撈潛器的水聲語(yǔ)音通訊與導(dǎo)航控制。結(jié)合上述應(yīng)用需求，本文提出并研制了一種基于光纖網(wǎng)絡(luò)的水下綜合試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多科目實(shí)航試驗(yàn)及多參量集中測(cè)試，進(jìn)一步提高了水下綜合試驗(yàn)與測(cè)試能力。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)組成

水下網(wǎng)絡(luò)化綜合試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)主要由濕端和干端兩大部分組成（組成框圖如圖1所示、結(jié)構(gòu)框圖如圖 2所示）。濕端系統(tǒng)主要包括光電復(fù)合纜、水下基站等單元；座底的水下基站（部分測(cè)量浮筒可根據(jù)需要進(jìn)行升降）由光電復(fù)合纜串行連接，布放于試驗(yàn)水域一定深度，形成一個(gè)孔徑幾公里的長(zhǎng)基線“口”字陣，是水聲跟蹤、噪聲測(cè)量、水聲遙測(cè)、水聲遙控、水聲通訊、水文測(cè)量的水下共用基陣。干端系統(tǒng)主要包括網(wǎng)絡(luò)控制、同步跟蹤、噪聲測(cè)量、水聲遙測(cè)、水聲遙控、水聲通訊、水文測(cè)量等單元，置于岸上機(jī)房?jī)?nèi)，以網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備為中心進(jìn)行并行連接，各項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)試單元既可獨(dú)立運(yùn)行，也可聯(lián)合工作。此外，水聲跟蹤發(fā)射機(jī)、水聲遙測(cè)發(fā)射機(jī)、水聲遙控接收機(jī)、水聲通訊收發(fā)機(jī)則分別裝載在水下航行器上，并與相應(yīng)系統(tǒng)配合工作。

1.2 系統(tǒng)工作原理

水下網(wǎng)絡(luò)化綜合試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)主要功能包括：水下多目標(biāo)航跡跟蹤、航行輻射噪聲測(cè)量、航行參數(shù)水聲遙測(cè)、中低速目標(biāo)水聲遙控、對(duì)潛器水聲語(yǔ)音通訊、水文參數(shù)測(cè)量等，其工作原理為：

● 試驗(yàn)前，通過可升降的水下基站水文參數(shù)傳感單元獲取不同深度的水溫、聲速等水文信息，建立主要試驗(yàn)水域在不同時(shí)段、不同工況條件下的典型水文信息庫(kù)；

● 試驗(yàn)中，①通過水下基站水聲信號(hào)接收單元實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)的航行航跡跟蹤、航行輻射噪聲測(cè)量、航行參數(shù)信息實(shí)時(shí)水聲遙測(cè)、航行噪聲監(jiān)視監(jiān)聽；②通過水下基站水聲信號(hào)發(fā)射單元實(shí)現(xiàn)對(duì)水下航行器的水聲遙控、對(duì)水下機(jī)動(dòng)目標(biāo)（潛器等）的水聲語(yǔ)音通訊；

● 試驗(yàn)后，系統(tǒng)綜合集成各種試驗(yàn)測(cè)試信息，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程反演、試驗(yàn)結(jié)果輸出及試驗(yàn)效果評(píng)估。

圖1 水下網(wǎng)絡(luò)化綜合試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)組成圖

圖2 水下網(wǎng)絡(luò)化綜合試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 主要關(guān)鍵技術(shù)及解決方案

2.1 多源水下信息融合及網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)[1]

系統(tǒng)所涉及的水下網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)形式多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括：①單向接收：水聲跟蹤、噪聲測(cè)量、水聲遙測(cè)、水文測(cè)量等信號(hào)；②單向發(fā)射：水聲遙控等信號(hào)；③雙向收發(fā)：水聲通訊等信號(hào)；④雙向網(wǎng)絡(luò)控制等信號(hào)。針對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以水下光纖網(wǎng)絡(luò)為主的特點(diǎn)，綜合各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所連接信息的多源異構(gòu)性，對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類信息融合，并利用波分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用原理，結(jié)合光纖通道全同步傳輸技術(shù)，采用一對(duì)多數(shù)據(jù)傳輸形式的多節(jié)點(diǎn)單纜雙路單模光纖雙向傳輸方法，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、信息共享與水下網(wǎng)絡(luò)的有效運(yùn)行控制。

網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備是水下光纖網(wǎng)絡(luò)的管理單元，置于岸上機(jī)房?jī)?nèi)，通過光電復(fù)合纜與水下基站連接，并與水下基站內(nèi)的水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊配合，構(gòu)建雙環(huán)自愈型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與岸上測(cè)試設(shè)備之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸（如圖3示）：

● 設(shè)置路由，進(jìn)行水下光纖網(wǎng)絡(luò)自檢、故障定位；

● 通過光纖網(wǎng)絡(luò)向上傳輸由水下基站處理過的水聲跟蹤、水聲遙測(cè)、噪聲測(cè)量、水聲通訊等接收信號(hào)，并傳輸給岸上測(cè)量設(shè)備；

● 通過光纖網(wǎng)絡(luò)向水下基站傳遞水聲通訊、水聲遙控等發(fā)射信號(hào)；

● 通過光纖網(wǎng)絡(luò)向水下基站發(fā)送深度等測(cè)量命令，并回傳測(cè)量值；

● 通過光纖網(wǎng)絡(luò)向升降式水下基站發(fā)送測(cè)量平臺(tái)升降命令及噪聲、深度、水溫、聲速等測(cè)量命令，并回傳測(cè)量值。

圖3 水下網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.2 多目標(biāo)高精度長(zhǎng)基線水聲跟蹤與實(shí)時(shí)水聲遙測(cè)技術(shù)[2-3]

水聲跟蹤及水聲遙測(cè)分系統(tǒng)主要由水聲跟蹤及水聲遙測(cè)發(fā)射機(jī)（裝載于水下航行器上）、水下基站、光電復(fù)合纜、網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備、水聲跟蹤及水聲遙測(cè)設(shè)備等組成。

水聲跟蹤及水聲遙測(cè)發(fā)射機(jī)在經(jīng) GPS同步信號(hào)作用下，實(shí)時(shí)采集航行目標(biāo)俯仰、橫滾、航深等信息，并進(jìn)行實(shí)時(shí)編碼，周期性地產(chǎn)生航跡跟蹤及姿態(tài)參數(shù)聯(lián)合測(cè)量的水聲信號(hào)。

同步跟蹤及水聲遙測(cè)設(shè)備主要采用同步定位原理、MFSK水聲遙測(cè)原理，并結(jié)合水下基陣精確定位、航跡跟蹤與航行參數(shù)聯(lián)合測(cè)量信號(hào)體制優(yōu)化設(shè)計(jì)、新型傳感器開發(fā)、異地信號(hào)同步采集及實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸、寬頻帶信號(hào)精確檢測(cè)、多目標(biāo)頻分識(shí)別、多普勒頻移精確估計(jì)及補(bǔ)償、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)及平滑濾波等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)航行航跡、航行參數(shù)的同時(shí)測(cè)量：由至少 3個(gè)以上水下基站組成的測(cè)量基陣接收被測(cè)目標(biāo)上發(fā)射的航跡跟蹤及航行參數(shù)聯(lián)合測(cè)量的水聲信號(hào)，并把調(diào)理過的信號(hào)經(jīng)水下光纖網(wǎng)絡(luò)送給DSP數(shù)字信號(hào)處理分機(jī)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)、時(shí)延測(cè)量、信息解碼等處理，PC信號(hào)處理分機(jī)則進(jìn)行航跡解算、姿態(tài)參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)融合及結(jié)果顯示等處理，最終得到測(cè)量目標(biāo)的實(shí)航航跡及航行參數(shù)信息。

2.3 高靈敏度噪聲測(cè)量技術(shù)

噪聲測(cè)量分系統(tǒng)主要由可升降的水下基站、網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備、噪聲測(cè)量設(shè)備等組成，采用了高靈敏度水聽器設(shè)計(jì)、低噪聲前放及差分傳輸、低噪音電纜設(shè)計(jì)、數(shù)字化遠(yuǎn)距離光纖傳輸、軟件式同步測(cè)距等技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)航行輻射噪聲的精確測(cè)量。

輻射噪聲測(cè)量時(shí)，根據(jù)水下目標(biāo)的航行深度及輻射噪聲經(jīng)驗(yàn)值，通過升降裝置將測(cè)試平臺(tái)調(diào)整至適當(dāng)深度；測(cè)量系統(tǒng)通過水下基站的接收水聽器實(shí)時(shí)接收、存儲(chǔ)被測(cè)目標(biāo)航行時(shí)的輻射噪聲信號(hào)；進(jìn)行試后回放、分析與處理（距離測(cè)量采用軟件式同步測(cè)距方法，噪聲信號(hào)分析采用專用的分析軟件）。

環(huán)境噪聲測(cè)量時(shí)，根據(jù)需要測(cè)量的深度，通過升降裝置將測(cè)試平臺(tái)調(diào)整至相應(yīng)深度；測(cè)量系統(tǒng)通過水下基站的接收水聽器實(shí)時(shí)接收存儲(chǔ)環(huán)境噪聲信號(hào)，并進(jìn)行試后回放、分析與處理。

2.4 水下航行器實(shí)時(shí)水聲遙控技術(shù)

水聲遙控分系統(tǒng)主要由水聲遙控接收設(shè)備（裝載于水下航行器上）、水下基站、水聲遙控設(shè)備等組成。

水聲遙控設(shè)備實(shí)時(shí)接收啟動(dòng)、停車、上浮指定深度、下潛指定深度、設(shè)定航行速度、改變航行方向等指令，對(duì)指令進(jìn)行編碼、調(diào)制、D/A轉(zhuǎn)換等處理，并把遙控信號(hào)通過水下光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸給任一水下基站的功率放大器，經(jīng)由發(fā)射換能器轉(zhuǎn)換為水聲遙控編碼信號(hào)。

水聲遙控接收設(shè)備采用隔振式高靈敏度接收水聽器基陣設(shè)計(jì)、水聲遙控信息實(shí)時(shí)解碼、多普勒頻移精確估計(jì)及補(bǔ)償、動(dòng)基座抗干擾微信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)航行狀態(tài)的實(shí)時(shí)遙控。接收水下基站發(fā)射的水聲遙控編碼信號(hào)，并實(shí)時(shí)解算出水聲遙控指令信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下航行器的操控。

2.5 水下機(jī)動(dòng)目標(biāo)高保真水聲通訊技術(shù)[4]

水聲通訊分系統(tǒng)主要由水聲通訊收發(fā)機(jī)（裝載于水下航行器上）、水下基站、水聲通訊設(shè)備等組成，其工作原理為：利用任一水下基站內(nèi)的發(fā)射換能器發(fā)射語(yǔ)音通訊編碼信號(hào)，安裝在航行器上的水聲通訊收發(fā)機(jī)接收、處理，并應(yīng)答；而應(yīng)答信號(hào)則被任一水下基站內(nèi)的接收水聽器接收、處理，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)水下航行器雙向的語(yǔ)音水聲通訊。

水聲通訊系統(tǒng)主要由發(fā)射系統(tǒng)、水聲信道、接收系統(tǒng)三個(gè)部分組成：

● 發(fā)射系統(tǒng)：用適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎ㄈ缭捦玻言颊Z(yǔ)音信息轉(zhuǎn)變成電信號(hào)送入信源編碼器；信源編碼器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行A/D變換，并完成語(yǔ)音壓縮功能，形成低碼率的數(shù)字信號(hào)；對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男诺谰幋a（如卷積編碼、RS編碼等），增加信號(hào)的冗余度，使具有檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力；根據(jù)水聲信道的特點(diǎn)和要求把信道編碼后的信號(hào)以適當(dāng)?shù)姆绞秸{(diào)制到一定頻率的載波上（如 OFDM 調(diào)制等）；最后送往發(fā)射機(jī)，經(jīng)由發(fā)射換能器轉(zhuǎn)化為水聲通訊信號(hào)；

● 水聲信道：進(jìn)行水聲通訊信號(hào)的傳輸；

● 接收系統(tǒng)：信號(hào)處理過程基本與發(fā)射系統(tǒng)一一對(duì)應(yīng)，是一個(gè)相反的過程，即：接收信號(hào)的預(yù)處理（放大、濾波、AD采樣），信號(hào)解調(diào)，信道解碼和語(yǔ)音壓縮解碼；最后重建原始語(yǔ)音信號(hào)。

3 系統(tǒng)典型應(yīng)用

3.1 水下航行器實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)試

研制的水下綜合試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的性能指標(biāo)，并已投入到多型水下航行器的航跡跟蹤等試驗(yàn)，取得了較好的應(yīng)用效果。圖4為利用水下兩組基站對(duì)水下航行器的水聲跟蹤航跡圖。水平跟蹤誤差采用與GPS比對(duì)的方法，見表1，從表中可以看出水平定位誤差可達(dá)到0.3%以內(nèi)，可以滿足多數(shù)水下航行器的定位精度需求。

圖4 水下航行器實(shí)航跟蹤測(cè)試圖

表1 水平跟蹤誤差與DGPS值比對(duì)表

3.2 沉底航行器搜索與打撈試驗(yàn)

對(duì)沉底航行器打撈潛器的水聲語(yǔ)音通訊與導(dǎo)航控制方案如圖5所示。

圖5 沉底航行器搜索與打撈方案圖

沉底航行器由于水底地況復(fù)雜等原因，定位范圍有所縮小，但水平定位精度不變，也在0.3%以內(nèi)。航行器實(shí)航試驗(yàn)中，利用水聲跟蹤分系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行跟蹤定位；當(dāng)航行器故障沉底后，跟蹤并確定航行器所在位置；沉底航行器打撈時(shí)，利用水聲通訊分系統(tǒng)建立與潛器的語(yǔ)音通訊，指揮潛器快速靠近沉底航行器進(jìn)行打撈回收作業(yè)，快捷準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語(yǔ)

水下綜合試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)及其系統(tǒng)可直接服務(wù)于各種水下航行器的實(shí)航試驗(yàn)，既能實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)的實(shí)航航跡跟蹤與輻射噪聲測(cè)量、實(shí)航參數(shù)水聲遙測(cè)，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)水下航行器的水聲遙控、對(duì)沉底航行器打撈潛器的水聲語(yǔ)音通訊與導(dǎo)航。與此同時(shí)，基于水下光纖網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，直接在岸上機(jī)房?jī)?nèi)就可實(shí)現(xiàn)全天候的試驗(yàn)測(cè)試，既提高了效率，又降低了成本。

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