鄧秀華

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所 宜昌 443003）

1 引言

自導(dǎo)深彈脫靶試驗(yàn)時(shí)，目標(biāo)模擬器模擬潛艇目標(biāo)的回波，應(yīng)答自導(dǎo)深彈的主動(dòng)尋的信號(hào)，自導(dǎo)深彈在自導(dǎo)控制系統(tǒng)作用下，瞄準(zhǔn)目標(biāo)模擬器進(jìn)行攻擊［1～2］。自導(dǎo)深彈下潛彈道可由慣性測(cè)量組合內(nèi)測(cè)、聲外測(cè)兩種方法完成，測(cè)量系統(tǒng)中的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS完成目標(biāo)模擬器水面布放浮標(biāo)點(diǎn)大地坐標(biāo)測(cè)量，近似為目標(biāo)模擬器在水下的位置，從彈道軌跡中可近似解算得出自導(dǎo)深彈與目標(biāo)模擬器的最小距離，即脫靶距離。

海上試驗(yàn)時(shí)，目標(biāo)模擬器一般處于水下某一深度，離海面和海底均有一定距離，受水流等因素的影響，將水面布放位置近似為水下位置，偏差可達(dá)數(shù)十米，隨之帶來(lái)的脫靶距離測(cè)量誤差也較大。

因此，必須設(shè)計(jì)專(zhuān)用于脫靶距離測(cè)量的系統(tǒng)。本文提出采用同步聲脈沖測(cè)距的自導(dǎo)深彈脫靶距離測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以連續(xù)精確測(cè)量自導(dǎo)深彈與目標(biāo)模擬器之間的距離，并解算得出脫靶距離［3］。

2 測(cè)量原理

自導(dǎo)深彈上安裝有同步聲信標(biāo)，信標(biāo)在同步脈沖控制下同步發(fā)射聲脈沖，布放于目標(biāo)模擬器下方的測(cè)量基陣接收此同步信標(biāo)發(fā)出的聲脈沖，經(jīng)頻率、能量、脈寬等檢測(cè)，判斷信號(hào)的有無(wú)，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)匹配相關(guān)的檢測(cè)方法［4～5］，計(jì)算信號(hào)到達(dá)時(shí)刻，解算試驗(yàn)彈與水聽(tīng)器的距離值，并判斷自導(dǎo)深彈的下潛攻擊或上浮回收狀態(tài)，精確的解算出深彈與目標(biāo)模擬器的距離，并進(jìn)一步求得自導(dǎo)深彈發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標(biāo)時(shí)與目標(biāo)模擬器的最小距離，即脫靶距離。測(cè)量原理見(jiàn)圖1。

測(cè)量系統(tǒng)水聽(tīng)器1＃、2＃與目標(biāo)模擬器發(fā)聲器垂直布放成一直線，水聽(tīng)器1＃、2＃構(gòu)成直線接收陣，水聽(tīng)器1＃、2＃間距為d1，2＃水聽(tīng)器與目標(biāo)靶發(fā)聲器間距為d2。經(jīng)信號(hào)處理，分別得出同步信標(biāo)同步聲脈沖發(fā)射時(shí)刻與1＃、2＃水聽(tīng)器接收到此信號(hào)的時(shí)刻間的延遲時(shí)間t1和t2，在已知聲速c的情況下，即可得試驗(yàn)彈與水聽(tīng)器的距離r1和r2，進(jìn)而求得俯仰角θ，再三角解算求得R，即為彈目距離，并可進(jìn)一步解算脫靶距離。

俯仰角θ，是兩水聽(tīng)器連線與1＃水聽(tīng)器與試驗(yàn)彈連線的夾角。俯仰角的變化用于判斷試驗(yàn)彈的下潛或上浮狀態(tài)。

圖1 測(cè)量原理圖

試驗(yàn)時(shí)，距離測(cè)量精度與測(cè)量水聽(tīng)器的空間位置有關(guān)，水聽(tīng)器的布置還必須同時(shí)考慮湖海試驗(yàn)時(shí)布放回收使用時(shí)操作的方便性、安全性等。

距離測(cè)量誤差隨著水聽(tīng)器間距d1的增大而減小。根據(jù)試驗(yàn)態(tài)勢(shì)仿真，d1在約3m以?xún)?nèi)，增大d1，距離測(cè)量誤差迅速減?。籨1大于3m后，再增大d1，距離測(cè)量誤差雖然也能減小，但已不明顯?？紤]水下布放使用回收的簡(jiǎn)便性和安全性，d1不宜太大，因此d1宜取3m～4.5m。實(shí)現(xiàn)時(shí)，兩水聽(tīng)器間距d1由水聽(tīng)器電纜長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)，并精確測(cè)量到厘米級(jí)以下。

距離測(cè)量誤差隨著2＃水聽(tīng)器與靶距離d2的增大而增大。為減小誤差，2＃水聽(tīng)器最好是緊挨著目標(biāo)模擬器發(fā)聲器。但是，水下工作時(shí)，目標(biāo)模擬器發(fā)射換能器下方一般有安裝電子設(shè)備的較大的密封殼體，水下會(huì)旋轉(zhuǎn)，且其姿態(tài)有嚴(yán)格要求。水聽(tīng)器電纜不能干擾目標(biāo)模擬器殼體，因此，2＃水聽(tīng)器放在目標(biāo)模擬器殼體下方，實(shí)際使用時(shí)，考慮減小信號(hào)因模擬器殼體遮擋而帶來(lái)的影響，2＃水聽(tīng)器必須在下方離開(kāi)一定距離。根據(jù)試驗(yàn)態(tài)勢(shì)仿真，d2宜取1m～3m。實(shí)現(xiàn)時(shí)，間距d2由吊放位置來(lái)調(diào)節(jié)，并精確測(cè)量到厘米級(jí)以下［6］。

3 系統(tǒng)組成

脫靶距離測(cè)量系統(tǒng)由同步發(fā)射聲信標(biāo)、水下接收陣及測(cè)量系統(tǒng)、水面同步控制設(shè)備等組成。

同步發(fā)射聲信標(biāo)安裝于試驗(yàn)自導(dǎo)深彈，在同步脈沖控制下同步發(fā)射聲脈沖。信標(biāo)結(jié)構(gòu)必須滿足試驗(yàn)彈衡重、流線型等要求。

水下接收陣及測(cè)量系統(tǒng)包含接收水聽(tīng)器陣、水下電子艙、水面設(shè)備及相應(yīng)的輔助設(shè)備。如圖2。

圖2 水下接收陣及測(cè)量系統(tǒng)

水下電子艙包含水密殼體與水密件、電路模塊、深度傳感器、電池組以及模盒架等；電路模塊包含：濾波放大模塊、同步功能模塊、信號(hào)高速采集存儲(chǔ)功能模塊、嵌入式控制模塊、深度電路模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊等。同步功能模塊包含以下功能：接收水面同步控制設(shè)備的啟動(dòng)／停止控制及同步控制，產(chǎn)生同步脈沖信號(hào)，產(chǎn)生幀脈沖信號(hào)及測(cè)距脈沖信號(hào)。信號(hào)高速采集存儲(chǔ)功能模塊采集存儲(chǔ)的信號(hào)有同步脈沖信號(hào)、水聽(tīng)器信號(hào)、深度信號(hào)。

水面設(shè)備包含水面同步控制設(shè)備、數(shù)據(jù)回收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、自檢設(shè)備與信號(hào)采集監(jiān)測(cè)儀、GPS授時(shí)儀等等。

水面同步控制設(shè)備可由GPS提供標(biāo)準(zhǔn)同步鐘，具備對(duì)水下電子艙的同步功能模塊和同步發(fā)射聲信標(biāo)的同步控制和同步檢查能力，能對(duì)水下電子艙的同步功能模塊和同步發(fā)射聲信標(biāo)進(jìn)行啟動(dòng)／停止控制。

4 信號(hào)處理

同步信標(biāo)發(fā)射的聲脈沖信號(hào)需專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，為固定脈寬的調(diào)頻調(diào)幅信號(hào)，在同步鐘的控制下以固定間隔向外發(fā)射周期性脈沖，具有水平和豎直全方位的發(fā)射指向性，同步信標(biāo)聲源級(jí)應(yīng)盡量小，以減小對(duì)自導(dǎo)深彈自導(dǎo)系統(tǒng)的影響［7］。

圖3是水下接收陣及測(cè)量系統(tǒng)采集存儲(chǔ)的信號(hào)，有同步脈沖信號(hào)、水聽(tīng)器接收到的信號(hào)，水聽(tīng)器信號(hào)中含有試驗(yàn)彈上同步信標(biāo)發(fā)射的聲脈沖。

同步聲脈沖發(fā)射時(shí)刻是同步脈沖的上升沿時(shí)刻，在同步脈沖的一個(gè)周期間隔內(nèi)，采用匹配相關(guān)法來(lái)求解同步信標(biāo)同步聲脈沖發(fā)射時(shí)刻與1＃、2＃水聽(tīng)器接收到此信號(hào)的時(shí)刻間的延遲時(shí)間。信號(hào)處理框圖見(jiàn)圖4。

圖3 同步脈沖與聲信號(hào)

圖4 延遲時(shí)間估計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)是在消聲水池采集的同步信標(biāo)發(fā)射的聲脈沖信號(hào)。消聲水池采集時(shí)，調(diào)整同步信標(biāo)與接收水聽(tīng)器的水平位置，保證信號(hào)約在滿幅度。采樣頻率fs以4倍奈奎斯特頻率采樣［8～9］，得到的標(biāo)準(zhǔn)聲脈沖信號(hào)信號(hào)序列表示為

x1為聲脈沖信號(hào)的起點(diǎn)，xN為聲脈沖信號(hào)的終點(diǎn)，其中N為采樣率與信號(hào)脈寬的乘積：

式中T為聲脈沖信號(hào)的脈寬。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試信號(hào)采樣率和消聲水池保持一致，一幀信號(hào)序列表示為

進(jìn)行匹配相關(guān)相乘累加：

數(shù)據(jù)處理時(shí)以同步鐘上升沿為起點(diǎn)，采用滑動(dòng)平均，滑動(dòng)步長(zhǎng)最小可以為信號(hào)采樣間隔1／fs。

假設(shè)同步脈沖的周期為0.1s，滑動(dòng)步長(zhǎng)為0.01ms，那么，在一個(gè)同步間隔周期內(nèi)，共滑動(dòng)10000次，得到累加和序列：

在Z序列中求最大值，并判斷相鄰的旁瓣是否同時(shí)存在，此時(shí)Z的序號(hào)n經(jīng)計(jì)算可得出信號(hào)到達(dá)時(shí)刻τ，單位為s

τ＝n×0.01×10－3（s）。

分別求得同步信標(biāo)同步聲脈沖發(fā)射時(shí)刻與兩水聽(tīng)器接收到此信號(hào)的時(shí)刻間的延遲時(shí)間，在已知聲速c的情況下，試驗(yàn)彈與兩水聽(tīng)器的距離r1和r2按以下公式計(jì)算

式中，τ1、τ2為同步信標(biāo)同步聲脈沖發(fā)射時(shí)刻與1＃、2＃水聽(tīng)器接收到此信號(hào)的時(shí)刻間的延遲時(shí)間的數(shù)值，單位為s；

r1、r2為試驗(yàn)彈與1＃、2＃水聽(tīng)器間距的數(shù)值，單位為m；c為聲速的數(shù)值，單位為m／s。

數(shù)據(jù)滑動(dòng)帶來(lái)延遲時(shí)間估計(jì)誤差，滑動(dòng)步長(zhǎng)越小帶來(lái)的測(cè)距誤差越小，按采集間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)滑動(dòng)，測(cè)距誤差為

如fs＝100kHz，聲速取1500m／s，代入上式計(jì)算得數(shù)據(jù)滑動(dòng)帶來(lái)的測(cè)距誤差為1.5cm，幾乎可以忽略不計(jì)。

1＃、2＃兩水聽(tīng)器連線與1＃水聽(tīng)器與試驗(yàn)彈連線的夾角θ，定義為俯仰角，按以下公式計(jì)算：

式中，θ為俯仰角的數(shù)值，單位為°；d1為兩水聽(tīng)器間距的數(shù)值，單位為m。

試驗(yàn)彈與目標(biāo)模擬器發(fā)射換能器距離R計(jì)算公式為

式中，R為試驗(yàn)彈與目標(biāo)模擬器發(fā)射換能器距離的數(shù)值，單位為m。

根據(jù)俯仰角θ判斷試驗(yàn)彈的下潛或上浮狀態(tài)。脫靶量T為試驗(yàn)彈發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標(biāo)下潛過(guò)程中試驗(yàn)彈與目標(biāo)靶的最小距離，計(jì)算公式為

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的自導(dǎo)深彈脫靶距離測(cè)量系統(tǒng)，采用同步測(cè)距法，利用匹配相關(guān)技術(shù)進(jìn)行精確信號(hào)到達(dá)時(shí)延估計(jì)，作用距離可到幾百米，測(cè)距精確；采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)同步鐘，可以滿足異地同步操作的實(shí)際需求；采用嵌入式大容量信號(hào)采集存儲(chǔ)和低功耗設(shè)計(jì)，水下系統(tǒng)工作時(shí)間可以很長(zhǎng)，完全覆蓋試驗(yàn)時(shí)間段，且布放使用回收方便。自導(dǎo)深彈脫靶距離測(cè)量系統(tǒng)可應(yīng)用于自導(dǎo)深彈湖海試驗(yàn)中完成脫靶距離測(cè)量，也可應(yīng)用于自導(dǎo)水雷等主動(dòng)攻擊或末端自導(dǎo)武器的脫靶距離測(cè)量。

同時(shí)，由于慣性測(cè)量組合內(nèi)測(cè)、聲外測(cè)對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)軌跡測(cè)量精度難以評(píng)估，而脫靶距離測(cè)量系統(tǒng)的距離測(cè)量可以做到非常精確，因此，利用GPS授時(shí)儀統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)后，脫靶距離測(cè)量系統(tǒng)還可用于對(duì)慣組內(nèi)測(cè)、聲外測(cè)對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量精度的評(píng)估［10］。

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