一種艦殼聲納通用系泊測試系統(tǒng)的設(shè)計?

（海軍七〇二廠 上海 200434）

1 引言

聲納是利用水下聲信息進(jìn)行目標(biāo)探測、識別、定位、導(dǎo)航和通信的電子設(shè)備［1］。艦艇聲納技術(shù)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著越來越重要的作用［1～2］，隨著海軍的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型及實戰(zhàn)化需要，艦艇部隊加大了常態(tài)化的遠(yuǎn)航與實戰(zhàn)訓(xùn)練，聲納裝備的長時間高負(fù)荷的運行，對其可靠性提出了更高的要求，同時也對實時狀態(tài)的完好性提出了新的要求［3］。但聲納普遍存在著在線狀態(tài)下綜合技術(shù)指標(biāo)測試的困難，艦艇聲納作戰(zhàn)部門很難及時、全面和準(zhǔn)確的掌握聲納綜合技戰(zhàn)術(shù)性能的問題［5］。而能否在線實時掌握聲納功能和技術(shù)指標(biāo)不僅對于提高指揮員與操作員的用裝安全感與用裝信心非常重要，對艦艇的航行安全也非常重要。目前，現(xiàn)役的水面艦艇和潛艇在線狀態(tài)下聲納裝備的檢測與檢查，只能依據(jù)聲納自檢系統(tǒng)對干端（段）部分進(jìn)行基礎(chǔ)檢測，而對濕端的狀態(tài)監(jiān)測卻無有效手段［6～7］。由于缺少有效的水下目標(biāo)信號源及信號處理系統(tǒng)，對聲納裝備整體工作性能檢查只能通過艦間的相互配合完成檢測等功能，而在航艦艇間的協(xié)調(diào)配合周期會要很長，所需付出的時間、經(jīng)濟上的代價都會很大，所有艦艇的艦殼聲納都用這樣的方式進(jìn)行檢查顯然不太現(xiàn)實。因此，研制一套艦殼聲納在線狀態(tài)下進(jìn)行綜合功能檢測與評估的系統(tǒng)，將會彌補這一缺項。

2 總體構(gòu)思

本測試系統(tǒng)擬實現(xiàn)對目前多型在役的艦殼聲納系泊狀態(tài)下整機的主要技術(shù)參數(shù)的測量。根據(jù)現(xiàn)役的艦殼聲納模擬仿真不同工作狀態(tài)下的工作信號、目標(biāo)回波或噪聲信號，完成對艦殼聲納的主動、被動和通信功能方面的功能測試及工作狀態(tài)的自動評估。通過顯控臺的控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)水下移動平臺、超短基線定位和測試聲納之間的協(xié)同工作和數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)測試全過程、各信號和結(jié)果的可視性。

圖1 測試系統(tǒng)基本原理圖

測試系統(tǒng)基本原理如圖1所示:在距離被測聲納r m，艦艏方位θ處放置一測試用聲納，用于發(fā)射目標(biāo)模擬信號，接收被測聲納發(fā)射信號，從而完成被測聲納的各項功能測試。

2.1 發(fā)射系統(tǒng)功能檢測

2.1.1 發(fā)射信號檢查

用測試聲納的水聽器采集被測聲納的發(fā)射信號，并將采集的信號發(fā)送至數(shù)據(jù)綜合處理分析分系統(tǒng)，由評估分系統(tǒng)分析其信號形式，檢查信號中心頻率、脈沖寬度、信號帶寬、脈沖重復(fù)頻率等是否滿足發(fā)射要求。

2.1.2 目標(biāo)搜索和跟蹤

用測試聲納接收被測聲納信號，接收到信號后進(jìn)行目標(biāo)回波模擬，根據(jù)模擬目標(biāo)的距離，進(jìn)行相應(yīng)的信號延時和幅度衰減，應(yīng)答式地發(fā)送回被測基陣，被測聲納可以進(jìn)行方位更換，模擬目標(biāo)的方位移動。通過模擬數(shù)據(jù)及測試聲納顯控臺讀出的的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，評估目標(biāo)搜索和跟蹤能力。

2.1.3 基陣發(fā)射指向性

當(dāng)艦艇處于自由聲場條件時，還可以利用測試聲納對基陣的發(fā)射指向性進(jìn)行測量［7］。將測試聲納沿著以基陣聲中心為原點，在滿足基陣遠(yuǎn)場條件下，以r為半徑的圓弧的不同方位上進(jìn)行發(fā)射信號采集，并根據(jù)測量結(jié)果繪制出基陣發(fā)射指向性。由測試聲納換能器帶來的指向性誤差可以進(jìn)行補償。

2.2 接收系統(tǒng)功能檢測

2.2.1 噪聲目標(biāo)檢測檢查

將測試聲納放置于被測聲納工作發(fā)射信號覆蓋方位內(nèi)，產(chǎn)生目標(biāo)模擬信號，其信噪比確?？煞€(wěn)定可靠觀察目標(biāo)。在設(shè)備規(guī)范規(guī)定的觀察范圍內(nèi)隨機設(shè)置多個目標(biāo)方位，在每個方位上多次測量，統(tǒng)計計算誤差的均方根值。通過聲納顯控臺讀出的測量值與測試聲納模擬的數(shù)值之件的差值進(jìn)行性能評估。

2.2.2 工作頻帶檢測

測試方法與噪聲目標(biāo)檢測類似，多點多次測量。只是測試聲納發(fā)射的是不同頻點的信號，在被測聲納的信號調(diào)理端進(jìn)行信號幅度檢查。由測試聲納發(fā)射系統(tǒng)帶來的頻率起伏也可以進(jìn)行補償。

2.3 通信功能檢測

通過相互應(yīng)答的方式來實現(xiàn)對通信功能的檢查，對電話、電報和電傳報等功能進(jìn)行檢查。

3 實現(xiàn)方案

3.1 系統(tǒng)組成

測試系統(tǒng)主要由水下測試分系統(tǒng)、超短基線定位系統(tǒng)、顯控和信號處理系統(tǒng)三個部分組成，測試系統(tǒng)檢測示意圖如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)組成示意圖

水下測試分系統(tǒng)主要包含水下移動平臺（含攝像頭、水下LED、深度傳感器等）、聲納水下移動測試分系統(tǒng)工作時全部位于水下，并搭載測試聲納、超短基線定位應(yīng)答器等電子載荷，完成被測聲納的測試工作和水下空間定位。

水下移動平臺系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3 水下移動平臺原理框圖

類似于人腦中負(fù)責(zé)運動的運動神經(jīng)元以及運動神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。水下移動平臺的控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)運動的核心部分，用于實時處理觀測系統(tǒng)提供的運動姿態(tài)數(shù)據(jù)，并對各推進(jìn)器輸出功率進(jìn)行實時調(diào)整，以實現(xiàn)平穩(wěn)的運動姿態(tài)。包括運動控制軟件、水下通信接口、傳輸臍帶纜（含絞盤）、姿態(tài)定位系統(tǒng)和控制軟件。

水下移動平臺用于搭載觀測系統(tǒng)的各種傳感器，以及接收水下移動平臺控制系統(tǒng)下達(dá)的推進(jìn)器轉(zhuǎn)動指令。水下載體采用框架式結(jié)構(gòu)，包含水下移動平臺框架、水密耐壓殼體、供電電池、配重浮塊等。

超短基線定位系統(tǒng)由超短基線基站和應(yīng)答器兩個部分組成；其中超短基線定位基站由固定繩索或支架懸掛在水面艦艇或潛艇的舷側(cè)水下（如圖2），應(yīng)答器由水下移動平臺進(jìn)行搭載（如圖2）。工作時由基站向應(yīng)答器不斷發(fā)送聲脈沖信號，應(yīng)答器在接收到該信號后立即應(yīng)答相應(yīng)的信號給基站?；镜乃犉靼凑杖切位蛑苯沁M(jìn)行布陣并共面，該面同時也作為基準(zhǔn)平面，通過計算應(yīng)答器應(yīng)答信號到基線之間的相位差進(jìn)行應(yīng)答器的方位估計，同時計算斜距，從而完成對應(yīng)答器的水下定位。該定位結(jié)果既可是應(yīng)答器相對于基站接收陣坐標(biāo)系，當(dāng)超短基線定位系統(tǒng)配置北斗或GPS定位裝置后，也可將目標(biāo)水下定位的結(jié)果換算成大地坐標(biāo)系的坐標(biāo)。

3.2 軟件設(shè)計

測試系統(tǒng)的軟件主要由顯控主程序、運動控制程序、觀測系統(tǒng)程序三大部分組成，三個程序間的數(shù)據(jù)交換通過接口通信模塊完成。

顯控主程序由如圖4所示的測試參數(shù)設(shè)置模塊、聲納響應(yīng)人工錄取模塊、測試態(tài)勢顯示模塊，接口通信模塊、數(shù)據(jù)波形顯示模塊、測試記錄與管理模塊、信號處理模塊和聲納功能評估模塊模塊8個模塊組成。

圖4 顯控系統(tǒng)軟件框圖

運動控制程序由運動姿態(tài)自動控制程序和接口傳輸模塊兩部分組成。

觀測系統(tǒng)程序則由圖5所示的信號源程序、溫深鹽解析模塊、圖像解析模塊、導(dǎo)航及姿態(tài)解析模塊和接口傳輸模塊5部分組成。

3.3 測試信號仿真

主動聲納工作時的目標(biāo)回波信號，被動聲納檢測時目標(biāo)的輻射噪聲是聲納檢測目標(biāo)的關(guān)鍵因素［9～10］，“目標(biāo)”信號的仿真度越高，對系統(tǒng)在線情況下的性能的檢測也就可信度越高［10］，因此，系統(tǒng)將針對不同型號的裝備，產(chǎn)生不同類型的仿真信號，對應(yīng)檢測被測艦殼聲納的相應(yīng)性能。

圖5 觀測系統(tǒng)軟件框圖

3.3.1 主動回波仿真

主動回波是本艦聲納發(fā)射經(jīng)目標(biāo)反射和雙程傳播到達(dá)聲陣的脈沖序列信號［9～10］。主動回波信號具有明顯的發(fā)射信號的特征，可以根據(jù)被測聲納具體發(fā)射信號的形式，通過迭代算法產(chǎn)生。改變迭代參數(shù)則可產(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6所示。

圖6 主動回波信號算法流程

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。

回波期間判斷: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。

3.3.2 偵察脈沖仿真

偵察脈沖是目標(biāo)艦聲納發(fā)射經(jīng)單程傳播到達(dá)聲陣的脈沖信號。現(xiàn)代聲納已經(jīng)廣泛使用各種長、短單頻脈沖，線性調(diào)頻脈沖，雙曲調(diào)頻脈沖及組合脈沖等各種形式信號［2］。

偵察脈沖算法流程如圖7所示。

圖7 偵察脈沖信號算法流程

脈沖期計時:根據(jù)脈沖重復(fù)周期和脈沖寬度，按照設(shè)定的時間步長計算脈沖持續(xù)期和脈沖間歇期。

脈沖持續(xù)期判斷:將脈沖接收計時與脈沖持續(xù)期和脈沖間歇期進(jìn)行比較，判斷該仿真時刻是否處在脈沖持續(xù)期間，確定是否進(jìn)入脈沖運算模塊。

脈沖波形參數(shù)計算:根據(jù)偵察脈沖的類型，脈沖中心頻率及掃頻寬度（調(diào)頻脈沖）計算出偵察脈沖的三階相位迭代量。

脈沖波形序列計算:利用相位迭代量進(jìn)行迭代計算，在脈沖期間連續(xù)的給出脈沖的時間序列。

偵察目標(biāo)接收級計算:按照偵察方式聲納方程，由輸入的目標(biāo)聲源級和傳播損失，同時計入基陣垂直增以后，算出聲陣基元接收到的偵察目標(biāo)接收級。

偵察幅度控制:對模擬器輸出的的偵察脈沖序列進(jìn)行幅度控制，使其具有指定的脈沖級。

3.3.3 艦船輻射噪聲仿真

螺旋槳噪聲、機械噪聲和水動力噪聲是艦船噪聲的三大主要來源。一般情況下，螺旋槳空化噪聲譜具有平穩(wěn)的連續(xù)特性，機械噪聲譜則主要顯現(xiàn)為低頻部分的離散線譜。因此艦船輻射噪聲譜可以用式（1）來表示［12］：

其中GX(f)為服從高斯分布的連續(xù)譜，GL(f)為在低頻段上的離散線譜，M(t)M(f)GX(f)是受到周期調(diào)制的時變功率譜，主要是由于螺旋槳葉片周期轉(zhuǎn)動對輻射噪聲產(chǎn)生了調(diào)制而形成。

而具體仿真時，各具體功率譜的形式，則根據(jù)被測聲納的具體信號處理方式而選用不同的模擬函數(shù)進(jìn)行仿真。

4 結(jié)語

測試系統(tǒng)采用水下移動平臺，搭載測試聲納，利用超短基線定位裝置對水下測試聲納進(jìn)行定位，通過測試聲納收發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行提供聲源和接收信號處理，水面上顯控處理機接收測試聲納的實時測試數(shù)據(jù)，評估被測艦殼聲納的性能指標(biāo)。采用小型化、模塊化設(shè)計，可以滿足多型號艦殼聲納系泊條件下測試和檢驗需求。測試系統(tǒng)降低了以往艦殼聲納測試的兵力配合需求，將大大提高現(xiàn)役聲納裝備在線檢測和測試效率，讓艦艇聲納部門能夠隨時全面的掌握艦殼聲納的綜合性能。