李通旭，張效民，韓 沖，陳 瑜

（1.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安 710072；2.浙江大學(xué) 城市學(xué)院 , 浙江 杭州 310015）

在水下自導(dǎo)系統(tǒng)[1-2]的開發(fā)過程中，需要一種設(shè)備模擬目標(biāo)的回波，輔助完成自導(dǎo)系統(tǒng)的調(diào)試及實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定。目標(biāo)模擬器可代替目標(biāo)艦艇，在一定條件下模擬艦艇的反射聲信號(hào)和輻射噪聲信號(hào)，用于考核魚雷、聲彈、深水炸彈等稅種兵器性能的訓(xùn)練、試驗(yàn)用的聲學(xué)靶標(biāo)[3]。本文介紹了一種基于DSP及MCU的低功耗實(shí)時(shí)多用途水下目標(biāo)模擬器[4-6]，該系統(tǒng)模擬目標(biāo)的聲學(xué)反射特性，接收主動(dòng)探測(cè)信號(hào)并根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求模擬潛艇目標(biāo)的反射回波信號(hào)特征，可在有相鄰干擾的情況下應(yīng)答最多兩個(gè)主動(dòng)探測(cè)信號(hào)。該目標(biāo)模擬器具有小型化，實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，目標(biāo)模擬器的參數(shù)可以通過上位機(jī)實(shí)時(shí)設(shè)定，大大提高了系統(tǒng)的靈活性。該目標(biāo)模擬器已經(jīng)成功用于水下自導(dǎo)系統(tǒng)的開發(fā)，經(jīng)過消聲水池的實(shí)驗(yàn)和湖試的驗(yàn)證，性能滿足實(shí)際需求。

1 總體設(shè)計(jì)

目標(biāo)模擬器的電子系統(tǒng)主要由寬帶模擬前端、數(shù)字處理及功率放大器三部分構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中寬帶模擬器前端負(fù)責(zé)對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，包括信號(hào)濾波、放大和檢波。信號(hào)處理模塊主要負(fù)責(zé)信號(hào)的檢測(cè)及參數(shù)解算。換能器模塊負(fù)責(zé)聲信號(hào)與電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。磁羅盤用于模擬器水中姿態(tài)測(cè)定，水壓傳感器用于水深的測(cè)定。

圖1 目標(biāo)模擬器系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig. 1 Structure diagram of target simulator system

1.1 模擬信號(hào)預(yù)處理模塊

由于寬帶模擬前端接收到的信號(hào)十分微弱，并且起伏很大，這就需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大，濾除頻帶外的噪聲，以便于后續(xù)的數(shù)字處理。如圖2所示模擬信號(hào)預(yù)處理模塊主要包括前置放大、AGC控制、放大檢波四部分。根據(jù)接收換能器的林密度及最大使用水深，其技術(shù)指標(biāo)如下：

1)接收機(jī)靈敏度：S=0.8 mV；2)接收機(jī)固定增益：K=75 dB；3)接收機(jī)AGC壓縮比：C= -30 dB,輸入信號(hào)變化≥35 dB，輸出信號(hào)變化≤8 dB；4)接收機(jī)通帶寬度：ΔB0=10 kHz（15 ～25 kHz），通帶平穩(wěn)度≤1 dB;5)接收機(jī)阻

圖2 模擬接收通道原理框圖Fig. 2 Structure diagram of receiving channel

帶衰減：≥ 30 d B（ 10 ～15 k Hz , 25 ～35 k Hz）；6)接收機(jī)功耗：±5 V供電，功耗：I≤30 mA。

1.2 數(shù)字信號(hào)處理模塊

數(shù)字處理模塊用于對(duì)探測(cè)信號(hào)的實(shí)現(xiàn)在線分析以及應(yīng)答回波信號(hào)數(shù)據(jù)流的生成，其原理框圖見圖3。高速A/D采用THS1206，該型芯片為四通道同步采樣AD，最高采樣率可達(dá)2MSPS。DSP選用了目前最先進(jìn)的32位低功耗定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS3205509A。MCU則選用了16位高性能單片機(jī)MSP430F5438，對(duì)主動(dòng)探測(cè)信號(hào)的脈寬、到達(dá)時(shí)刻、頻率及能量的估計(jì)由DSP與MCU并行處理完成。其中MCU0為系統(tǒng)管理模塊，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)記錄、模擬器工作模式管理、姿態(tài)數(shù)據(jù)采集、水壓數(shù)據(jù)采集以及與岸上顯控臺(tái)的數(shù)據(jù)交互。MCU1、DSP1與MCU2、DSP2構(gòu)成了兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)字處理通道，分別完成對(duì)兩個(gè)主動(dòng)探測(cè)信號(hào)的不間斷實(shí)時(shí)在線分析。

圖3 數(shù)字處理模塊框圖Fig. 3 Structure diagram of digital processing module

2 軟件設(shè)計(jì)

目標(biāo)模擬器用于模擬目標(biāo)的回波特征，因而必須可靠的判別出模擬器所接收到的主動(dòng)探測(cè)脈沖信號(hào)的有無，并估計(jì)出脈沖信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻（上升沿出現(xiàn)的時(shí)刻）、脈寬以及功率等3個(gè)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，電子系統(tǒng)還必須根據(jù)目標(biāo)模擬器當(dāng)前的工作模式生成符合要求的應(yīng)答回波信號(hào)。電子系統(tǒng)的軟件可以分為探測(cè)脈沖檢測(cè)和應(yīng)答回波生成兩大部分，其程序流程圖分別如圖4和圖5所示。

圖4 目標(biāo)模擬器探測(cè)脈沖檢測(cè)程序流程圖Fig. 4 Flow chart of probe pulse detection program

圖5 目標(biāo)模擬器應(yīng)答回波生成程序流程圖Fig. 5 Flow chart of answering echo generation program

3 雙主動(dòng)探測(cè)脈沖信號(hào)的可靠檢測(cè)及估計(jì)技術(shù)

假設(shè)目標(biāo)模擬器所接收到的主動(dòng)探測(cè)脈沖信號(hào)為信號(hào)1和信號(hào)2。信號(hào)1頻率為15 kHz，信號(hào)2頻率為16 kHz，信號(hào)時(shí)寬均為5 ms，信噪比0 dB，信號(hào)1的能量比信號(hào)2能量小約30 dB，系統(tǒng)采樣頻率為50 kHz，F(xiàn)FT分析樣本點(diǎn)數(shù)為2 048點(diǎn),得到的接收信號(hào)譜圖如圖6所示。

經(jīng)過同樣的255階數(shù)字窄帶濾波器后，作2 048點(diǎn)傅里葉變換，得到的譜圖如圖7所示。

由圖6和圖7對(duì)比分析可知，數(shù)字窄帶濾波具有較高的處理增益，濾波后信號(hào)1能量比信號(hào)2能量高約24 dB，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)能量相差較大情況下的可靠檢測(cè)。

圖6 接收信號(hào)譜圖Fig. 6 Spectrum of receiving signal

圖7 經(jīng)窄帶數(shù)字濾波后的譜圖Fig. 7 Spectrum of narrowband digital filtering

4 結(jié) 論

水下目標(biāo)模擬器原理樣機(jī)調(diào)試完成后，在西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院消聲水池對(duì)原理樣機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。經(jīng)過湖試驗(yàn)證，該系統(tǒng)模擬目標(biāo)信息完整、準(zhǔn)確、功能可擴(kuò)展，用戶可以通過上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模擬器的工作狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬器目標(biāo)參數(shù)的修改。該目標(biāo)模擬器性能滿足實(shí)際需求,已經(jīng)成功應(yīng)用于水下自導(dǎo)系統(tǒng)。

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