譚菊琴，李文鵬，陳荷娟

（南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094）

0 引言

主動超聲探測技術是現(xiàn)代水中彈藥近炸引信常用的技術之一，它依據目標返回的回波和目標聲輻射特性實現(xiàn)目標精確定位，是實施精確打擊的一種有效手段。當引信由彈藥系統(tǒng)直接投送到目標區(qū)域，理想情況下，引信主動式聲近感裝置只需發(fā)射一種周期固定的恒定載頻（constant frequency，簡稱CF）脈沖信號，因信號簡單，通過判斷回波有無就可實現(xiàn)“發(fā)現(xiàn)”目標的功能。當前，多數(shù)超聲目標探測器已經具備這種“發(fā)現(xiàn)”功能。但是，對于水中彈藥近炸引信來說，實際工作環(huán)境復雜，存在各種干擾（如海洋環(huán)境、艦船噪聲、鄰彈干擾等），實際上，從回波不能識別是探測器自身發(fā)射信號經目標反射的回波，還是其他物體（非攻擊目標）反射的回波，從而會帶來引信的誤判斷和誤動作。解決這一問題的根本途徑是要抑制干擾，提高引信對目標信息的獲取水平。

關于引信主動探測的定位與目標識別研究中，多數(shù)研究集中于發(fā)射波形設計［1－3］和接收信號處理方法［4］。如文獻［1—2］研究了窄帶條件下調制信號探測性能，文獻［3］研究了寬帶條件下調制信號探測性能。上世紀九十年代末，南京理工大學陳荷娟、石建，提出了區(qū)分鄰彈和目標的多普勒頻偏控制方法［4］。為提高抗鄰彈干擾，文獻［5］在此研究基礎上，提出了雙門控制方法，解決了多普勒頻偏法不能確認收到的回波是自身發(fā)射信號經目標反射的回波，還是其他探測器經目標反射的回波的問題。但是，現(xiàn)階段主動聲近炸引信的發(fā)射系統(tǒng)是采用單體制固定發(fā)射周期進行信號發(fā)射控制的，這種探測機制易丟失目標。因此，本文提出基于回波的單路超聲探測雙波發(fā)射控制策略。

1 雙門控制法的控制特征

雙門控制法的控制特征如圖1所示。圖1中s（t）是發(fā)射信號；r（t）是回波信號；g（t）是回波信號經接收電路處理后的輸出信號，即控制器輸入信號，g（t）＝0表示未收到回波，否則，g（t）＝1；d（t）為雙門控制信號；τp1為信號脈寬；B為第一個控制門的最大門寬，τh為其延遲開門時間；Bk為第二個控制門的最大門寬；T是探測周期，從控制器開始工作到下一次開啟時所經歷的時間，T＝T1＋T2。為降低近距離體積混響，提高抗干擾的能力，只允許控制門內接收信號。

圖1 雙門控制法Fig.1 Double－gate control method

見圖1，若t＝τm1，且第一個控制門d（t）＝1（τh＜t＜ （τh＋B））時，r（t）中出現(xiàn)信號CF／，即r（t）≠0，對應g（t）≠0，說明有物體出現(xiàn)，則在t＝τ1＝τm1＋τp1（假設為理想信道）時，立即使d（t）由“1”變?yōu)椤?”，停止接收r（t）信號。為了確認信號CF′的性質，在關閉第一個控制門時，發(fā)射第2個CF信號。接著，在上次出現(xiàn)CF′信號前Bk／2時，開啟第二個控制門，此時，d（t）由“0”變?yōu)椤?”。若在τk1＜t＜ （τk1＋Bk）內，沒有出現(xiàn)回波CF′，如圖1（a），則說明第1次接收到的回波是非目標信號，可認為是干擾信號。如果第一個控制門內出現(xiàn)的是目標回波信號，只要t＜（1／2）T，在接下來的第二個控制門就會再次接收到回波CF′，見圖1（b）。因此，第一個控制門具有發(fā)現(xiàn)目標的功能，故稱作“發(fā)現(xiàn)門”；第二個控制門具有確認目標的功能，故稱作“確認門”。從圖中可知，門寬B、Bk受回波控制，且門寬B上限值不超過（T－τh）。

圖1（a）所示s1（t）、g1（t）表達式為：

式中，uCF（t）為矩形包絡CF恒頻脈沖信號，f0是載波頻率，rect（·）為矩形函數(shù)；n為整數(shù)：1，2，…，N。

圖1（b）所示s2（t）、g2（t）表達式為

雖然，雙門控制法簡單、有抗干擾能力，但是，探測周期T固定，會影響探測器的響應。另外，它針對的是單波信號的發(fā)射控制，該探測體制無法獲取更多目標特征信息。

蝙蝠不同的捕食行為具有特定捕食策略，它在捕食獵物時，按搜索、捕捉和結束三個階段，實施捕食行為，其發(fā)射波形可根據捕食行為、目標距離自適應地調整。已經發(fā)現(xiàn)，有一種發(fā)射CF－FM波形的蝙蝠，它們在搜索階段發(fā)射長周期含CF成份的超聲波，一旦發(fā)現(xiàn)目標，立即改發(fā)含F(xiàn)M成份的超聲波，以求獲得目標精細信息，對目標進行識別；隨著與目標的接近，還會逐漸減少脈寬、發(fā)射周期，保持對目標的追蹤［6－7］。

2 基于回波單路探測的雙波發(fā)射動態(tài)控制方法

本文在雙門控制信號基礎上，借鑒蝙蝠回聲定位信號的發(fā)射控制策略，提出一種新的控制策略，旨在最大探測距離內，基于回波信息控制恒頻、調頻兩種超聲波形發(fā)射的自動切換。

2.1 仿蝙蝠超聲探測的雙波發(fā)射動態(tài)控制原理

仿蝙蝠超聲探測雙波發(fā)射動態(tài)控制系統(tǒng)結構框圖如圖2所示，它主要由信號發(fā)生器、發(fā)射控制電路、發(fā)射電路、接收處理電路和水聲換能器組成。發(fā)射控制電路在電源控制下啟動，控制信號發(fā)生器產生CF脈沖信號，經發(fā)射電路，由水聲換能器1向水中發(fā)射超聲波，探測器開始搜索目標。延時一段時間后，關閉發(fā)射系統(tǒng)，打開接收處理電路。若在信號發(fā)送接收最大探測周期Tmax內，換能器2未接收到r（t）信號（即r（t）＝0），或經判斷無目標存在，則繼續(xù)發(fā)CF超聲波。若目標存在，且Tmax＞T＞Tmin（Tmin對應最小探測距離）時，發(fā)FM 超聲波；T≤Tmin，立即輸出起爆信號。

圖2 雙波發(fā)射控制系統(tǒng)結構框圖Fig.2 Structure diagram of dual－wave emission control system

2.2 基于回波單路探測雙波發(fā)射動態(tài)控制策略

控制策略如圖3所示，設m（t）是控制信號；E（t）為起爆控制信號，若E（t）＝0表示不輸出起爆指令，E（t）＝1表示輸出起爆指令。

策略一：如圖3（a）所示，打開“發(fā)現(xiàn)門”直至t＝Tmax，r1（t）＝0，做出“無目標”決策，不輸出起爆指令，即E（t）＝0。在下一個探測周期，繼續(xù)發(fā)射CF脈沖信號搜尋目標。此時，對應的發(fā)射信號s1（t）表達式為

策略二：見圖3（b），r1（t）＝CF′，做出“有物體”決策，同時發(fā)射第2個CF脈沖信號，延時T1－Bk／2［5］，打開“確認門”允許接收r2（t）信號，直至“確認門”達到最大門寬Bk，r2（t）＝0，做出“無目標”決策，令E（t）＝0。在下一個探測周期，繼續(xù)發(fā)射CF脈沖信號。此時，s2（t）為

策略三：見圖3（c），若r1（t）＝CF′，且在“確認門”的門寬為Bk1（Bk1＜Bk）時，有r2（t）＝CF′，T2＞Tmin，則做出“有目標”決策，令E（t）＝0，同時改發(fā)FM脈沖信號。延時T2－Bk／2，打開第三個門（稱“跟蹤門”），跟蹤目標。“跟蹤門”內r3（t）＝0，說明無跟蹤目標，做出“無目標”決策，令E（t）＝0，同時改發(fā)CF信號，重新搜尋目標。此時，s3（t）為

式中，uFM（t）是矩形包絡三角LFM脈沖信號，表達式為：

式中，u1（t）＝ejπMt2（0＜t＜τp2／2），u2（t）＝ 1／u1（t）（τp2／2＜t＜τp2），M＝B／τp2調頻斜率，B 為帶寬。

策略四：見圖3（d），“跟蹤門”內r3（t）＝FM′，且T3＞Tmin，做出“有跟蹤目標”決策，令E（t）＝0，繼續(xù)發(fā)射FM 信號。此時，s4（t）為

策略五：見圖3（e），當“跟蹤門”內r3（t）＝FM′，但T3≤Tmin，確認攻擊“目標”存在，輸出起爆指令，即E（t）＝1。

圖3 基于回波單路探測雙波發(fā)射動態(tài)控制方法Fig.3 Control method for echo－based single－channel dual－wave emission system

3 仿真驗證

設計了6個計時器，各計時器可用符號“Ji”（i＝1，…，6）表示，J1、J2、J3、J4、J5、J6分別為：信號脈寬計時器，時延計時器，信號發(fā)送接收周期計時器，“發(fā)現(xiàn)門”門寬計時器，“確認門”門寬計時器，“跟蹤門”門寬計時器。

信號發(fā)射動態(tài)控制方法的實現(xiàn)，本質上就是對這6個計時器時序設計。按照上面的控制規(guī)則設置14個狀態(tài)，分別是：S0、S1、…、S13，控制器的狀態(tài)轉換如表1所示。

表1 控制器狀態(tài)表Table.1 Controller of status table

按照順序控制原則，控制器的有限狀態(tài)機狀態(tài)轉換圖如圖4所示。

圖4 狀態(tài)轉換圖Fig.4 State diagram

根據深彈引信的近炸作用要求，適當?shù)倪x取延遲開門時間τh＝2.6ms，CF的脈寬τp1＝2ms、FM的脈寬τp2＝1ms，確認、跟蹤門的最大門寬Bkmax＝3ms，信號發(fā)送接收最小周期Tmin＝19ms，最大周期Tmax＝30ms。設定：in＿pulse為回波g（t）信號輸出端；WAVE＿OUT為對應的發(fā)射信號輸出端；exposion為起爆控制信號輸出端；open＿door為“發(fā)現(xiàn)門”；open1＿door為“確認、跟蹤門”。

在Quartus II設計平臺中設計了基于FPGA的控制器，并利用Modelsim對控制器進行時序仿真，仿真結果如圖5所示。

圖5 單路探測雙波發(fā)射動態(tài)控制仿真Fig.5 Simulation for dynamical control of single－channel dual－wave signal emission system

圖5（a）是策略一仿真波形，顯示的是在open＿door＝1，Tmax＝30ms，沒有收到in＿pulse信號對應的exposion及發(fā)射信號波形。

圖5（b）是策略二仿真波形。open1＿door＝1，Bkmax＝3ms時，仍未收到in＿pulse信號對應的exposion及發(fā)射信號波形。

圖5（c）是策略三仿真波形。顯示的是目標存在，但是在跟蹤目標過程中，將目標跟丟對應的exposion及發(fā)射信號波形。

圖5（d）是策略四、五仿真波形。若控制門內連續(xù)兩次收到in＿pulse，WAVE＿OUT就會輸出脈寬為1ms的FM脈沖；若收到兩次in＿pulse信號的時間間隔Ti≤Tmin，控制器則輸出起爆控制信號，此時，WAVE＿OUT輸出為“0”，exposion輸出1。

從圖5中還可看出，在控制門關閉時，即使有in＿pulse信號輸入，也不會使控制器誤動作，見圖5（b）。

仿真結果表明，在發(fā)射環(huán)境開始后的近距目標探測中，對于單路探測系統(tǒng)（用單發(fā)－單收2個換能器，或者收發(fā)共用一個換能器）來說，如果發(fā)射含有CF、FM兩種調制信號的超聲波信號，可以在設定的探測周期內，完成發(fā)現(xiàn)、確認目標，并迅速做出決策，實時控制信號發(fā)射器調整發(fā)射信號和輸出起爆指令。

4 結論

本文給出了用于引信水下超聲目標探測系統(tǒng)的基于回波的單路探測雙波發(fā)射動態(tài)控制方法。該方法借鑒蝙蝠回聲定位信號的發(fā)射控制策略，設計了控制策略。發(fā)射控制系統(tǒng)可根據接收到的回波信息自動的選擇信號發(fā)射策略，控制信號的發(fā)射時機及信號形式。仿真表明：該方法控制簡單、決策迅速，實現(xiàn)了快速發(fā)現(xiàn)、確認目標回波信號的能力，提高了系統(tǒng)抗干擾的能力。為引信目標探測器的定位、跟蹤功能提供技術支持。設計中接收的回波信息是經過處理的，對于回波信號的處理不是本文研究的內容，不在此熬述。

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