(91388部隊(duì)91分隊(duì) 湛江 524022)

1 引言

目前魚(yú)雷上使用的引信主要有磁引信、電磁引信和聲引信三種。聲引信因具有體積小、重量輕等特點(diǎn),在魚(yú)雷上具有更好的應(yīng)用前景。目前聲引信已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外多型反潛魚(yú)雷[1],國(guó)外已經(jīng)建立比較完善的魚(yú)雷全雷仿真試驗(yàn)系統(tǒng),國(guó)內(nèi)尚無(wú)聲引信仿真試驗(yàn)平臺(tái)。傳統(tǒng)的湖、海試驗(yàn)方法雖然可靠,但由于其規(guī)模大、周期長(zhǎng)、成本高,限制了試驗(yàn)次數(shù),從而影響系統(tǒng)整體性能的評(píng)估[2]。另外,受武器系統(tǒng)破壞性和試驗(yàn)環(huán)境可控性差等因素限制,實(shí)航試驗(yàn)無(wú)法滿足武器系統(tǒng)全部戰(zhàn)技指標(biāo)考核所要求的復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境[3],以上這些嚴(yán)重阻礙了聲引信的保障和研發(fā),迫切需要設(shè)計(jì)一種實(shí)用的聲引信仿真試驗(yàn)系統(tǒng)。

2 魚(yú)雷主動(dòng)聲引信的工作原理與仿真試驗(yàn)方法

2.1 魚(yú)雷主動(dòng)聲引信的工作原理

魚(yú)雷聲引信的工作原理與聲自導(dǎo)和一般聲納系統(tǒng)類似,聲引信發(fā)射機(jī)向海水中發(fā)射一定頻率的聲脈沖,該聲脈沖被目標(biāo)、海面或海水中的其他散射體散射,其中一部分散射波被聲引信接收機(jī)接收,聲引信對(duì)其進(jìn)行信號(hào)處理,判別出目標(biāo)存在并在引信作用半徑以內(nèi)后引爆魚(yú)雷的裝藥。

2.2 魚(yú)雷主動(dòng)聲引信的仿真試驗(yàn)方法

魚(yú)雷主動(dòng)聲引信仿真試驗(yàn)系統(tǒng)就是要在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬聲引信工作的海洋水聲環(huán)境。系統(tǒng)以基于PXI總線的虛擬儀器為硬件基礎(chǔ)[4～5],利用海洋聲傳播模型,構(gòu)建聲引信工作的模擬海洋水聲環(huán)境。通過(guò)聲對(duì)接技術(shù)實(shí)現(xiàn)真實(shí)魚(yú)雷聲引信與仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的聲連接。仿真試驗(yàn)系統(tǒng)在接收到魚(yú)雷聲引信發(fā)射信號(hào)以后,根據(jù)設(shè)定的初始條件和邊界條件,給出各種干擾信號(hào)或者包含各種干擾信號(hào)的回波信號(hào),聲引信根據(jù)接收信號(hào)判斷有無(wú)目標(biāo)存在及目標(biāo)距離是否達(dá)到觸發(fā)門限值。

3 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)的工作原理為：系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),先確定是工作在反潛工況還是反艦工況,仿真系統(tǒng)采集一次聲引信發(fā)射信號(hào),對(duì)該信號(hào)進(jìn)行分析,得到其中心頻率和帶寬,同時(shí)根據(jù)初始和和邊界條件以及混響模型產(chǎn)生相應(yīng)的混響信號(hào)時(shí)間序列,將混響與各種其他干擾信號(hào)一起通過(guò)PXI總線寫入波形采集和回放模塊,系統(tǒng)根據(jù)魚(yú)雷與目標(biāo)當(dāng)前的距離,產(chǎn)生相應(yīng)的延時(shí)和衰減值,將干擾回波進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換以后疊加輸出,通過(guò)對(duì)接換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)被魚(yú)雷聲引信換能器接收,魚(yú)雷聲引信根據(jù)該信號(hào)判斷與目標(biāo)的距離,從而控制引信動(dòng)作。引信動(dòng)作的起爆電壓信號(hào)通過(guò)邊界條件以及混響模型產(chǎn)生相應(yīng)的混響信號(hào)時(shí)間序列,將混響與各種其他干擾信號(hào)一起通過(guò)PXI總線寫入波形采集和回放模塊,系統(tǒng)根據(jù)魚(yú)雷與目標(biāo)當(dāng)前的距離,產(chǎn)生相應(yīng)的延時(shí)和衰減值,將干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)分壓處理,反饋給仿真系統(tǒng),仿真系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前仿真的狀態(tài)和引信動(dòng)作信息,對(duì)引信是否合格給出結(jié)論。

圖1 仿真試驗(yàn)原理圖

4 系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)探討

4.1 聲對(duì)接裝置

聲對(duì)接裝置主要由基座、對(duì)接換能器和透聲橡膠組成。對(duì)接裝置要求實(shí)現(xiàn)對(duì)接換能器與聲引信換能器準(zhǔn)確機(jī)械耦合并有一定的均勻壓力;透聲橡膠必須均勻無(wú)雜質(zhì),且聲阻抗與海水一致。聲對(duì)接裝置及其與PXI機(jī)箱的連接關(guān)系如圖2所示。

圖2 聲對(duì)接裝置示意圖

4.2 DDS組件

DDS技術(shù)[6]是一種新興的直接數(shù)字頻率合成技術(shù),具有頻率分辨率高、頻率切換速度快、切換相位連續(xù)、輸出信號(hào)相位噪聲低、可編程、全數(shù)字化易于集成、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn),因而在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)采用Analog Devices公司的AD9850[7]。該芯片具有如下特點(diǎn)：采用+3.3V或+5V供電;125M的時(shí)鐘頻率;32位頻率控制字;5位相位控制字。能產(chǎn)生頻率為0.029Hz～62.5 MHz的正弦或方波信號(hào),并能附加11.25°、22.5°、45°、90°、180°以及他們之間任意組合的相位。能在-40℃～85℃的溫度范圍內(nèi)可靠工作。采用3.3V供電時(shí)功耗僅為155mW。DDS結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。

4.3 接口技術(shù)

本地控制邏輯與PCI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,必須設(shè)計(jì)接口。目前設(shè)計(jì)接口普遍采用接口芯片加上CPLD實(shí)現(xiàn)[8～9]。本系統(tǒng)采用S5920[10]實(shí)現(xiàn)接口設(shè)計(jì)。S5920是AMCC公司推出的一種PCI總線接口芯片,它可被視作S5933的子集。與之相比,S5920減少了總主控的功能,但其它性能與之相仿或有所增強(qiáng),但價(jià)格降低了很多。因此,在無(wú)需進(jìn)行總線主控的場(chǎng)合,使用S5920具有更高的性價(jià)比。S5920的主要特點(diǎn)如下：符合PCI2.2標(biāo)準(zhǔn)的總線目標(biāo)/受控設(shè)備;具有最高132M字節(jié)/秒的傳輸速率;具有可編程的預(yù)取和等待狀態(tài);帶有4個(gè)集成32位讀寫FIFO的直通通道;外加總線可工作于主動(dòng)或被動(dòng)狀態(tài);具有直接操作的信箱數(shù)據(jù)鎖存/中斷引腳和直接操作的PCI和外加總線中斷引腳;支持即插即用;支持串行nvRAM(非易失性RAM)和可選的外部BIOS;采用160腳PQFP封裝。

圖3 DDS結(jié)構(gòu)原理圖

4.4 AD/DA轉(zhuǎn)換技術(shù)

本系統(tǒng)采用ADS831[11]及AD9709[12]實(shí)現(xiàn)AD/DA轉(zhuǎn)換。ADS831采用+5V單電源供電,內(nèi)含一個(gè)8位編碼器,高帶寬跟蹤保持器以及高精確的內(nèi)部參考源。也可由用戶設(shè)置使用外部參考源。最高采樣頻率為80MHz。

AD9709是一個(gè)高速雙通道8位CMOS數(shù)模轉(zhuǎn)換器。它在一個(gè)48腳的LQFP封裝里集成了兩個(gè)高質(zhì)量的T xDAC+核心,一個(gè)參考電壓源以及數(shù)字接口。主要特點(diǎn)如下：雙通道,8位DA轉(zhuǎn)換,最高125MSPS的采樣率,采用3V或5V單電源供電,功耗僅為380mW。

5 仿真試驗(yàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言,軟件完成采集數(shù)據(jù)的分析、回波信號(hào)的產(chǎn)生以及試驗(yàn)流程的控制。試驗(yàn)流程圖如圖4所示。

圖4 仿真試驗(yàn)流程圖

系統(tǒng)工作時(shí),軟件對(duì)聲引信發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集,得到發(fā)射信號(hào)脈寬,并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析,得出發(fā)射信號(hào)中心頻率。在一定的頻率范圍內(nèi)按照給定的頻率間隔發(fā)射聲信號(hào),采集聲引信系統(tǒng)的輸出信號(hào),從而分析得出接收通道的工作頻率。在模擬目標(biāo)距離范圍內(nèi),通過(guò)模擬連續(xù)兩個(gè)或三個(gè)回波脈沖、間隔一個(gè)或兩個(gè)周期的回波脈沖,觀察引信的動(dòng)作和抗干擾能力。引信延遲時(shí)間通過(guò)軟件記錄回波信號(hào)給出到引信動(dòng)作的時(shí)間得到。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)魚(yú)雷主動(dòng)聲引信仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的現(xiàn)狀,首先介紹了魚(yú)雷主動(dòng)聲引信的工作原理和仿真試驗(yàn)方法;從模擬聲引信工作的海洋水聲環(huán)境入手,對(duì)構(gòu)建魚(yú)雷主動(dòng)聲引信仿真試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行探討,給出了系統(tǒng)組成和工作原理以及系統(tǒng)各部分的硬件設(shè)計(jì)和仿真試驗(yàn)流程,對(duì)魚(yú)雷主動(dòng)聲引信仿真試驗(yàn)技術(shù)研究有一定的指導(dǎo)意義。決定系統(tǒng)仿真試驗(yàn)結(jié)果可信度的關(guān)鍵因素是海洋聲傳播模型的可信度,系統(tǒng)如何更真實(shí)地反映各種初始和邊界條件對(duì)聲引信聲信號(hào)傳播的影響,最終給出更真實(shí)的模擬聲信號(hào),進(jìn)一步提高仿真試驗(yàn)結(jié)果的可信度,尚待進(jìn)一步研究。虛擬儀器和聲對(duì)接技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用,本文給出的仿真試驗(yàn)方法在理論和實(shí)踐上都是可行的。

[1]任志良.魚(yú)雷非觸發(fā)引信原理與設(shè)計(jì)[M].武漢：海軍工程大學(xué),2004：7～9

[2]Bailey M,Doerr J.Contributions of Hardware-in-theloop Simulation to Navy Test and Evalulation[J].Information Science,1996(1)：33～43

[3]David S,Samuel A.Application of hardware-in-theloop simulation to operational test and evaluation[J].European Journal of Agronomy,1999(12)：80～88

[4]錢國(guó)平,馬懷儉.基于PXI總線的數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào),2003,8(6)：61～64

[5]梁慶云.PXI總線接口研究及多通道串行接口模塊設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2003

[6]邵翠平.符氣葉.基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的信號(hào)發(fā)生器[J].科技信息,2008(24)：434～435

[7]CMOS,125M Hz Complete DDS Synthesizer AD9850[Z].Analog Devices,Inc,1999

[8]艾星林,張偉,張鳳華,等.基于CPLD和雙SRAM的發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表,2009,46(1)：12～15

[9]俞冠生.PCI總線接口的CPLD設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子,2000(3)：24～29

[10]張軍,修明磊,王瑩.PCI總線接口芯片S5920及其應(yīng)用[J].國(guó)外電子元器件,2002(4)：64～67

[11]8-Bit,80M Hz Sampling Analog-to-Digital Converter ADS831[Z].Burr-Brown Corporation,1998

[12]8-Bit,125M SPSDualTxDAC+DAConverter Ad9709[Z].Analog Devices,Inc,2000