兩棲裝備入艦引導(dǎo)系統(tǒng)方案研究

吳鋒, 丁晟

（1.陸軍裝甲兵學(xué)院 裝備保障與再制造系，北京 100072；2.浙江省遂昌縣人民武裝部，浙江 麗水 323300；3.中國人民解放軍31606部隊(duì)，杭州 310023）

1 兩棲裝備登艦過程中存在的問題

渡海作戰(zhàn)不可避免地涉及到兩棲作戰(zhàn)裝備的輸送問題。目前兩棲裝甲裝備的主要裝載方式是通過登陸艦在海上裝載。在渡海作戰(zhàn)的搶灘登陸前，必須由登陸艦將裝備運(yùn)送到敵方陣地前沿淺海海域，然后讓裝備自行下水，遂行登陸作戰(zhàn)任務(wù)。為了提高部隊(duì)的機(jī)動(dòng)性能和行動(dòng)的隱蔽性，兩棲裝甲裝備的登艦常常需要在夜間進(jìn)行，并不可避免地伴有風(fēng)浪和洋流的影響。因此，兩棲裝甲裝備的登艦過程是一項(xiàng)技術(shù)難度和危險(xiǎn)性很大的工作。

作為海上裝載最重要環(huán)節(jié)的登艦過程，目前基本上是靠車長指揮駕駛員通過目視判斷裝甲裝備與登陸艦間的距離與相互位置進(jìn)行登艦的，不僅自動(dòng)化程度較低，而且由于夜間照明不良和人眼觀察視野受限造成操作不當(dāng)，極易發(fā)生裝甲裝備與登陸艦相撞或碰撞的危險(xiǎn)。因此亟需一種可在惡劣海況條件下，實(shí)現(xiàn)裝甲裝備安全、可靠、高效的登艦導(dǎo)航技術(shù)和設(shè)備，提高部隊(duì)渡海作戰(zhàn)能力和反應(yīng)速度。

1.1 解決思路

為解決兩棲裝備登艦過程中存在的諸多問題，文中以兩棲裝備和裝載登陸艦為對(duì)象，綜合運(yùn)用裝備再制造升級(jí)的理論、技術(shù)和方法，升級(jí)原“兩棲裝備-登陸艦”結(jié)構(gòu)的登艦體系，增加裝備入艦導(dǎo)航模塊，增強(qiáng)裝備登艦體系的整體性能。具體來說，就是以部隊(duì)急需解決的兩棲裝備入艦導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)及導(dǎo)航系統(tǒng)為研究對(duì)象，運(yùn)用適用于兩棲裝備登艦導(dǎo)航的裝備再制造升級(jí)工程技術(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)、深入的研究，采用可靠、成熟和切合實(shí)際的工程設(shè)計(jì)和技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)兩棲裝備登艦過程的自動(dòng)化導(dǎo)引。在解決目前渡海作戰(zhàn)存在的問題上，該研究方案具有較大的軍事意義和應(yīng)用價(jià)值：

1）通過升級(jí)改造，及時(shí)將新技術(shù)、新系統(tǒng)、新設(shè)備應(yīng)用到登艦體系裝備中，在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)以較低的成本，實(shí)現(xiàn)裝備性能的突破式發(fā)展，進(jìn)一步提高裝備的兩棲作戰(zhàn)能力。

2）提高部隊(duì)在惡劣海況條件下兩棲裝備的登艦?zāi)芰Γ鉀Q以往惡劣海況無法登艦的問題。

3）解決實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練和作戰(zhàn)的夜間登艦問題，使兩棲裝甲裝備的登艦從現(xiàn)行的白天擴(kuò)展到全天候，適應(yīng)現(xiàn)代實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練和作戰(zhàn)的需求。

4）縮短常規(guī)戰(zhàn)前準(zhǔn)備時(shí)間，提高了部隊(duì)的快速反應(yīng)能力。

5）減少了每年海訓(xùn)過程中兩棲裝甲裝備的損壞率，節(jié)約了大量訓(xùn)練開支，降低了日常維護(hù)費(fèi)用。

1.2 裝備再制造升級(jí)方案

裝備再制造升級(jí)作為裝備改造的重要方式，是以原裝備為對(duì)象，綜合運(yùn)用結(jié)構(gòu)改造和功能嵌入等先進(jìn)技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)原裝備的功能提升或質(zhì)量升級(jí)。裝備再制造升級(jí)的對(duì)象是具有固定結(jié)構(gòu)的裝備，對(duì)其升級(jí)加工相對(duì)新裝備研制來說具有更大的約束度，所以對(duì)技術(shù)要求更高。通常裝備再制造升級(jí)所采用的方式主要有以下三類[1]。

1）以采用最新功能模塊替換舊模塊為特點(diǎn)的替換法。主要是直接用最新裝備上安裝的信息化功能新模塊替換廢舊裝備中的舊模塊，用于提高再制造后裝備的信息化功能，滿足當(dāng)前對(duì)裝備的信息化功能要求。

2）以局部結(jié)構(gòu)改造或增加新模塊為特點(diǎn)的改造法。主要用于增加裝備新的信息化功能以滿足功能要求。

3）以重新設(shè)計(jì)為特點(diǎn)的重構(gòu)法。主要是以最新裝備的多種功能化要求和特點(diǎn)出發(fā)，重新設(shè)計(jì)出再制造后裝備結(jié)構(gòu)及性能標(biāo)準(zhǔn)，綜合優(yōu)化裝備再制造升級(jí)方案，使得再制造后裝備性能接近或超過當(dāng)前新裝備性能。

通過對(duì)兩棲裝備入艦引導(dǎo)的需求分析，以及海上裝備入艦自然環(huán)境的限制，在原有登艦體系裝備上增加功能模塊，設(shè)計(jì)一種能夠用于兩棲裝備入艦引導(dǎo)的實(shí)用系統(tǒng)。根據(jù)兩棲裝備和登陸艦的性能特點(diǎn)和裝備入艦的技術(shù)要求，依托裝備再制造升級(jí)關(guān)鍵技術(shù)，提出具體戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)，論證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)和升級(jí)方案。確定再制造升級(jí)方案及裝備再制造升級(jí)的步驟和工藝路線如圖1所示。

依據(jù)升級(jí)工藝路線，首先對(duì)原有裝備的工況和存在問題進(jìn)行分析，明確升級(jí)后裝備的需求信息和性能要求，并對(duì)再制造升級(jí)的可行性進(jìn)行綜合評(píng)估，確定具體升級(jí)方案，明確需要增加的功能模塊。然后，依據(jù)升級(jí)方案，采用相關(guān)技術(shù)進(jìn)行裝備的再制造升級(jí)加工，對(duì)裝備進(jìn)行加改裝。最后，對(duì)升級(jí)后的再制造裝備進(jìn)行性能和功能的綜合檢測(cè)，確保裝備質(zhì)量。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

兩棲裝備入艦作業(yè)場(chǎng)如圖2所示，作業(yè)場(chǎng)一般呈扇形分布，若裝備引導(dǎo)范圍以登陸艦的入口為原點(diǎn)，最大覆蓋角度為左右各60°（共120°），最遠(yuǎn)直線距離為200 m，裝備編隊(duì)登艦距離間隔大于50 m。由于裝備正面一般呈倒梯形，以裝備底部質(zhì)心為測(cè)算點(diǎn)，要求頂部引導(dǎo)精度的距離誤差應(yīng)不大于50 cm，對(duì)中誤差應(yīng)不大于50 cm，否則容易導(dǎo)致裝備與登陸艦、編隊(duì)裝備之間碰撞。

根據(jù)以往作業(yè)情況分析，裝備發(fā)生碰撞受損，很大程度取決于裝備的行駛距離和行駛方向。如果能使用某種引導(dǎo)信號(hào)使裝備始終沿既定的路線行駛，發(fā)生偏轉(zhuǎn)后系統(tǒng)能引導(dǎo)裝備調(diào)整前進(jìn)方向，通過不斷修正路線，形成行駛→調(diào)整→行駛的閉環(huán)控制機(jī)制，則可在很大程度上提高作業(yè)的效率和安全性。因此，導(dǎo)引系統(tǒng)的關(guān)鍵部件應(yīng)具有測(cè)距和糾偏功能。下面結(jié)合兩棲裝備入艦時(shí)行駛路線的兩種情況分析所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本工作原理。

1）裝備正常行駛時(shí)。如圖3所示，根據(jù)裝備行駛速度、相對(duì)于艦門的距離和對(duì)中偏角，首先進(jìn)行測(cè)距，然后選擇一種調(diào)制信號(hào)作為系統(tǒng)的基站信標(biāo)，用不同的發(fā)射頻率進(jìn)行同步發(fā)射。按照三點(diǎn)定位原理，將三個(gè)超聲波信號(hào)發(fā)生器均勻安裝在登陸艦跳板端面上，周期性地發(fā)出三路獨(dú)立的聲脈沖信號(hào)。在接收端分別采用三個(gè)超聲波信號(hào)接收器進(jìn)行區(qū)分，獲得基站的信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理模塊計(jì)算出裝備當(dāng)前的位置，然后引導(dǎo)裝備按既定路線行駛。

2）裝備非正常行駛時(shí)。如圖 4所示，超聲波信號(hào)接收器同時(shí)接收三路超聲脈沖信號(hào)，并由此獲得偏離預(yù)定路線的裝備位置。通過計(jì)算得到裝備相對(duì)于艦門中心線的對(duì)中偏角，系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示偏角數(shù)值，并繪制遠(yuǎn)距離航跡圖，引導(dǎo)裝備沿著艦門中心線航行。當(dāng)裝備距離小于某個(gè)閾值時(shí)，系統(tǒng)計(jì)算并顯示出對(duì)中偏角和距離，在車載終端上重新規(guī)劃路線，為駕駛員提供正確引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)盲視駕駛。

3 聲波信號(hào)傳播特性影響的研究

由系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案可知，艦上超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波信號(hào)同時(shí)被水上超聲接收器和水下超聲接收器接收。作為傳輸介質(zhì)的海水，對(duì)在其中傳播的聲波產(chǎn)生較大的干擾和影響，是影響聲波傳輸?shù)闹匾蛩?。另外，兩棲裝備在海上行駛，海域中的各種水下障礙物也會(huì)對(duì)超聲信號(hào)的傳輸產(chǎn)生不同的影響。因此，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)信號(hào)處理方案時(shí)，必須重點(diǎn)分析和考慮海水、海洋環(huán)境噪聲和海洋混響等因素對(duì)聲波信號(hào)傳輸特性的影響，以確?；夭ㄐ盘?hào)檢測(cè)的正確性和穩(wěn)定性。

3.1 海水對(duì)聲波傳輸?shù)挠绊懛治?/h3>

根據(jù)Snell定律，在聲波的傳播過程中，聲線總是向聲速降低的方向彎曲[2]，因此，海水直接影響到聲波在海水中的傳播速度和傳播路徑。由于海水對(duì)聲波的吸收和散射，使其能量衰減，進(jìn)而影響聲能所覆蓋的范圍，即水聲設(shè)備的作用區(qū)域[3]。

影響海水中聲速的因素主要有海水溫度、海水鹽度和靜壓力，其中對(duì)聲速影響最大的因素是溫度。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在同一海域，海水的等溫線和等鹽度線幾乎都是水平的，而海水的靜壓力則和測(cè)量點(diǎn)與海面的垂直距離成正比。即影響聲速的三個(gè)因素都接近于水平分層變化，因此聲速也近似于水平分層變化。由于聲速與溫度、鹽度和靜壓力之間確切的函數(shù)關(guān)系式很難獲得，而通常使用的經(jīng)驗(yàn)公式為[2]：

式中：c，T，S，Z分別為聲速、海試溫度、海水含鹽度和海水深度。

在不同海域，或同一海域的不同季節(jié)，海水的聲速剖面有很大不同[4]，如圖5所示。例如，就夏季的深海而言，其聲速剖面是由溫度垂直分布的“三層結(jié)構(gòu)”形成的（見圖5a）。系統(tǒng)應(yīng)用重點(diǎn)關(guān)注的淺海海域聲速剖面，則受到更多因素的影響，具有明顯的季節(jié)性。夏季為帶躍層的負(fù)聲速梯度剖面（見圖5b），而冬季多為等溫層的聲速剖面（見圖5c）。

聲波在海水傳播過程中的聲強(qiáng)損失是影響聲納作用距離最重要的因素之一，引發(fā)這種衰減的原因，可歸納為聲波的擴(kuò)展損失、吸收損失和散射。

擴(kuò)展損失是由于聲波波陣面在傳播過程中不斷擴(kuò)展，單位面積上的聲能（即聲密度）隨傳播距離增大呈平方減小而引起的，因此又被稱為幾何衰減。一般來說，擴(kuò)展損失可以表示為[4]：

式中：n的可能取值為0（平面波傳播）、1（柱面波傳播）、3/2（淺海信道中考慮海底吸收情況下的聲傳播，是對(duì)柱面波傳播的修正）、2（球面波傳播）、3（聲波通過淺海聲速負(fù)躍變層后聲傳播）、4（考慮聲波干涉后對(duì)球面波的修正），分別代表不同傳播條件下的擴(kuò)展損失系數(shù)；r表示接收點(diǎn)與聲源之間的距離。

海水中聲波傳播的吸收損失可以分為介質(zhì)切變粘滯聲吸收、介質(zhì)熱傳導(dǎo)聲吸收以及介質(zhì)的超吸收。表1是實(shí)測(cè)的1 Hz～100 kHz范圍內(nèi)聲吸收系數(shù)與聲頻率的關(guān)系。

表1 1 Hz～100 kHz頻率的聲吸收系數(shù)

由此可見，在低頻段，海水的聲吸收系數(shù)通?？梢杂肨horpe公式近似計(jì)算[5]：

式中：f的單位是kHz。表1和式（3）表明，聲吸收系數(shù)隨頻率的增大迅速增大，如1，10，100 kHz的吸收系數(shù)分別是100 Hz吸收系數(shù)的15.8，270和7800倍，這正是主動(dòng)式聲納低頻化最主要的原因。

3.2 海洋環(huán)境噪聲對(duì)聲波傳輸?shù)挠绊懛治?/h3>

海洋環(huán)境噪聲是海洋固有的噪聲，它既不是水下聲波接收器（水聽器）以及其固有安裝方式引起的與聲波頻率無關(guān)的“白噪聲”，也不是某些局部可辨別的噪聲源產(chǎn)生的噪聲，而是除去所有可辨別的噪聲源后的噪聲背景，是水聲信道的干擾背景場(chǎng)。

海洋環(huán)境噪聲是由來自不同噪聲源的各種噪聲混合疊加形成。在相當(dāng)寬的頻帶內(nèi)，海洋環(huán)境噪聲在不同頻率上表現(xiàn)出不同的特性，并且隨著環(huán)境條件，如風(fēng)速等的變化而變化。

海洋噪聲數(shù)學(xué)模型，無論是環(huán)境噪聲模型還是波束噪聲模型都由兩部分組成，即傳播損失部分和指向性部分。傳播損失可以在噪聲模型內(nèi)計(jì)算，也可以根據(jù)其他獨(dú)立模型預(yù)報(bào)，還可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。而環(huán)境噪聲的指向性（包括垂直指向性和水平指向性）則可以通過噪聲模型的輸出計(jì)算得到。例如，利用ANDES噪聲模型的輸入Ns(θ,φ)（單位立方角的噪聲密度），可以獲得噪聲的水平指向性N(φ)和垂直指向性N(θ)[6-7]：

式中：φ為水平角，正北為0°，順時(shí)針為正；θ為垂直角，水平方向?yàn)?°，向上為正。

3.3 海洋混響對(duì)聲波傳播的影響分析

混響是主動(dòng)聲納所特有的物理現(xiàn)象，產(chǎn)生混響的原因是：在海洋本身及其接口具有不均勻性，尺寸小的如灰塵大小的微小粒子，大的如海洋魚群、海底峰巒和海底山脈等。所有的這些不均勻性造成海洋介質(zhì)物理性質(zhì)的不連續(xù)性，當(dāng)受到聲能照射時(shí)，海洋散射體將阻擋一部分聲能，并將其反射回去，產(chǎn)生散射，所有散射體產(chǎn)生的散射的總和就是混響。

如圖6所示，根據(jù)散射體種類的不同，混響可分為三類：由海水本身或水中其他散射體（生物、非生物體以及海水本身的不均勻結(jié)構(gòu)等）引發(fā)的混響稱為體積混響；由海面或海面附近的散射體，尤其是波浪產(chǎn)生的氣泡所產(chǎn)生的混響稱為海面混響；由海底或海底附近的散射體引起的混響則稱為海底混響。其中海面混響和海底混響統(tǒng)稱為界面混響。

混響限制下的主動(dòng)聲納方程中有一個(gè)量是混響級(jí) RL，由于混響產(chǎn)生的機(jī)理非常復(fù)雜，為了得到在聲納設(shè)計(jì)和混響預(yù)報(bào)中可以應(yīng)用的表達(dá)式，通常需做如下簡化假設(shè)：聲波按直線傳播，除球面衰減外，其他衰減可忽略不計(jì)；任一瞬間位于某一面積上或體積內(nèi)的散射體數(shù)目是隨機(jī)均勻的；散射體的密度很大，在任一體積單元內(nèi)或面積單元上都有許多散射體；脈沖持續(xù)時(shí)間足夠短，可忽略體積單元或面積單元內(nèi)的傳播效應(yīng)。

在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，引入等效平面波混響級(jí)的概念，則聲波發(fā)射信號(hào)結(jié)束后t時(shí)刻體積混響的等效平面波混響級(jí)為[8]：

式中：SL為發(fā)射信號(hào)的聲源級(jí)；SV為體積單元的散射強(qiáng)度；則表示理想合成指向性條件下，對(duì)產(chǎn)生體積混響有貢獻(xiàn)的體積大小。

如式（7）和式（8）所示，海面混響和海底混響的等效平面波混響級(jí)分別為RLs和RLb[8-9]：

此外，由于海洋中產(chǎn)生混響的散射體的分布是完全隨機(jī)的，而且每個(gè)散射體散射聲波的相位也是隨機(jī)的，因此混響也是一個(gè)隨機(jī)過程。另外，體積、海面和海底混響是同時(shí)存在的，幾乎不可能將它們嚴(yán)格分開，就某一確定時(shí)刻而言，三種混響對(duì)水聲設(shè)備的干擾程度是不一樣的。因此，確定不同時(shí)刻起主要作用的混響干擾類型，是采取有效抑制混響的措施或?qū)祉戇M(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)的前提條件之一。

3.4 淺海多徑信道對(duì)聲波傳播的影響分析

聲波在海洋中傳播時(shí)，將不可避免地經(jīng)歷聲強(qiáng)衰減以及被環(huán)境噪聲污染。尤其是工作在淺海環(huán)境中，聲波還將受到以下不利因素的影響。

1）相對(duì)于深海，淺海信道的相干時(shí)間更容易受到外界因素的干擾而縮短，從而限制了淺海主動(dòng)信號(hào)源發(fā)射信號(hào)的最大脈寬。因?yàn)楫?dāng)發(fā)射信號(hào)的長度接近或大于信道相干時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)的相干處理（匹配濾波）增益將下降。

2）淺海聲道存在嚴(yán)重的多徑傳播現(xiàn)象，多徑傳播是指在聲源和接收器之間存在兩個(gè)或兩個(gè)以上的傳播路徑。淺海中的多路徑主要是由聲波在海面、海底發(fā)生多次反射以及因海洋聲速的不均勻性引發(fā)的聲線彎曲造成的。這種多徑傳播現(xiàn)象將產(chǎn)生各種干涉結(jié)果。

對(duì)在淺海多徑信道中沿每一條路徑傳播的聲音信號(hào)而言，它的衰耗和時(shí)延都是隨機(jī)變化的。因此，多徑信號(hào)的接收信號(hào)將是衰落和時(shí)延都隨時(shí)間變化的多路徑信號(hào)的合成。如式（9）所示，假設(shè)發(fā)射信號(hào)為Acosω0t，經(jīng)過N條路徑傳播后的接收信號(hào)R(t)可以表示為[8,10]：

式中：μi(t)μi（t）表示第i條路徑接收信號(hào)的振幅；τi（t）表示第i條路徑的傳輸時(shí)延，為隨機(jī)量，φi（t）表示第i條路徑信號(hào)的隨機(jī)相位。

實(shí)際觀察表明[10]，與聲波信號(hào)的周期相比，μi（t）和 τi（t）的變化速度通常要緩慢的多，因此可以認(rèn)為它們是緩變的隨機(jī)過程。故式（9）可改寫為：

如定義：

則式（10）變?yōu)椋?/p>

式中： V（t）表示合成波 R（t）的包絡(luò)； φ（t）表示合成波 R（t）的相位。

由于 μi（t）和φi（t）是緩慢變化的，故Xc（t）和 Xs（t）也是緩慢變化的，因此 R（t）可以認(rèn)為是一個(gè)窄帶過程。由此從波形上看，多徑傳播的結(jié)果使確定的載波信號(hào)變成了包絡(luò)和相位受到調(diào)制的窄帶信號(hào)，即所謂的衰落信號(hào)。從頻譜上看，多徑傳播引起了頻率彌散，即由單個(gè)頻率變成了一個(gè)窄帶頻譜。

多徑傳播不僅造成上述的衰落和頻率彌散，還可以造成頻率選擇性衰落。所謂頻率選擇性衰落，就是信號(hào)中某些分量被衰減的現(xiàn)象，這又是多徑傳播的一個(gè)重要特征。

假設(shè)多徑傳播的路徑有N條，且到達(dá)接收點(diǎn)的兩條路徑具有相同的強(qiáng)度和一個(gè)相對(duì)的時(shí)延差。若令發(fā)射信號(hào)為 s（t），則到達(dá)接收點(diǎn)的多路信號(hào)可以分別表 示 為 ： A1s（t- t0）， A1s （t- t0-τ1）， … ，AN-1s（t-t0-τN-1）。若以傳播時(shí)延最小的信號(hào)（即時(shí)延為t0）為基準(zhǔn)，τ1，…τN-1為相對(duì)時(shí)延，AN為第n條路徑上的衰落，則上述傳播過程可以表示為圖7所示的模型[11]。

對(duì)于雙路徑傳播信道，即令圖7中的N=2，并忽略這兩條路徑上信號(hào)的幅度差異，則根據(jù)傅立葉變換的性質(zhì)，信道的傳遞函數(shù)可以表示為：

其幅度特性為：

即對(duì)于不同的頻率，雙路徑傳播的結(jié)果將會(huì)有不同的衰減，尤其是當(dāng)信號(hào)頻率為（k+）τ時(shí)，出現(xiàn)零點(diǎn)；而當(dāng)信號(hào)頻率為kτ時(shí)，則出現(xiàn)極點(diǎn)，其中k均為0或正整數(shù)。

與此同時(shí)，由于相對(duì)時(shí)延一般是隨時(shí)間變化的，故傳輸特性出現(xiàn)的零點(diǎn)與極點(diǎn)在頻率軸上的位置也是隨時(shí)間變化的。隨著傳播信號(hào)帶寬的增大，即當(dāng)一個(gè)傳播波形的頻譜寬于），傳播波形的頻譜將會(huì)有畸變。

對(duì)于多徑傳播（N＞2）信道，出現(xiàn)頻率選擇性衰落的基本規(guī)律將是相同的，但傳輸特性更為復(fù)雜，即頻率的選擇性將依賴于相對(duì)時(shí)延。多徑傳播時(shí)的相對(duì)時(shí)延差（簡稱為多徑時(shí)延差）通常用最大相對(duì)時(shí)延差來表征，它可以用來估算傳輸零極點(diǎn)在頻率軸上的位置。設(shè)最大多徑時(shí)延差為τmax，則定義：

式中：Δf即為相鄰傳輸零點(diǎn)的頻率間隔。如果傳輸信號(hào)的頻譜大于Δf，則它可被稱為多徑傳播介質(zhì)相關(guān)帶寬。對(duì)工作在淺海中的單頻主動(dòng)聲納而言，這種頻率選擇性衰落是造成檢測(cè)起伏的根本原因。對(duì)于信號(hào)帶寬大于信道相關(guān)帶寬的寬帶主動(dòng)聲納而言，多路徑傳播在單個(gè)接收器上產(chǎn)生信號(hào)的振幅和相位起伏破壞了接收信號(hào)與拷貝信號(hào)的相關(guān)性，影響了匹配濾波的處理增益，同時(shí)，多徑信道引起的時(shí)間擴(kuò)展則導(dǎo)致接收信號(hào)能量在時(shí)間軸上的分散，從而造成檢測(cè)器輸出信噪比的下降。

在淺海多徑信道中，同一目標(biāo)不同路徑的回波信號(hào)到達(dá)接收陣列的角度將不盡相同，這不僅造成目標(biāo)方位估計(jì)的模糊，同時(shí)還導(dǎo)致不同接收陣元上信號(hào)振幅和相位的相干性減弱，從而使基陣的空間處理相干處理（波束形成）增益下降。

4 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)量裝備偏角和距離，需要在登陸艦上安裝三個(gè)完全相同的高頻寬帶發(fā)射換能器，并周期性地發(fā)出脈沖信號(hào)。每輛登艦裝備上安裝一個(gè)收發(fā)合置換能器，用于接收艦載換能器發(fā)出的脈沖信號(hào)。對(duì)換能器輸出信號(hào)作前置預(yù)處理、模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，作數(shù)字信號(hào)處理，解算出各個(gè)脈沖信號(hào)傳播到裝備的時(shí)刻點(diǎn)，計(jì)算出裝備相對(duì)于艦門中心線的對(duì)中偏角。其工作流程如圖8所示。

1）信號(hào)發(fā)射。引導(dǎo)系統(tǒng)啟動(dòng)后，安裝在登陸艦跳板端面上的三個(gè)發(fā)射換能器陣，周期性地發(fā)出三路獨(dú)立的聲脈沖信號(hào)。

2）信號(hào)接收，解算裝備運(yùn)動(dòng)參數(shù)。安裝在裝備前滑板上的收發(fā)合置換能器同時(shí)接收三路聲脈沖信號(hào)，計(jì)算出裝備相對(duì)于艦門中心線的對(duì)中偏角，實(shí)時(shí)顯示偏角，并繪制遠(yuǎn)距離航跡圖，引導(dǎo)裝備沿艦門中心線航行。

3）遠(yuǎn)距離導(dǎo)航，障礙物探測(cè)。當(dāng)裝備距離登陸艦大于50 m時(shí)，駕駛員根據(jù)行駛軌跡和當(dāng)前的偏角、距離等信息，實(shí)時(shí)引導(dǎo)裝備行駛。車載高頻發(fā)射換能器向正前方發(fā)射一個(gè)聲脈沖，如果前方有障礙物，將產(chǎn)生回波信號(hào)，水聽器接收到回波后，通過分析水聽器輸出信號(hào)，得到回波的能量大小、到達(dá)時(shí)刻等特征，系統(tǒng)估算障礙物與裝備的距離，并定量反映障礙物體積的大小，在屏幕上高分辨掃描顯示。

4）精確登艦。當(dāng)裝備與登陸艦距離小于10 m，偏角小于5°時(shí)，駕駛員通過系統(tǒng)，可將登艦偏角控制在1°以內(nèi)。同時(shí)觀察掃描圖，收聽語音提示，了解前進(jìn)線路上的障礙物情況，通過調(diào)整車體行駛角度和速度，避開障礙物，實(shí)現(xiàn)精確登艦。

由于入艦引導(dǎo)系統(tǒng)的水聲工作環(huán)境較惡劣，海水水層較淺，泥沙含量偏高，引起嚴(yán)重的聲線多路徑傳播和散射現(xiàn)象，通過射線聲場(chǎng)計(jì)算軟件模擬了實(shí)際海洋環(huán)境下的聲傳播[13]。結(jié)果表明，距離較遠(yuǎn)時(shí)，多路徑現(xiàn)象幾乎一直存在，直達(dá)波的能量可能會(huì)遠(yuǎn)小于反射波，機(jī)器很難自動(dòng)判斷直達(dá)波的到達(dá)時(shí)刻點(diǎn)。根據(jù)三路寬帶脈沖的多路徑特征相似這一現(xiàn)象，采用譜相關(guān)處理可以較好地克服該難點(diǎn)。海水中含有的泥沙會(huì)引起聲線散射，增大了聲傳播損失，通過增大換能器的發(fā)射功率可以解決這一問題。為比較分析在淺水波導(dǎo)條件下各個(gè)寬帶脈沖的多路徑傳播現(xiàn)象，驗(yàn)證提高時(shí)延估計(jì)精度的譜相關(guān)技術(shù)性能，在大型室內(nèi)消聲水池內(nèi)和與淺海海域環(huán)境較為接近的江、湖水域開展了原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

4.1 室內(nèi)水池靜態(tài)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證技術(shù)方案的基本原理，在大型室內(nèi)消聲水池四周、底部和水面均鋪設(shè)了消聲裝置，有效吸收聲波，避免出現(xiàn)聲線多路徑傳播現(xiàn)象，以此來分析驗(yàn)證算法的測(cè)向和測(cè)距精度。

該實(shí)驗(yàn)利用三個(gè)發(fā)射換能器周期性地發(fā)射寬帶脈沖信號(hào)，采用無指向性球形水聽器接收信號(hào)，利用一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)實(shí)際方向約0.5o，發(fā)射換能器與接收水聽器入水深度相同，兩者的實(shí)際距離小于 25 m（受限于實(shí)驗(yàn)水池的尺寸，此范圍內(nèi)的距離估計(jì)誤差不超過5%）。圖9是一組靜態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。

通過在不同方向和距離上多次靜態(tài)測(cè)試，結(jié)果表明，方向角估計(jì)誤差小于 0.25o。在實(shí)裝操作場(chǎng)地，裝備之間的距離按50 m計(jì)算，根據(jù)弧長公式得l=0.21 m，符合距離艦門兩側(cè)引導(dǎo)精度均不大于50 cm的要求。

4.2 湖上和江上動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地設(shè)在富春江和千島湖，主要目的包括：通過動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，在接收端運(yùn)動(dòng)的情況下，比較各個(gè)寬帶脈沖的多路徑傳播現(xiàn)象，分析多譜勒頻移對(duì)估計(jì)精度的影響，對(duì)拷貝信號(hào)作多譜勒頻移補(bǔ)償，驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下算法的可行性及性能[14]。

湖上實(shí)驗(yàn)時(shí)，超聲發(fā)射器安裝在躉船上，而把超聲信號(hào)接收器（水聽器）安裝在一條小船上，即把躉船模擬作為登陸艦，而把小船模擬作為兩棲裝備。小船朝著躉船由遠(yuǎn)及近相向航行，模擬兩棲裝備的登艦過程。三個(gè)超聲發(fā)射器和接收器（水聽器）的安裝固定位置如圖10所示。

富春江試驗(yàn)時(shí)，把發(fā)射換能器安裝在一個(gè)三角鐵架上（如圖11所示），然后把鐵架安置在兩棲裝備登陸的航道上，以模擬在登陸艦的艦門底部安裝發(fā)射換能器。接收水聽器安裝在裝備導(dǎo)流板的底部，如圖12所示。

該次實(shí)驗(yàn)可得到如下結(jié)論。

1）如圖13所示，在水聲環(huán)境比較復(fù)雜的湖上和江上，表現(xiàn)出明顯的多路徑傳播現(xiàn)象。采用譜相關(guān)處理后，能夠大大提高導(dǎo)航算法的可靠性和穩(wěn)定性。

2）目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多譜勒頻移，會(huì)大大降低匹配濾波器的相關(guān)性，從而降低時(shí)延差估計(jì)精度。對(duì)拷貝信號(hào)作多譜勒頻移補(bǔ)償后，算法的性能接近靜止?fàn)顟B(tài)下的性能。作多譜勒補(bǔ)償和譜相關(guān)處理后的一組動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。

5 結(jié)語

入艦引導(dǎo)系統(tǒng)超聲波接收器接收的聲波信號(hào)經(jīng)自適應(yīng)窄帶數(shù)字濾波，抑制了回波信號(hào)頻率之外的噪聲，然后進(jìn)行匹配濾波。通過計(jì)算回波信號(hào)的相關(guān)峰和到達(dá)時(shí)刻，以及根據(jù)相關(guān)峰的特征確定窗函數(shù)的大小。通過窗口滑動(dòng)并計(jì)算滑動(dòng)窗內(nèi)的能量，最后以歷程圖的形式顯示計(jì)算結(jié)果。

由于海洋中聲傳播非常復(fù)雜，通常需要對(duì)海洋環(huán)境作某些簡化處理，通常的做法是建立聲波傳播模型，即在某些特定假設(shè)條件下對(duì)波動(dòng)方程求解方法的建模?？偟膩碚f，目前波動(dòng)方程主要有五類規(guī)范解法，即射線理論、簡正波理論、多徑展開理論、快速聲場(chǎng)和拋物方程技術(shù)等[15]。這些求解方法各有其優(yōu)點(diǎn)和不足，同時(shí)為了克服這些不足，它們其中的某些理論相互結(jié)合，進(jìn)而衍生出信道求解方法。例如，將耦合簡正波理論與拋物方程相結(jié)合的耦合簡正波-拋物方程（CMPE）方法等。

海洋作為一個(gè)隨時(shí)間和空間復(fù)雜變化的傳輸信道，聲強(qiáng)衰減、海洋環(huán)境噪聲和海洋混響對(duì)聲波的影響，使其在海水中傳播規(guī)律的研究變得十分困難。上述影響因素也對(duì)淺海多徑信道模型的建立至關(guān)重要，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的需求，文中將上述影響因子納入模型，用于相似環(huán)境的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，獲得可靠穩(wěn)定的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為下一步海上實(shí)裝試驗(yàn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并可相互驗(yàn)證，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值和學(xué)術(shù)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱勝, 姚巨坤. 再制造技術(shù)與工藝[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[2] CLAY C S, MEDWIN H. Fundamentals of Acoustical Oceanography[M]. San Diego: Academic Press, 1997.

[3] 劉永偉, 李琪, 商德江, 等.混濁海水聲吸收與溫度?鹽度 壓強(qiáng)關(guān)系[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2012, 31(4): 156-161.

[4] RICHARDS S D, LEIGHTON T G, BROWN N R.Visco-inertial Absorption in Dilute Suspensions of Irregular Particles[J]. Proc R Soc Lond A, 2003, 459: 2153-2167.

[5] 劉永偉, 李琪, 張超, 等. 混濁海水聲吸收的計(jì)算與測(cè)量研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 31(11): 1472-1477.

[6] 彭臨慧, 王桂波. 懸浮顆粒物海水及其聲吸收[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2008, 27(2): 168-171.

[7] ANDREW C S, JILL K N, SULEYMAN S K. Signal Processing for Underwater Acoustic Communications[J].Communications Magazine, 2009, 47(1): 90-96.

[8] XING J, LIU Z, PENG P. Intelligent Detection with Dual-channel Detectors for Non-Gaussian Underwater Acoustic Transient Signals[C]// International Conference on Information and Automation. 2008.

[9] 郭熙業(yè), 蘇紹憬, 王躍科. 多通道海底混響線性預(yù)測(cè)方法研究[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2010, 31(1): 99-103.

[10] 高博. 淺海遠(yuǎn)程海底混響的建模與特性研究[D]. 黑龍江: 哈爾濱工程大學(xué), 2013.

[11] 高成志. 淺海環(huán)境下的水聲信道辨識(shí)技術(shù)研究[D]. 黑龍江: 哈爾濱工程大學(xué), 2011.

[12] 朱昌平, 韓慶邦, 李建, 等. 水聲通信基本原理與應(yīng)用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009.

[13] 李春雨, 張東升, 張延順, 等. 一種基于聲學(xué)定位/航位推算的水下導(dǎo)航定位方法[J]. 船舶工程, 2015(8): 57-60.

[14] 孫萬卿. 淺海水聲定位技術(shù)及應(yīng)用研究[D]. 山東: 中國海洋大學(xué), 2007.

[15] 何利, 李風(fēng)華, 李整林, 等. 基于海底水平陣的低頻脈沖聲信號(hào)海水聲速剖面反演[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2011, 30(3): 109-111.