吳鋒1,2, 張平1， 王謙2, 丁晟2

1.裝甲兵工程學(xué)院材料工程系 2.中國人民解放軍73021部隊(duì)

兩棲裝備入艦引導(dǎo)裝備再制造升級技術(shù)途徑

吳鋒1,2, 張平1， 王謙2, 丁晟2

1.裝甲兵工程學(xué)院材料工程系 2.中國人民解放軍73021部隊(duì)

明確的軍事需求牽引和科學(xué)論證是成功升級改造原有裝備的前提，針對兩棲裝備上登陸艦面臨的自動(dòng)化程度較低、無法全天候?qū)嵤┑膯栴}，為提高惡劣海況和黑夜中的登艦作業(yè)能力，依托裝備再制造升級技術(shù)手段，本文將原裝備升級為兩棲裝備入艦引導(dǎo)體系裝備，通過水下探測器接收到登陸艦發(fā)射的超聲定位脈沖信號(hào)，獲得當(dāng)前車輛的實(shí)際位置，為駕駛員提供引導(dǎo)路線等信息，提高該裝備的登艦準(zhǔn)確度和效率，同時(shí)利用航行避碰設(shè)備，規(guī)避航行路線中的水下障礙物，甚至能在惡劣海況天候下實(shí)現(xiàn)盲視駕駛。在此基礎(chǔ)上，完成車載信號(hào)模塊的硬件設(shè)計(jì)，并對三路寬帶脈沖信號(hào)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了導(dǎo)航算法的原理可行性。最后通過海上實(shí)裝實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性。

再制造升級 兩棲裝備 登陸艦 引導(dǎo)系統(tǒng)

渡海作戰(zhàn)不可避免地涉及到兩棲作戰(zhàn)裝備的輸送問題。目前兩棲裝備的主要裝載方式是通過登陸艦在海上裝載。在渡海作用的搶灘登陸前，必須由登陸艦將裝備運(yùn)送到敵方陣地前沿淺海海域，然后讓裝備下水，遂行登陸作戰(zhàn)任務(wù)。為了提高部隊(duì)的機(jī)動(dòng)性能和行動(dòng)的隱蔽性，兩棲裝備的登艦常常需要在夜間進(jìn)行，并不可避免地伴有風(fēng)浪和洋流的影響。因此，兩棲裝備的登艦過程是一項(xiàng)技術(shù)難度和危險(xiǎn)性很大的工作。

作為海上裝載最重要環(huán)節(jié)的登艦過程，目前基本上是靠車長指揮駕駛員通過目視判斷裝甲裝備與登陸艦間的距離與相互位置進(jìn)行登艦的，不僅自動(dòng)化程度較低，而且由于夜間照明不良和人眼觀察視野受限造成操作不當(dāng)，極易發(fā)生裝甲裝備與登陸艦相撞或碰撞的危險(xiǎn)。因此亟需一種可在惡劣海況條件下，實(shí)現(xiàn)裝甲裝備安全、可靠、高效的登艦導(dǎo)航技術(shù)和設(shè)備，提高部隊(duì)渡海作戰(zhàn)能力和反應(yīng)速度。

為解決兩棲裝備登艦過程中存在的諸多問題，本文以兩棲裝備和裝載登陸艦作為對象，綜合運(yùn)用裝備再制造升級工程技術(shù)[1]，升級原“兩棲裝備-登陸艦”構(gòu)成的登艦體系，增加裝備入艦導(dǎo)航模塊，增強(qiáng)登艦體系裝備的整體性能。具體而言，就是以部隊(duì)急需解決的兩棲裝備入艦導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)及導(dǎo)航系統(tǒng)為研究對象，運(yùn)用適用于兩棲裝備登艦導(dǎo)航的裝備再制造升級工程技術(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)、深入的研究，采用可靠、成熟和切合實(shí)際的工程設(shè)計(jì)和技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)兩棲裝備登艦過程的自動(dòng)化導(dǎo)引。升級后的體系裝備可以直接用于陸軍兩棲機(jī)械化部隊(duì)、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)相關(guān)裝備的登艦導(dǎo)航，并在以下幾方面解決目前渡海作戰(zhàn)存在的問題，并具有較大的軍事意義和應(yīng)用價(jià)值：

1.通過升級改造，及時(shí)將新技術(shù)、新系統(tǒng)、新設(shè)備應(yīng)用到登艦體系裝備中去，在相對較短時(shí)間內(nèi)以較低的成本，實(shí)現(xiàn)裝備性能的突破式發(fā)展[2,3]，進(jìn)一步提高兩棲作戰(zhàn)能力。

2.提高部隊(duì)在惡劣海況條件下兩棲裝備的登艦?zāi)芰?，解決以往惡劣海況無法登艦的問題。

3.解決實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練和作戰(zhàn)的夜間登艦問題，使兩棲裝甲裝備的登艦從現(xiàn)行的白天擴(kuò)展到全天候登艦，適應(yīng)現(xiàn)代實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練和作戰(zhàn)的需求。

4.縮短常規(guī)戰(zhàn)前預(yù)備時(shí)間，提高了部隊(duì)的快速反應(yīng)能力。

一、登艦體系裝備的再制造升級

裝備再制造升級作為裝備改造的重要方式，是以原裝備為對象，綜合運(yùn)用結(jié)構(gòu)改造和功能嵌入等先進(jìn)技術(shù)手段[1]，實(shí)現(xiàn)原裝備的功能提升或質(zhì)量升級。

（一）裝備再制造的意義

裝備再制造升級被認(rèn)為是裝備改造的一種高級形式，具有更高的質(zhì)量要求和裝備使用效益，兩者具有一定的相似性，但又存在一定區(qū)別：操作方法上，裝備改造一般只對裝備的局部進(jìn)行模塊增加或改造，不涉及其它部分，再制造升級則需要對原裝備的性能進(jìn)行增強(qiáng)，并根據(jù)需要增加功能模塊；質(zhì)量要求上，裝備改造通過加改裝增加裝備的功能，而改造后裝備主體的壽命并沒有改變，而裝備再制造升級是一種對裝備全面的質(zhì)量性能恢復(fù)和升級，屬于裝備的重新使用[2]。

由此可見，裝備再制造升級作為裝備改造的高級形式，具有更高的質(zhì)量要求和更高的使用效益。原有裝備的再制造升級過程中，運(yùn)用先進(jìn)的表面工程、電子信息、環(huán)境資源等新技術(shù)、新材料、新工藝，通過高質(zhì)量的工藝控制和模塊替換、結(jié)構(gòu)改造、性能優(yōu)化等手段，可以實(shí)現(xiàn)原有裝備在戰(zhàn)技性能上的全面提升，以滿足更高的作戰(zhàn)需求[2]。

（二）技術(shù)路線

裝備再制造升級的對象是具有固定結(jié)構(gòu)的裝備，對其升級加工相對新裝備研制來說具有更大的約束度，所以對技術(shù)要求更高。通常裝備再制造升級所采用的方式主要有以下三類：

1.以采用最新功能模塊替換舊模塊為特點(diǎn)的替換法。主要是直接用最新裝備上安裝的信息化功能新模塊替換廢舊裝備中的舊模塊，用于提高再制造后裝備的信息化功能，滿足當(dāng)前對裝備的信息化功能要求。

2.以局部結(jié)構(gòu)改造或增加新模塊為特點(diǎn)的改造法。主要用于增加裝備新的信息化功能以滿足功能要求。

3.以重新設(shè)計(jì)為特點(diǎn)的重構(gòu)法。主要是以最新裝備的多種功能化要求和特點(diǎn)出發(fā)，重新設(shè)計(jì)出再制造后裝備結(jié)構(gòu)及性能標(biāo)準(zhǔn)，綜合優(yōu)化裝備再制造升級方案，使得再制造后裝備性能接近或超過當(dāng)前新裝備性能[3]。

通過對兩棲裝備入艦引導(dǎo)的需求分析，以及海上裝備入艦自然環(huán)境的限制，提出一種基于裝備再制造升級的裝備入艦引導(dǎo)系統(tǒng)方案，通過在原有登艦體系裝備上分別增加功能模塊，能夠用于兩棲裝備入艦導(dǎo)航。登艦體系裝備在確定再制造升級方案后，按照圖1所示步驟執(zhí)行裝備再制造升級任務(wù)。

首先需要進(jìn)行原有裝備的工況和存在問題進(jìn)行分析，明確升級后裝備需求信息和性能要求，對再制造升級可行性進(jìn)行評估。對再制造升級的裝備進(jìn)行工藝方案設(shè)計(jì)，確定具體升級方案，明確需要增加的功能模塊。依據(jù)升級方案，采用相關(guān)技術(shù)進(jìn)行裝備的再制造升級加工，并對裝備進(jìn)行加改裝。對升級后的再制造裝備進(jìn)行性能和功能的綜合檢測，保證裝備質(zhì)量。

二、系統(tǒng)方案論證

（一）工作原理分析

兩棲裝備入艦的作業(yè)場呈扇形分布，裝備引導(dǎo)范圍以登陸艦的入口為原點(diǎn)，最大覆蓋角度為左右各60度（共120度），最遠(yuǎn)直線距離200米，裝備編隊(duì)登艦距離間隔大于50米。經(jīng)過實(shí)際測算，實(shí)際引導(dǎo)精度的距離誤差不大于10cm，對中誤差不大于10cm，否則容易出現(xiàn)裝備與登陸艦、編隊(duì)裝備之間的碰撞。兩棲裝備入艦作業(yè)場示意圖如圖2所示。

圖2 兩棲裝備入艦作業(yè)場示意圖

根據(jù)作業(yè)場要求，裝備發(fā)生碰撞受損，很大程度取決于裝備行駛距離和行駛方向。假設(shè)能使用某種標(biāo)的信號(hào)使裝備始終沿既定的路線行駛，發(fā)生偏轉(zhuǎn)后系統(tǒng)能引導(dǎo)裝備調(diào)整前進(jìn)方向，通過不斷修正路線，形成行駛→調(diào)整→行駛的閉環(huán)控制機(jī)制。因此，導(dǎo)引系統(tǒng)的關(guān)鍵部件應(yīng)具有測距和糾偏功能。下面結(jié)合兩棲裝備入艦時(shí)行駛路線的兩種情況分析所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本工作原理。

1.裝備正常行駛時(shí)。如圖3所示，根據(jù)裝備行駛速度、相對于艦門的距離和對中偏角，首先進(jìn)行測距，然后選擇一種調(diào)制信號(hào)作為系統(tǒng)的基站信標(biāo)，用不同的發(fā)射頻率進(jìn)行同步發(fā)射，按照三點(diǎn)定位原理，將三個(gè)超聲波信號(hào)發(fā)生器均勻安裝在登陸艦跳板端面上，周期性地發(fā)出三路獨(dú)立的聲脈沖信號(hào)；在接收端分別采用三個(gè)超聲波信號(hào)接收器進(jìn)行區(qū)分，獲得基站的信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理模塊計(jì)算出裝備當(dāng)前的位置，然后引導(dǎo)裝備按既定路線行駛[4]。

圖3 裝備正常行駛時(shí)位置判定示意圖

2.裝備非正常行駛時(shí)。如圖4所示，超聲波信號(hào)接收器同時(shí)接收三路超聲脈沖信號(hào)，并由此獲得偏離預(yù)定路線的裝備位置，通過計(jì)算得到裝甲裝備相對于艦門中心線的對中偏角，實(shí)時(shí)顯示偏角數(shù)值，并繪制遠(yuǎn)距離航跡圖，引導(dǎo)裝備沿著艦門中心線航行。當(dāng)裝備距離小于某個(gè)閾值時(shí)，系統(tǒng)計(jì)算并顯示出對中偏角和距離，在車載終端上重新規(guī)劃路線，為駕駛員提供正確引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)盲視駕駛[4]。

圖4 裝備非正常行駛時(shí)位置判定示意圖

（二）主要技術(shù)指標(biāo)

綜合考慮我軍渡海作戰(zhàn)及實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練的需求、兩棲裝甲裝備及登陸艦的性能和特點(diǎn)、各種復(fù)雜海況下登艦導(dǎo)航的要求，以及當(dāng)前我國超聲波檢測技術(shù)的發(fā)展水平，本文對所研究的兩棲裝備入艦引導(dǎo)系統(tǒng)提出如下主要技術(shù)指標(biāo)：

（1）登艦作業(yè)有效范圍：200米；

（2）裝備編隊(duì)登艦距離間隔：大于50米；

（3）登艦作業(yè)場（中心輻射角度）：不小于120度；

（4）導(dǎo)航精度：10cm；

（5）超聲波發(fā)射器工作頻率：20KHz、30KHz；

（6）超聲波發(fā)射器電壓發(fā)送響應(yīng)[5]：大于等于132dB；

（7）超聲波發(fā)射器的水平指向性[5]：120°，垂直指向性：48°；

（8）發(fā)射基元和接收基元可水下安裝。（三）工作流程

如圖5所示，兩棲裝備入艦引導(dǎo)系統(tǒng)工作流程分為以下4個(gè)過程：

圖5 硬件系統(tǒng)工作流程圖

（1）信號(hào)發(fā)射。引導(dǎo)系統(tǒng)啟動(dòng)后，安裝在登陸艦跳板端面上的三個(gè)發(fā)射換能器陣，周期性地發(fā)出三路獨(dú)立的聲脈沖信號(hào)。

（2）信號(hào)接收，解算裝備運(yùn)動(dòng)參數(shù)。安裝在裝備前滑板上的收發(fā)合置換能器同時(shí)接收三路聲脈沖信號(hào)，計(jì)算出裝備相對于艦門中心線的對中偏角，實(shí)時(shí)顯示偏角，并繪制遠(yuǎn)距離航跡圖，引導(dǎo)裝備沿艦門中心線航行。

（3）遠(yuǎn)距離導(dǎo)航，障礙物探測。當(dāng)裝備距離登陸艦大于50m時(shí)，駕駛員根據(jù)行駛軌跡和當(dāng)前的偏角、距離等信息，實(shí)時(shí)引導(dǎo)裝備行駛。車載高頻發(fā)射換能器向正前方發(fā)射一個(gè)聲脈沖，如果前方有障礙物，將產(chǎn)生回波信號(hào)，水聽器接收到回波后，通過分析水聽器輸出信號(hào)，得到回波的能量大小、到達(dá)時(shí)刻等特征，系統(tǒng)估算障礙物與裝備的距離，并定量反映障礙物體積的大小，在屏幕上高分辨掃描顯示。

（4）精確登艦。當(dāng)裝備與登陸艦距離小于10m，偏角小于5°時(shí)，駕駛員通過系統(tǒng)，可將登艦偏角控制在1°以內(nèi)，同時(shí)觀察掃描圖、收聽語音提示，了解前進(jìn)線路上的障礙物情況，通過調(diào)整車體行駛角度和速度，避開障礙物，實(shí)現(xiàn)精確登艦。

根據(jù)系統(tǒng)功能描述，引導(dǎo)系統(tǒng)的硬件部分可分為艦載和車載部分，艦載部分設(shè)備包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器和三個(gè)寬帶發(fā)射換能器陣，其中發(fā)射換能器陣均勻安裝在登陸艦跳板的端面上，車載部分設(shè)備包括一個(gè)收發(fā)合置換能器陣、一個(gè)接收水聽器、2路模擬信號(hào)調(diào)理器、2路高速A/D采集、一臺(tái)便攜式工控機(jī)和一面高亮度顯示屏，其中收發(fā)合置換能器陣安裝在裝備滑板的下部，一個(gè)接收水聽器安裝在底盤下方[6,7]。

三、升級方案設(shè)計(jì)

（一）硬件方案設(shè)計(jì)

如圖6所示，入艦引導(dǎo)系統(tǒng)硬件主要由艦載部分和車載部分組成。其中艦載部分主要由射頻信號(hào)發(fā)生器、超聲信號(hào)源及調(diào)制器、高頻功放、超聲信號(hào)發(fā)射機(jī)、和艦載電源等組成，其功能是超聲信號(hào)的發(fā)生；車載部分主要由導(dǎo)引超聲波接收器、避障超聲波發(fā)射器、避障超聲波接收器（水聽器）、信號(hào)調(diào)理器、A/D采集模塊、顯控裝置和車載電源等組成，其功能是導(dǎo)航超聲信號(hào)的接收與解調(diào)、避障超聲信號(hào)的接收與解調(diào)等。

各部分設(shè)備的功能為：

（1）信號(hào)發(fā)生及調(diào)制。該系統(tǒng)發(fā)出的超聲信號(hào)與一般的測距系統(tǒng)不同。根據(jù)系統(tǒng)精度和響應(yīng)速度的要求，選擇一種調(diào)制的脈沖超聲波作為本系統(tǒng)的基站信標(biāo)。由于系統(tǒng)有兩個(gè)基站，所以分A，B兩套信號(hào)標(biāo)識(shí)系統(tǒng)，用不同的發(fā)射頻率進(jìn)行同步發(fā)射，在接收機(jī)端分別用水聽器和接收器進(jìn)行區(qū)分，獲得兩個(gè)基站的信號(hào)[8]。

（2）射頻同步信號(hào)發(fā)射器和接收器。射頻同步信號(hào)發(fā)射器有兩個(gè)作用：控制兩路信標(biāo)發(fā)生器在同一時(shí)間同步發(fā)射超聲波脈沖；啟動(dòng)接收電路計(jì)數(shù)器開始接收，并與隨后接收到的超聲波脈沖信號(hào)形成脈沖寬度與裝備與登陸艦之間的距離成正比的脈沖測距信號(hào)。該部分可分為一個(gè)發(fā)射模塊和三個(gè)接收模塊[5]。

（3）發(fā)射機(jī)。根據(jù)超聲頻率和換能器的不同以及作業(yè)范圍的大小，選擇設(shè)計(jì)高性能的超聲波信號(hào)發(fā)射機(jī)。本系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)功率選擇400W左右，圖7（1）為所設(shè)計(jì)的三路發(fā)射功率放大模塊實(shí)物圖。

圖7（1） 入艦引導(dǎo)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖

（4）超聲發(fā)射器。超聲發(fā)射器即超聲波換能器，通常有磁致伸縮換能器和壓電晶體換能器兩類。磁致伸縮超聲波換能器有鎳片換能器和鐵氧體換能器兩種[4]。本系統(tǒng)擬采用的長距離超聲測距傳感器屬于壓電晶體，考慮到超聲測距傳感器的性能、安裝尺寸和現(xiàn)場測試等問題，擬選擇換能器的工作頻率范圍為10～30KHz，同時(shí)增大換能器的輸出能量，以保證在長作用距離（約200米）內(nèi)穩(wěn)定、可靠工作。

（5）水聽器。即水聲接收器，可采用增壓型水聽器桿來實(shí)現(xiàn)。由于該水聽器的一階諧振頻率較高，特別適用于作為小信號(hào)的寬帶發(fā)射換能器或作為寬帶接收傳感器使用。圖7（2）為由桿狀水聽器所組成的接收模塊。

圖7（2） 由桿狀水聽器所組成的接收模塊

（6）接收機(jī)和信號(hào)預(yù)處理單元。包括前置低噪聲放大電路、濾波電路和信號(hào)整形電路。其結(jié)構(gòu)如圖8所示：

圖8 接收機(jī)和信號(hào)預(yù)處理單元主要結(jié)構(gòu)圖

（二） 軟件方案設(shè)計(jì)

主體軟件設(shè)計(jì)構(gòu)架見圖9：

圖9 主體軟件結(jié)構(gòu)圖

其中主程序通過調(diào)用以下幾子程序完成所有功能：

（1）定位測距程序：實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)偏差量計(jì)算、距離測量的計(jì)算、車速計(jì)算。

（2）顯示界面程序：主要包含參數(shù)設(shè)置界面刷新程序和工作顯示界面刷新程序。

（3）按鍵處理程序：包括按鍵掃描程序、按鍵去抖程序和按鍵功能跳轉(zhuǎn)程序。

（4）系統(tǒng)自檢程序：系統(tǒng)開機(jī)自檢，主要檢查兩個(gè)信標(biāo)接收通道是否正常工作、顯示屏是否正常、CAN總線是否正常以及連接的子節(jié)點(diǎn)是否正常。

（5）通訊控制程序：包括CAN總線的主控制器配置程序，收、發(fā)握手程序，和數(shù)據(jù)傳送程序。

（6）系統(tǒng)初始化程序：包括CPU時(shí)鐘初始化程序，I/O交叉開關(guān)初始化程序，看門狗初始化程序，定時(shí)器初始化程序，中斷系統(tǒng)初始化程序和顯示初始化程序等。

（三）程序模塊轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

主程序內(nèi)部的各子模塊運(yùn)行，內(nèi)部有一個(gè)大循環(huán)體，用一個(gè)定時(shí)器作為時(shí)間片的分配管理，定時(shí)某個(gè)周期后產(chǎn)生中斷，運(yùn)行顯示刷新程序和鍵盤掃描程序；顯示刷新程序從測量寄存器里取數(shù)，送顯示，刷新工作界面，從設(shè)置寄存器取數(shù)，刷新設(shè)置界面。鍵盤掃描程序檢測到有鍵按下后，調(diào)用鍵處理程序修改設(shè)置參數(shù)寄存器。同時(shí)，外部中斷產(chǎn)生觸發(fā)，脈沖長度計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，通過定位測距程序計(jì)算出結(jié)果，更新測量寄存器。

（四）導(dǎo)航功能設(shè)計(jì)

兩棲裝備登艦導(dǎo)航系統(tǒng)的核心是實(shí)時(shí)估計(jì)裝備的對中偏角和距離，作數(shù)字處理信號(hào)時(shí)，先截取PCW信號(hào)，估計(jì)出裝備運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移，并對多普勒頻移作補(bǔ)償，計(jì)算多組拷貝信號(hào)，然后對采樣后的基帶信號(hào)作匹配濾波，計(jì)算三路寬帶脈沖信號(hào)到達(dá)車載接收換能器的時(shí)刻點(diǎn)[8]，再計(jì)算它們的時(shí)延，最后利用球面波傳播模型計(jì)算出裝甲裝備對中偏角和距離，信號(hào)處理的流程見圖11。

四、實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

本次實(shí)驗(yàn)是在實(shí)裝發(fā)射平臺(tái)（登陸艦）和接收平臺(tái)（兩棲裝備）上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)海域水深約7.2m。實(shí)驗(yàn)的目的主要有：驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和精度；分析接收信號(hào)的質(zhì)量，例如輸入信噪比、信號(hào)幅度起伏、多路徑現(xiàn)象等。

目標(biāo)的距離估計(jì)精度受制于發(fā)射基陣物理孔徑的大小，這是由于目標(biāo)距離越遠(yuǎn)，聲信號(hào)的球面波傳播模型越來越接近平面波模型，對中偏角的估計(jì)精度降低很少，但距離估計(jì)誤差越來越大。為此作了一個(gè)計(jì)算機(jī)仿真，設(shè)發(fā)射陣孔徑為8米（即陣元間距為4米），接收端在正橫方向（即0o方向），目標(biāo)的距離由遠(yuǎn)及近逐漸改變，利用球面波模型模擬出不同距離下的聲信號(hào)，再迭加各向同性、空間均勻的海洋環(huán)境噪聲，對此模擬信號(hào)作信號(hào)處理，估計(jì)出目標(biāo)的距離，多次作模擬，結(jié)果見圖12，其中橫坐標(biāo)表示設(shè)定的距離，縱坐標(biāo)表示信號(hào)處理的估計(jì)結(jié)果。從該圖12看出，隨著目標(biāo)距離的增大，估計(jì)出的距離越來越發(fā)散，即距離估計(jì)誤差在增大。這些仿真并沒有考慮多路徑傳播、多普勒頻移、發(fā)射換能器的安裝位置誤差等因素，實(shí)際的距離估計(jì)誤差大于仿真值。

圖11 導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)處理流程

圖12. 不同模擬距離下的估計(jì)結(jié)果

實(shí)際發(fā)射換能器陣的基陣孔徑約5.3m，遠(yuǎn)處目標(biāo)的距離估計(jì)誤差非常大，根據(jù)海洋原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的處理結(jié)果和實(shí)際登艦導(dǎo)航的需求，初步選擇50m作為一個(gè)門限，連續(xù)多批估計(jì)距離小于此值時(shí)，就認(rèn)為裝備已經(jīng)前進(jìn)至50m內(nèi)，此時(shí)將繪制出距離-方向歷程圖，即裝備的近距離航跡圖，由于距離估計(jì)誤差較小，航跡圖比較連續(xù)，便于引導(dǎo)駕駛員登艦，否則，僅繪制方向歷程圖。

三路寬帶脈沖信號(hào)傳播時(shí)，所經(jīng)過的海洋信道接近，它們的多路徑傳播特征很相似，圖13表示復(fù)雜環(huán)境下的一組多路徑結(jié)構(gòu)圖，各個(gè)脈沖信號(hào)的多路徑特征有很多相似性，通過作譜相關(guān)處理就可以準(zhǔn)確估計(jì)出通道間的時(shí)延，從而準(zhǔn)確估計(jì)出距離和方向。

圖13. 三路脈沖信號(hào)的多路徑特征

為了補(bǔ)償目標(biāo)相對運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移，先根據(jù)PCW信號(hào)粗算多普勒頻移，再以此多普勒頻移作為中心頻率，劃分一個(gè)可能的頻移區(qū)間，根據(jù)寬帶信號(hào)的多普勒容限，生成覆蓋該頻移范圍的多個(gè)拷貝信號(hào)，分別與接收的寬帶導(dǎo)航信號(hào)作匹配濾波，如圖14所示，匹配濾波后的相關(guān)峰越高，說明多普勒補(bǔ)償越好，最后選擇相關(guān)峰最高的相關(guān)譜作后續(xù)處理。

圖14 多普勒補(bǔ)償?shù)奶幚砜驁D

圖15. 某時(shí)刻水下障礙物相對距離和回波強(qiáng)度掃描結(jié)果

如圖15所示，水下避障探測結(jié)果顯示共分為兩部分。左側(cè)部分顯示當(dāng)前時(shí)刻，裝備前方水下障礙物的距離及回波強(qiáng)度，右側(cè)部分顯示先前一段時(shí)間內(nèi)裝備的掃描結(jié)果。左右部分橫坐標(biāo)不同，縱坐標(biāo)相同。左側(cè)部分橫坐標(biāo)表示障礙物回波強(qiáng)度，幅度越大，障礙物回波強(qiáng)度越大，掃描結(jié)果的更新周期為0.5s；右側(cè)部分橫坐標(biāo)表示航行時(shí)間，長度為120秒。左、右側(cè)縱坐標(biāo)表示障礙物相對于裝備的距離，顯示范圍從0米到120米，誤差精度0.3米。右側(cè)圖形部分以灰度表示障礙物回波的強(qiáng)度，灰度等級為0～255，其中白色（255）表示回波最強(qiáng)，黑色（0）最弱，歷程圖的更新周期也為0.5s。

在發(fā)射換能器5.3m的安裝孔徑下，當(dāng)裝備距離小于50m時(shí)，距離估計(jì)方差較小，能夠繪制出穩(wěn)定的航跡圖。因此，系統(tǒng)將此值作為門限值，當(dāng)距離大于此門限值時(shí)，繪制遠(yuǎn)距離航跡，即對中偏角的歷程圖（如圖16所示）；小于此門限值時(shí)，繪制近距離航跡圖，也就是方向-距離歷程圖（如圖17所示）。

圖16. 距離大于50m時(shí)的海上導(dǎo)航結(jié)果

圖17. 距離小于50m時(shí)的海上導(dǎo)航結(jié)果

通過本次實(shí)驗(yàn)，得到如下結(jié)論：系統(tǒng)的硬件能正常工作，裝備導(dǎo)航的精度能夠滿足技術(shù)要求；水聽器輸出信號(hào)的信噪比較高，接收信號(hào)幅度有一些起伏現(xiàn)象，多路徑現(xiàn)象一直存在，但并不影響系統(tǒng)的導(dǎo)航精度，接收信號(hào)的質(zhì)量比較高。

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