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        水下網(wǎng)絡(luò)化綜合試驗測試系統(tǒng)技術(shù)研究

        2018-01-22 03:39:01段文海崔國平付傳寶
        聲學(xué)與電子工程 2017年4期
        關(guān)鍵詞:光纖網(wǎng)絡(luò)水聲遙控

        段文海 崔國平 付傳寶

        (昆明船舶設(shè)備研究試驗中心,昆明,650051)

        隨著水下航行器及其技術(shù)的發(fā)展,新型水下航行器的實航試驗具有強綜合、多參量、高精密等共同特點,從而對水下綜合試驗測試能力提出了更高的要求。而現(xiàn)有系統(tǒng)一般采用分布式獨立測試模式,即不同測試任務(wù)由相應(yīng)系統(tǒng)獨立完成,因此,急需研究形成多組態(tài)試驗測試能力,提高并發(fā)展信息化集成條件下的水下航行器航跡跟蹤、輻射噪聲測量、實航參數(shù)遙測、實時水聲遙控以及對水下航行器打撈潛器的水聲語音通訊與導(dǎo)航控制。結(jié)合上述應(yīng)用需求,本文提出并研制了一種基于光纖網(wǎng)絡(luò)的水下綜合試驗測試系統(tǒng),實現(xiàn)了多科目實航試驗及多參量集中測試,進一步提高了水下綜合試驗與測試能力。

        1 系統(tǒng)方案

        1.1 系統(tǒng)組成

        水下網(wǎng)絡(luò)化綜合試驗測試系統(tǒng)主要由濕端和干端兩大部分組成(組成框圖如圖1所示、結(jié)構(gòu)框圖如圖 2所示)。濕端系統(tǒng)主要包括光電復(fù)合纜、水下基站等單元;座底的水下基站(部分測量浮筒可根據(jù)需要進行升降)由光電復(fù)合纜串行連接,布放于試驗水域一定深度,形成一個孔徑幾公里的長基線“口”字陣,是水聲跟蹤、噪聲測量、水聲遙測、水聲遙控、水聲通訊、水文測量的水下共用基陣。干端系統(tǒng)主要包括網(wǎng)絡(luò)控制、同步跟蹤、噪聲測量、水聲遙測、水聲遙控、水聲通訊、水文測量等單元,置于岸上機房內(nèi),以網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備為中心進行并行連接,各項試驗測試單元既可獨立運行,也可聯(lián)合工作。此外,水聲跟蹤發(fā)射機、水聲遙測發(fā)射機、水聲遙控接收機、水聲通訊收發(fā)機則分別裝載在水下航行器上,并與相應(yīng)系統(tǒng)配合工作。

        1.2 系統(tǒng)工作原理

        水下網(wǎng)絡(luò)化綜合試驗測試系統(tǒng)主要功能包括:水下多目標航跡跟蹤、航行輻射噪聲測量、航行參數(shù)水聲遙測、中低速目標水聲遙控、對潛器水聲語音通訊、水文參數(shù)測量等,其工作原理為:

        ● 試驗前,通過可升降的水下基站水文參數(shù)傳感單元獲取不同深度的水溫、聲速等水文信息,建立主要試驗水域在不同時段、不同工況條件下的典型水文信息庫;

        ● 試驗中,①通過水下基站水聲信號接收單元實現(xiàn)水下目標的航行航跡跟蹤、航行輻射噪聲測量、航行參數(shù)信息實時水聲遙測、航行噪聲監(jiān)視監(jiān)聽;②通過水下基站水聲信號發(fā)射單元實現(xiàn)對水下航行器的水聲遙控、對水下機動目標(潛器等)的水聲語音通訊;

        ● 試驗后,系統(tǒng)綜合集成各種試驗測試信息,實現(xiàn)試驗過程反演、試驗結(jié)果輸出及試驗效果評估。

        圖1 水下網(wǎng)絡(luò)化綜合試驗測試系統(tǒng)組成圖

        圖2 水下網(wǎng)絡(luò)化綜合試驗測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        2 主要關(guān)鍵技術(shù)及解決方案

        2.1 多源水下信息融合及網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)[1]

        系統(tǒng)所涉及的水下網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)形式多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,包括:①單向接收:水聲跟蹤、噪聲測量、水聲遙測、水文測量等信號;②單向發(fā)射:水聲遙控等信號;③雙向收發(fā):水聲通訊等信號;④雙向網(wǎng)絡(luò)控制等信號。針對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以水下光纖網(wǎng)絡(luò)為主的特點,綜合各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點所連接信息的多源異構(gòu)性,對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行分類信息融合,并利用波分復(fù)用和時分復(fù)用原理,結(jié)合光纖通道全同步傳輸技術(shù),采用一對多數(shù)據(jù)傳輸形式的多節(jié)點單纜雙路單模光纖雙向傳輸方法,實現(xiàn)多源異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的實時傳輸、信息共享與水下網(wǎng)絡(luò)的有效運行控制。

        網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備是水下光纖網(wǎng)絡(luò)的管理單元,置于岸上機房內(nèi),通過光電復(fù)合纜與水下基站連接,并與水下基站內(nèi)的水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊配合,構(gòu)建雙環(huán)自愈型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),實現(xiàn)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與岸上測試設(shè)備之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸(如圖3示):

        ● 設(shè)置路由,進行水下光纖網(wǎng)絡(luò)自檢、故障定位;

        ● 通過光纖網(wǎng)絡(luò)向上傳輸由水下基站處理過的水聲跟蹤、水聲遙測、噪聲測量、水聲通訊等接收信號,并傳輸給岸上測量設(shè)備;

        ● 通過光纖網(wǎng)絡(luò)向水下基站傳遞水聲通訊、水聲遙控等發(fā)射信號;

        ● 通過光纖網(wǎng)絡(luò)向水下基站發(fā)送深度等測量命令,并回傳測量值;

        ● 通過光纖網(wǎng)絡(luò)向升降式水下基站發(fā)送測量平臺升降命令及噪聲、深度、水溫、聲速等測量命令,并回傳測量值。

        圖3 水下網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

        2.2 多目標高精度長基線水聲跟蹤與實時水聲遙測技術(shù)[2-3]

        水聲跟蹤及水聲遙測分系統(tǒng)主要由水聲跟蹤及水聲遙測發(fā)射機(裝載于水下航行器上)、水下基站、光電復(fù)合纜、網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備、水聲跟蹤及水聲遙測設(shè)備等組成。

        水聲跟蹤及水聲遙測發(fā)射機在經(jīng) GPS同步信號作用下,實時采集航行目標俯仰、橫滾、航深等信息,并進行實時編碼,周期性地產(chǎn)生航跡跟蹤及姿態(tài)參數(shù)聯(lián)合測量的水聲信號。

        同步跟蹤及水聲遙測設(shè)備主要采用同步定位原理、MFSK水聲遙測原理,并結(jié)合水下基陣精確定位、航跡跟蹤與航行參數(shù)聯(lián)合測量信號體制優(yōu)化設(shè)計、新型傳感器開發(fā)、異地信號同步采集及實時網(wǎng)絡(luò)傳輸、寬頻帶信號精確檢測、多目標頻分識別、多普勒頻移精確估計及補償、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)及平滑濾波等技術(shù),實現(xiàn)水下目標航行航跡、航行參數(shù)的同時測量:由至少 3個以上水下基站組成的測量基陣接收被測目標上發(fā)射的航跡跟蹤及航行參數(shù)聯(lián)合測量的水聲信號,并把調(diào)理過的信號經(jīng)水下光纖網(wǎng)絡(luò)送給DSP數(shù)字信號處理分機進行信號檢測、時延測量、信息解碼等處理,PC信號處理分機則進行航跡解算、姿態(tài)參數(shù)測量、數(shù)據(jù)融合及結(jié)果顯示等處理,最終得到測量目標的實航航跡及航行參數(shù)信息。

        2.3 高靈敏度噪聲測量技術(shù)

        噪聲測量分系統(tǒng)主要由可升降的水下基站、網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備、噪聲測量設(shè)備等組成,采用了高靈敏度水聽器設(shè)計、低噪聲前放及差分傳輸、低噪音電纜設(shè)計、數(shù)字化遠距離光纖傳輸、軟件式同步測距等技術(shù)措施,實現(xiàn)水下目標航行輻射噪聲的精確測量。

        輻射噪聲測量時,根據(jù)水下目標的航行深度及輻射噪聲經(jīng)驗值,通過升降裝置將測試平臺調(diào)整至適當深度;測量系統(tǒng)通過水下基站的接收水聽器實時接收、存儲被測目標航行時的輻射噪聲信號;進行試后回放、分析與處理(距離測量采用軟件式同步測距方法,噪聲信號分析采用專用的分析軟件)。

        環(huán)境噪聲測量時,根據(jù)需要測量的深度,通過升降裝置將測試平臺調(diào)整至相應(yīng)深度;測量系統(tǒng)通過水下基站的接收水聽器實時接收存儲環(huán)境噪聲信號,并進行試后回放、分析與處理。

        2.4 水下航行器實時水聲遙控技術(shù)

        水聲遙控分系統(tǒng)主要由水聲遙控接收設(shè)備(裝載于水下航行器上)、水下基站、水聲遙控設(shè)備等組成。

        水聲遙控設(shè)備實時接收啟動、停車、上浮指定深度、下潛指定深度、設(shè)定航行速度、改變航行方向等指令,對指令進行編碼、調(diào)制、D/A轉(zhuǎn)換等處理,并把遙控信號通過水下光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸給任一水下基站的功率放大器,經(jīng)由發(fā)射換能器轉(zhuǎn)換為水聲遙控編碼信號。

        水聲遙控接收設(shè)備采用隔振式高靈敏度接收水聽器基陣設(shè)計、水聲遙控信息實時解碼、多普勒頻移精確估計及補償、動基座抗干擾微信號自動檢測等技術(shù),實現(xiàn)水下目標航行狀態(tài)的實時遙控。接收水下基站發(fā)射的水聲遙控編碼信號,并實時解算出水聲遙控指令信息,實現(xiàn)對水下航行器的操控。

        2.5 水下機動目標高保真水聲通訊技術(shù)[4]

        水聲通訊分系統(tǒng)主要由水聲通訊收發(fā)機(裝載于水下航行器上)、水下基站、水聲通訊設(shè)備等組成,其工作原理為:利用任一水下基站內(nèi)的發(fā)射換能器發(fā)射語音通訊編碼信號,安裝在航行器上的水聲通訊收發(fā)機接收、處理,并應(yīng)答;而應(yīng)答信號則被任一水下基站內(nèi)的接收水聽器接收、處理,由此實現(xiàn)對水下航行器雙向的語音水聲通訊。

        水聲通訊系統(tǒng)主要由發(fā)射系統(tǒng)、水聲信道、接收系統(tǒng)三個部分組成:

        ● 發(fā)射系統(tǒng):用適當?shù)膫鞲衅鳎ㄈ缭捦玻?,把原始語音信息轉(zhuǎn)變成電信號送入信源編碼器;信源編碼器對輸入信號進行A/D變換,并完成語音壓縮功能,形成低碼率的數(shù)字信號;對數(shù)字信號進行適當?shù)男诺谰幋a(如卷積編碼、RS編碼等),增加信號的冗余度,使具有檢錯和糾錯能力;根據(jù)水聲信道的特點和要求把信道編碼后的信號以適當?shù)姆绞秸{(diào)制到一定頻率的載波上(如 OFDM 調(diào)制等);最后送往發(fā)射機,經(jīng)由發(fā)射換能器轉(zhuǎn)化為水聲通訊信號;

        ● 水聲信道:進行水聲通訊信號的傳輸;

        ● 接收系統(tǒng):信號處理過程基本與發(fā)射系統(tǒng)一一對應(yīng),是一個相反的過程,即:接收信號的預(yù)處理(放大、濾波、AD采樣),信號解調(diào),信道解碼和語音壓縮解碼;最后重建原始語音信號。

        3 系統(tǒng)典型應(yīng)用

        3.1 水下航行器實時跟蹤測試

        研制的水下綜合試驗測試系統(tǒng)達到了預(yù)期的性能指標,并已投入到多型水下航行器的航跡跟蹤等試驗,取得了較好的應(yīng)用效果。圖4為利用水下兩組基站對水下航行器的水聲跟蹤航跡圖。水平跟蹤誤差采用與GPS比對的方法,見表1,從表中可以看出水平定位誤差可達到0.3%以內(nèi),可以滿足多數(shù)水下航行器的定位精度需求。

        圖4 水下航行器實航跟蹤測試圖

        表1 水平跟蹤誤差與DGPS值比對表

        3.2 沉底航行器搜索與打撈試驗

        對沉底航行器打撈潛器的水聲語音通訊與導(dǎo)航控制方案如圖5所示。

        圖5 沉底航行器搜索與打撈方案圖

        沉底航行器由于水底地況復(fù)雜等原因,定位范圍有所縮小,但水平定位精度不變,也在0.3%以內(nèi)。航行器實航試驗中,利用水聲跟蹤分系統(tǒng)對產(chǎn)品進行跟蹤定位;當航行器故障沉底后,跟蹤并確定航行器所在位置;沉底航行器打撈時,利用水聲通訊分系統(tǒng)建立與潛器的語音通訊,指揮潛器快速靠近沉底航行器進行打撈回收作業(yè),快捷準確。

        4 結(jié)束語

        水下綜合試驗測試技術(shù)及其系統(tǒng)可直接服務(wù)于各種水下航行器的實航試驗,既能實現(xiàn)水下目標的實航航跡跟蹤與輻射噪聲測量、實航參數(shù)水聲遙測,又能實現(xiàn)對水下航行器的水聲遙控、對沉底航行器打撈潛器的水聲語音通訊與導(dǎo)航。與此同時,基于水下光纖網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的試驗測試系統(tǒng),直接在岸上機房內(nèi)就可實現(xiàn)全天候的試驗測試,既提高了效率,又降低了成本。

        [1]段文海. 多路寬帶水聲信號同步采集及傳輸技術(shù)研究[J].聲學(xué)與電子工程, 2010,(增刊): 32-36

        [2]汪俊, 王海斌, 吳立新. 遠程水聲通信中的多信號恒包絡(luò)合成方法[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報, 2005, 26(4): 451-456

        [3]王翔. 水下個人數(shù)字通信關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 西北工業(yè)大學(xué), 2007.

        [4]郭中源, 陳巖, 賈寧, 等. 水下數(shù)字語音通信系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)[J]. 聲學(xué)學(xué)報, 2008, 33(5):410-418

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