聲納系泊狀態(tài)功能檢查評估系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：針對艦艇聲納裝備碼頭條件下功能和性能無法進(jìn)行檢查的問題，研制了聲納系泊狀態(tài)功能檢查與評估系統(tǒng)。以球鼻艏聲納為研究對象，依據(jù)聲納主要功能和實際測量需求，提出測量的主要內(nèi)容；根據(jù)測量主要內(nèi)容對測量系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計；在此基礎(chǔ)上完成了碼頭分系統(tǒng)、移動分系統(tǒng)和平臺分系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計；討論了艦船回波噪聲和主動回波信號的產(chǎn)生方法和流程；研制完成了聲納系統(tǒng)狀態(tài)功能檢查與評估系統(tǒng)，實現(xiàn)碼頭現(xiàn)場對聲納的測量和評估功能。

關(guān)鍵詞：聲納；系泊試驗；基陣；功能檢查；

充分、及時和全面的掌握聲納功能和技術(shù)狀態(tài)對于聲納操作員甚至作戰(zhàn)指揮員至關(guān)重要。然而在實際使用過程中，一般條件下聲納操作員和指揮員很難做到。只有處于航行狀態(tài)下，在配合艦艇合作運(yùn)動條件下，聲納裝備的性能才能被充分全面掌握[1]。這種條件對于剛剛等級修理完成后需要完成航行試驗的艦艇都是比較苛刻的，對于未進(jìn)行等級修理的艦艇更加無法保證。隨著服役聲納的種類和數(shù)量的快速增加，演訓(xùn)和護(hù)航等重大任務(wù)頻次的增多，急需一型能夠在艦艇等級修理完成后或者重大演訓(xùn)任務(wù)前，在碼頭系泊條件下完成聲納基本功能檢查和性能評估的測量系統(tǒng)。

本文以艦艇球鼻艏聲納為測量研究對象，對評估系統(tǒng)的組成進(jìn)行研究，研究評估系統(tǒng)的分系統(tǒng)的組成、功能，各分系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信模式，分系統(tǒng)主要軟件模塊和功能，最后對仿真信號產(chǎn)生的算法進(jìn)行了詳細(xì)討論。

一、測量內(nèi)容

根據(jù)球鼻艏聲納的主要功能和實際測量需求，確定測量系統(tǒng)的主要測量項目和內(nèi)容：

（一）、發(fā)射系統(tǒng)測試

主要用于測量聲納發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射的聲信號是否滿足該型聲納的技術(shù)指標(biāo)要求[2，3]，包括發(fā)射信號的形式、頻率參數(shù)、波形參數(shù)、聲功率和方向性等。發(fā)射系統(tǒng)的測試需要在聲納工作發(fā)射信號覆蓋方位內(nèi)，空間布放一水聽器采集發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射的聲信號，并將采集的信號發(fā)送至測量主系統(tǒng)，由測量主系統(tǒng)分析其信號形式是否滿足發(fā)射要求。如果發(fā)射系統(tǒng)是全向的，可以采用聲源與接收器的幾何態(tài)勢估算聲源方向，在圓周上選取若干個方向測量發(fā)射響應(yīng)，并給出響應(yīng)曲線和發(fā)射指向性圖。

（二）、接收系統(tǒng)測試

主要用于測量聲納接收系統(tǒng)功能和性能指標(biāo)。包括接收系統(tǒng)接收信號的頻段、波形、波束形成后的方位計算精度等。接收系統(tǒng)的測試需要在聲納接收信號覆蓋方位內(nèi)，空間布放一聲源，該聲源可以改變發(fā)射信號的頻率、脈沖寬度、重復(fù)周期和信號形式，利用聲納顯控臺檢查在各種模式下的接收功能；產(chǎn)生目標(biāo)模擬信號，模擬目標(biāo)的信號強(qiáng)度通過接收系統(tǒng)接收端的信噪比來確定。

（三）、聲納功能狀態(tài)記錄與評估

將各種工作模式的測試結(jié)果與技術(shù)要求種規(guī)定的指標(biāo)進(jìn)行比較，給出各種工作模式下的性能評價，建立評估體系模型，將測量得到結(jié)果存儲作為后續(xù)測量的參考和評估依據(jù)。

二、系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)測量項目內(nèi)容和基本的測試方法確定測量系統(tǒng)的總體設(shè)計。測量系統(tǒng)由碼頭分系統(tǒng)、移動分系統(tǒng)和平臺分系統(tǒng)三大部分組成。如圖1所示：

（一）、碼頭分系統(tǒng)

碼頭分系統(tǒng)完成對整個測試過程的調(diào)控、數(shù)據(jù)接收與存儲、數(shù)據(jù)分析處理、測試性能評估以及對移動分系統(tǒng)的布放和回收等功能。碼頭分系統(tǒng)的主要組成部分有：顯控一體機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、地面視頻監(jiān)控系統(tǒng)、無人船控制系統(tǒng)、艦載監(jiān)控系統(tǒng)、無線數(shù)傳收發(fā)系統(tǒng)等組成。裝載有顯控軟件的顯控臺一體機(jī)，通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實現(xiàn)對，地面視頻監(jiān)控系統(tǒng)、無人船控制系統(tǒng)、艦載監(jiān)控系統(tǒng)和無線數(shù)傳收發(fā)系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)交互，碼頭分系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示：

（二）、移動分系統(tǒng)

移動分系統(tǒng)是評估系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。該分系統(tǒng)位于一個可以由碼頭分系統(tǒng)遙控的無人航行器上，具備接收碼頭分系統(tǒng)控制指令、測試模擬信號的發(fā)射、聲納工作信號采集與發(fā)送等功能。測試時基本采用“走-停-測”模式完成在預(yù)定航線位置上的測量；在測量跟蹤性能時采用“邊走邊發(fā)”的工作方式。

移動分系統(tǒng)的主要硬件包括：無人船體、電子艙、GPS接收機(jī)、無線數(shù)傳天線、平臺遙控天線、測深儀、支架、接收水聽器和發(fā)射換能器等組成。平臺分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖3所示。

其中電子艙分為兩個部分：航行器控制組件與測試信號產(chǎn)生于數(shù)據(jù)采集組件。航行器航行控制由獨立的嵌入式系統(tǒng)及其附屬電路實現(xiàn)。測試信號的產(chǎn)生、發(fā)射接收信號的采集發(fā)送模塊采用獨立模塊設(shè)計。信號產(chǎn)生發(fā)射與采集板的主要功能：一是接收上位機(jī)的換能器信號，控制功放的開啟，輸出給功放，最后在驅(qū)動換能器發(fā)聲。二是采集水聽器及測深儀的信號，發(fā)送給上位機(jī)軟件。電子艙組成功能框圖如圖4所示：

（三）、平臺分系統(tǒng)

平臺分系統(tǒng)實現(xiàn)對聲納工作狀態(tài)信息，待測聲納基陣處參考信號的實時采集，通過有線通信、直接電纜連接等方式與碼頭分系統(tǒng)組成測量系統(tǒng)是不可缺少的重要環(huán)節(jié)。平臺分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示：

對聲納工作狀態(tài)信息的采集位于聲納艙，其數(shù)據(jù)傳輸需接網(wǎng)線與碼頭分系統(tǒng)交換機(jī)相連，待測潛艇球鼻艏處參考信號的采集位于外甲板基陣安裝位置處，采用便攜式采集模塊進(jìn)行采集，通過電纜與碼頭分系統(tǒng)連接并回傳采集數(shù)據(jù)。電話通信裝置位于聲納艙室，用于報送聲納操作與接收響應(yīng)。

三、軟件設(shè)計

整個評估系統(tǒng)的軟件分為三個部分：碼頭分系統(tǒng)軟件、移動分系統(tǒng)軟件和平臺分系統(tǒng)軟件。

（一）、碼頭分系統(tǒng)軟件

碼頭分系統(tǒng)軟件由測控態(tài)勢規(guī)劃模塊、測試數(shù)據(jù)處理與分析模塊、聲納性能評估與預(yù)測模塊組成。軟件的組成框圖如圖7所示：

測控態(tài)勢規(guī)劃模塊主要完成移動分系統(tǒng)測量點位的設(shè)計、被測聲納信息與測量水域信息的設(shè)置等功能。包含測控態(tài)勢規(guī)劃數(shù)據(jù)管理模塊、測控態(tài)勢規(guī)劃模塊與測控態(tài)勢顯示模塊。

其數(shù)據(jù)傳輸需接網(wǎng)線與碼頭分系統(tǒng)交換機(jī)相連接，待測聲納基陣處的參考信號的采集位于外甲板基陣安裝位置處，采用便攜式采集模塊進(jìn)行采集，通過電纜與碼頭分系統(tǒng)連接并回傳采集數(shù)據(jù)。電話通信裝置位于聲納艙室，用于報送聲納操作與接收響應(yīng)。

（二）、移動分系統(tǒng)軟件

移動分系統(tǒng)軟件主要包括：航行器移動控制模塊、航行狀態(tài)實時監(jiān)測與校準(zhǔn)模塊、數(shù)據(jù)接收與分發(fā)模塊、指令解析與控制模塊、噪聲信號產(chǎn)生模塊、主動信號產(chǎn)生模塊、偵察信號產(chǎn)生模塊、輻射強(qiáng)度控制模塊、采樣控制與分析模塊、數(shù)據(jù)分類編碼模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送與校驗?zāi)K等，具體關(guān)系如圖7所示。

（三）、平臺分系統(tǒng)軟件

平臺分系統(tǒng)軟件主要用于控制、采集聲納反饋信息和潛艇基陣處參考水聲信號等，主要包括：聲納反饋信息半自動采集模塊、聲納顯示信息采集模塊和參考信號采集模塊。

聲納反饋信息半自動采集模塊根據(jù)測試功能，將聲納工作信息由操作員實時輸入反饋信息，并通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至碼頭分系統(tǒng)進(jìn)行聲納性能綜合評估。

聲納顯示信息采集模塊利用攝像頭實時采集聲納工作信息，并通過有線雙網(wǎng)口網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至碼頭分系統(tǒng)實時顯示。

參考信號采集模塊與移動分系統(tǒng)工作的設(shè)置一致，實時采集基陣處聲信號并發(fā)送至碼頭分系統(tǒng)進(jìn)行處理。

四、測試信號設(shè)計

（一）、艦船輻射噪聲仿真

對艦船噪聲的仿真可歸結(jié)為對隨機(jī)信號相關(guān)特性或功率譜特性的仿真。在現(xiàn)代聲納檢測和識別的過程中，利用了艦船噪聲平穩(wěn)連續(xù)譜、低頻線譜和包跡譜（時變調(diào)制譜）的特性。艦船噪聲時變功率譜可表示為[4]：

G（t，f）=GX（f）+GL （f）+M（t）M（f）GX （f）

其中GX（f）為平穩(wěn)各態(tài)歷經(jīng)高斯過程的連續(xù)譜，GL （f）為在頻率上離散分布線譜，M（t）M（f）GX （f）是譜級受到周期調(diào)制的時變功率譜。M（t）稱為調(diào)制函數(shù)，代表連續(xù)譜所受到的周期時變調(diào)制；M（f）為調(diào)制深度譜，反映不同頻率成份所具有的不同調(diào)制程度。

1、平穩(wěn)連續(xù)譜

艦船噪聲是螺旋槳空化及船體振動等因素所形成，它由平穩(wěn)連續(xù)譜，時變調(diào)制譜和線譜三部份組成[ ]。平穩(wěn)連續(xù)譜是艦船噪聲中最主要的成份，采用以下二參數(shù)模型：

GX （ω）= a/[a2+〖（ω+ω0）2]+a/[a2+〖（ω-ω0）2]

在聲納工作頻率內(nèi)，平穩(wěn)連續(xù)譜近似以每倍頻程–6dB規(guī)律下降?；囆盘柲M器采用自回歸譜擬合技術(shù)，通過改變自回歸濾波器的參數(shù)獲得具有指定譜狀的艦艇噪聲時間序列輸出。

2、艦船噪聲低頻線譜

艦船線譜實質(zhì)上是一組具有特定頻率、幅度和初相的單頻信號，可按照單頻信號的方法分別產(chǎn)生然后再進(jìn)行迭加。各單頻信號的頻率、幅度和初相應(yīng)與指定值相符合。低頻線譜的分布與艦船型號有關(guān)，也與艦船所處深度有關(guān)[6]，本評估系統(tǒng)的每個目標(biāo)可產(chǎn)生三根具有指定頻率，指定幅度，指定多普勒頻率漂移的線譜信號時間序列。

3、艦船噪聲包跡譜

艦船噪聲包跡譜來源于螺旋槳對輻射噪聲的包絡(luò)調(diào)制，其結(jié)果使得噪聲的包絡(luò)出現(xiàn)一列具有諧頻關(guān)系的線譜。包跡譜仿真可通過對艦船噪聲的幅度調(diào)制來實現(xiàn)。改變調(diào)制脈沖的周期和調(diào)制脈沖三的結(jié)構(gòu)可以獲得不同包跡譜特性的噪聲序列。

4、算法流程

自回歸濾波系數(shù)計算：根據(jù)指定的艦船噪聲信號功率譜形狀，解算出相應(yīng)的自回歸濾波系數(shù)。

白噪聲產(chǎn)生：采用混合乘同余法產(chǎn)生偽隨機(jī)白噪聲序列，作為自回歸濾波器的激勵噪聲源。

包跡譜控制參數(shù)計算：把指定的主軸轉(zhuǎn)速、螺旋槳葉片數(shù)，調(diào)制深度等螺旋槳特征參數(shù)，轉(zhuǎn)換為對自回歸譜擬合進(jìn)行時變調(diào)制的控制參數(shù)。

時變調(diào)制控制：根據(jù)包跡譜特征，對自回歸濾波運(yùn)算實行時變調(diào)制控制，使輸出的噪聲具有指定包跡譜特征。

時變自回歸濾波：用白噪聲激勵具有特定系數(shù)的自回歸濾波器，進(jìn)行艦船噪聲譜擬合，實現(xiàn)艦船噪聲連續(xù)譜的仿真。在時變調(diào)制的控制下，該濾波器成為一個時變?yōu)V波器，實現(xiàn)艦船噪聲包跡譜的仿真。

低頻線譜產(chǎn)生：根據(jù)指定的線譜頻率，線譜幅度，線譜頻率和幅度的飄移，通過迭代算法產(chǎn)生出一組低頻線譜時間序列。

噪聲信號譜級控制：根據(jù)接收噪聲級對仿真的艦船噪聲進(jìn)行幅度控制，使得指定頻率上模擬器輸出的艦船噪聲具有指定的譜級。

（二）、主動回波仿真

主動回波則是本艦聲納發(fā)射經(jīng)目標(biāo)反射和雙程傳播到達(dá)聲陣的脈沖信號。與噪聲類隨機(jī)信號不同，主動回波信號都屬于可以用顯函數(shù)表示的確定性信號，都可以按函數(shù)表達(dá)式計算產(chǎn)生。本聲納評估系統(tǒng)采用迭代算法產(chǎn)生各種單、調(diào)頻信號，速度快，精度高，通用性好。通過改變迭代參數(shù)即可產(chǎn)生出具有不同特性的單、調(diào)頻脈沖信號。主動回波算法流程如圖9所示。

回波計時：從發(fā)射同步信號出現(xiàn)的時刻開始，按照設(shè)定的時間步長進(jìn)行主動接收計時。同時根據(jù)目標(biāo)距離和回波脈沖寬度計算出回波出現(xiàn)的計時區(qū)間。

回波區(qū)間判斷：將主動接收計時和回波出現(xiàn)的計時區(qū)間進(jìn)行比較，判斷該點仿真是否處在回波期間，確定是否進(jìn)入回波運(yùn)算模塊。

回波波形參數(shù)計算：根據(jù)回波的類型，回波中心頻率及掃頻寬度（調(diào)頻脈沖）計算出回波信號的三階相位迭代量。

回波波形序列計算：利用相位迭代量進(jìn)行迭代計算，在回波期間連續(xù)的給出回波時間序列。

回波幅度控制：根據(jù)目標(biāo)回波級對仿真的回波的時間序列進(jìn)行幅度控制，使得模擬器輸出的目標(biāo)回波具有指定的回波級。

五、結(jié)論

聲納系泊狀態(tài)功能檢查與評估系統(tǒng)先后完成了技術(shù)方案設(shè)計、系統(tǒng)軟硬件技術(shù)研發(fā)、部隊測試驗證等環(huán)節(jié)，采用遙控式無人航行器搭載聲發(fā)射與采集系統(tǒng)對艦艇聲納進(jìn)行碼頭系泊條件下的功能測試與性能評估，完成了聲納目標(biāo)信號仿真、水面無人航行器聲納性能測試目標(biāo)仿真與控制等技術(shù)，實現(xiàn)了對于聲納各項功能性能進(jìn)行測試與評估的功能。

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作者簡介：

唐鎖夫（1974-），男，海軍702廠工程師，研究生學(xué)歷，主要研究方向聲納信號處理、聲納裝備修理.