摘 要：針對(duì)艦艇聲納裝備碼頭條件下功能和性能無(wú)法進(jìn)行檢查的問(wèn)題，研制了聲納系泊狀態(tài)功能檢查與評(píng)估系統(tǒng)。以球鼻艏聲納為研究對(duì)象，依據(jù)聲納主要功能和實(shí)際測(cè)量需求，提出測(cè)量的主要內(nèi)容；根據(jù)測(cè)量主要內(nèi)容對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)；在此基礎(chǔ)上完成了碼頭分系統(tǒng)、移動(dòng)分系統(tǒng)和平臺(tái)分系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)；討論了艦船回波噪聲和主動(dòng)回波信號(hào)的產(chǎn)生方法和流程；研制完成了聲納系統(tǒng)狀態(tài)功能檢查與評(píng)估系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)碼頭現(xiàn)場(chǎng)對(duì)聲納的測(cè)量和評(píng)估功能。

關(guān)鍵詞：聲納；系泊試驗(yàn)；基陣；功能檢查；

充分、及時(shí)和全面的掌握聲納功能和技術(shù)狀態(tài)對(duì)于聲納操作員甚至作戰(zhàn)指揮員至關(guān)重要。然而在實(shí)際使用過(guò)程中，一般條件下聲納操作員和指揮員很難做到。只有處于航行狀態(tài)下，在配合艦艇合作運(yùn)動(dòng)條件下，聲納裝備的性能才能被充分全面掌握[1]。這種條件對(duì)于剛剛等級(jí)修理完成后需要完成航行試驗(yàn)的艦艇都是比較苛刻的，對(duì)于未進(jìn)行等級(jí)修理的艦艇更加無(wú)法保證。隨著服役聲納的種類和數(shù)量的快速增加，演訓(xùn)和護(hù)航等重大任務(wù)頻次的增多，急需一型能夠在艦艇等級(jí)修理完成后或者重大演訓(xùn)任務(wù)前，在碼頭系泊條件下完成聲納基本功能檢查和性能評(píng)估的測(cè)量系統(tǒng)。

本文以艦艇球鼻艏聲納為測(cè)量研究對(duì)象，對(duì)評(píng)估系統(tǒng)的組成進(jìn)行研究，研究評(píng)估系統(tǒng)的分系統(tǒng)的組成、功能，各分系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信模式，分系統(tǒng)主要軟件模塊和功能，最后對(duì)仿真信號(hào)產(chǎn)生的算法進(jìn)行了詳細(xì)討論。

一、測(cè)量?jī)?nèi)容

根據(jù)球鼻艏聲納的主要功能和實(shí)際測(cè)量需求，確定測(cè)量系統(tǒng)的主要測(cè)量項(xiàng)目和內(nèi)容：

（一）、發(fā)射系統(tǒng)測(cè)試

主要用于測(cè)量聲納發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射的聲信號(hào)是否滿足該型聲納的技術(shù)指標(biāo)要求[2，3]，包括發(fā)射信號(hào)的形式、頻率參數(shù)、波形參數(shù)、聲功率和方向性等。發(fā)射系統(tǒng)的測(cè)試需要在聲納工作發(fā)射信號(hào)覆蓋方位內(nèi)，空間布放一水聽(tīng)器采集發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射的聲信號(hào)，并將采集的信號(hào)發(fā)送至測(cè)量主系統(tǒng)，由測(cè)量主系統(tǒng)分析其信號(hào)形式是否滿足發(fā)射要求。如果發(fā)射系統(tǒng)是全向的，可以采用聲源與接收器的幾何態(tài)勢(shì)估算聲源方向，在圓周上選取若干個(gè)方向測(cè)量發(fā)射響應(yīng)，并給出響應(yīng)曲線和發(fā)射指向性圖。

（二）、接收系統(tǒng)測(cè)試

主要用于測(cè)量聲納接收系統(tǒng)功能和性能指標(biāo)。包括接收系統(tǒng)接收信號(hào)的頻段、波形、波束形成后的方位計(jì)算精度等。接收系統(tǒng)的測(cè)試需要在聲納接收信號(hào)覆蓋方位內(nèi)，空間布放一聲源，該聲源可以改變發(fā)射信號(hào)的頻率、脈沖寬度、重復(fù)周期和信號(hào)形式，利用聲納顯控臺(tái)檢查在各種模式下的接收功能；產(chǎn)生目標(biāo)模擬信號(hào)，模擬目標(biāo)的信號(hào)強(qiáng)度通過(guò)接收系統(tǒng)接收端的信噪比來(lái)確定。

（三）、聲納功能狀態(tài)記錄與評(píng)估

將各種工作模式的測(cè)試結(jié)果與技術(shù)要求種規(guī)定的指標(biāo)進(jìn)行比較，給出各種工作模式下的性能評(píng)價(jià)，建立評(píng)估體系模型，將測(cè)量得到結(jié)果存儲(chǔ)作為后續(xù)測(cè)量的參考和評(píng)估依據(jù)。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)測(cè)量項(xiàng)目?jī)?nèi)容和基本的測(cè)試方法確定測(cè)量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。測(cè)量系統(tǒng)由碼頭分系統(tǒng)、移動(dòng)分系統(tǒng)和平臺(tái)分系統(tǒng)三大部分組成。如圖1所示：

（一）、碼頭分系統(tǒng)

碼頭分系統(tǒng)完成對(duì)整個(gè)測(cè)試過(guò)程的調(diào)控、數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析處理、測(cè)試性能評(píng)估以及對(duì)移動(dòng)分系統(tǒng)的布放和回收等功能。碼頭分系統(tǒng)的主要組成部分有：顯控一體機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、地面視頻監(jiān)控系統(tǒng)、無(wú)人船控制系統(tǒng)、艦載監(jiān)控系統(tǒng)、無(wú)線數(shù)傳收發(fā)系統(tǒng)等組成。裝載有顯控軟件的顯控臺(tái)一體機(jī)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)，地面視頻監(jiān)控系統(tǒng)、無(wú)人船控制系統(tǒng)、艦載監(jiān)控系統(tǒng)和無(wú)線數(shù)傳收發(fā)系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)交互，碼頭分系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示：

（二）、移動(dòng)分系統(tǒng)

移動(dòng)分系統(tǒng)是評(píng)估系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。該分系統(tǒng)位于一個(gè)可以由碼頭分系統(tǒng)遙控的無(wú)人航行器上，具備接收碼頭分系統(tǒng)控制指令、測(cè)試模擬信號(hào)的發(fā)射、聲納工作信號(hào)采集與發(fā)送等功能。測(cè)試時(shí)基本采用“走-停-測(cè)”模式完成在預(yù)定航線位置上的測(cè)量；在測(cè)量跟蹤性能時(shí)采用“邊走邊發(fā)”的工作方式。

移動(dòng)分系統(tǒng)的主要硬件包括：無(wú)人船體、電子艙、GPS接收機(jī)、無(wú)線數(shù)傳天線、平臺(tái)遙控天線、測(cè)深儀、支架、接收水聽(tīng)器和發(fā)射換能器等組成。平臺(tái)分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖3所示。

其中電子艙分為兩個(gè)部分：航行器控制組件與測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生于數(shù)據(jù)采集組件。航行器航行控制由獨(dú)立的嵌入式系統(tǒng)及其附屬電路實(shí)現(xiàn)。測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生、發(fā)射接收信號(hào)的采集發(fā)送模塊采用獨(dú)立模塊設(shè)計(jì)。信號(hào)產(chǎn)生發(fā)射與采集板的主要功能：一是接收上位機(jī)的換能器信號(hào)，控制功放的開(kāi)啟，輸出給功放，最后在驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)聲。二是采集水聽(tīng)器及測(cè)深儀的信號(hào)，發(fā)送給上位機(jī)軟件。電子艙組成功能框圖如圖4所示：

（三）、平臺(tái)分系統(tǒng)

平臺(tái)分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)聲納工作狀態(tài)信息，待測(cè)聲納基陣處參考信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，通過(guò)有線通信、直接電纜連接等方式與碼頭分系統(tǒng)組成測(cè)量系統(tǒng)是不可缺少的重要環(huán)節(jié)。平臺(tái)分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示：

對(duì)聲納工作狀態(tài)信息的采集位于聲納艙，其數(shù)據(jù)傳輸需接網(wǎng)線與碼頭分系統(tǒng)交換機(jī)相連，待測(cè)潛艇球鼻艏處參考信號(hào)的采集位于外甲板基陣安裝位置處，采用便攜式采集模塊進(jìn)行采集，通過(guò)電纜與碼頭分系統(tǒng)連接并回傳采集數(shù)據(jù)。電話通信裝置位于聲納艙室，用于報(bào)送聲納操作與接收響應(yīng)。

三、軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)評(píng)估系統(tǒng)的軟件分為三個(gè)部分：碼頭分系統(tǒng)軟件、移動(dòng)分系統(tǒng)軟件和平臺(tái)分系統(tǒng)軟件。

（一）、碼頭分系統(tǒng)軟件

碼頭分系統(tǒng)軟件由測(cè)控態(tài)勢(shì)規(guī)劃模塊、測(cè)試數(shù)據(jù)處理與分析模塊、聲納性能評(píng)估與預(yù)測(cè)模塊組成。軟件的組成框圖如圖7所示：

測(cè)控態(tài)勢(shì)規(guī)劃模塊主要完成移動(dòng)分系統(tǒng)測(cè)量點(diǎn)位的設(shè)計(jì)、被測(cè)聲納信息與測(cè)量水域信息的設(shè)置等功能。包含測(cè)控態(tài)勢(shì)規(guī)劃數(shù)據(jù)管理模塊、測(cè)控態(tài)勢(shì)規(guī)劃模塊與測(cè)控態(tài)勢(shì)顯示模塊。

其數(shù)據(jù)傳輸需接網(wǎng)線與碼頭分系統(tǒng)交換機(jī)相連接，待測(cè)聲納基陣處的參考信號(hào)的采集位于外甲板基陣安裝位置處，采用便攜式采集模塊進(jìn)行采集，通過(guò)電纜與碼頭分系統(tǒng)連接并回傳采集數(shù)據(jù)。電話通信裝置位于聲納艙室，用于報(bào)送聲納操作與接收響應(yīng)。

（二）、移動(dòng)分系統(tǒng)軟件

移動(dòng)分系統(tǒng)軟件主要包括：航行器移動(dòng)控制模塊、航行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與校準(zhǔn)模塊、數(shù)據(jù)接收與分發(fā)模塊、指令解析與控制模塊、噪聲信號(hào)產(chǎn)生模塊、主動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生模塊、偵察信號(hào)產(chǎn)生模塊、輻射強(qiáng)度控制模塊、采樣控制與分析模塊、數(shù)據(jù)分類編碼模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送與校驗(yàn)?zāi)K等，具體關(guān)系如圖7所示。

（三）、平臺(tái)分系統(tǒng)軟件

平臺(tái)分系統(tǒng)軟件主要用于控制、采集聲納反饋信息和潛艇基陣處參考水聲信號(hào)等，主要包括：聲納反饋信息半自動(dòng)采集模塊、聲納顯示信息采集模塊和參考信號(hào)采集模塊。

聲納反饋信息半自動(dòng)采集模塊根據(jù)測(cè)試功能，將聲納工作信息由操作員實(shí)時(shí)輸入反饋信息，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至碼頭分系統(tǒng)進(jìn)行聲納性能綜合評(píng)估。

聲納顯示信息采集模塊利用攝像頭實(shí)時(shí)采集聲納工作信息，并通過(guò)有線雙網(wǎng)口網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至碼頭分系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示。

參考信號(hào)采集模塊與移動(dòng)分系統(tǒng)工作的設(shè)置一致，實(shí)時(shí)采集基陣處聲信號(hào)并發(fā)送至碼頭分系統(tǒng)進(jìn)行處理。

四、測(cè)試信號(hào)設(shè)計(jì)

（一）、艦船輻射噪聲仿真

對(duì)艦船噪聲的仿真可歸結(jié)為對(duì)隨機(jī)信號(hào)相關(guān)特性或功率譜特性的仿真。在現(xiàn)代聲納檢測(cè)和識(shí)別的過(guò)程中，利用了艦船噪聲平穩(wěn)連續(xù)譜、低頻線譜和包跡譜（時(shí)變調(diào)制譜）的特性。艦船噪聲時(shí)變功率譜可表示為[4]：

G（t，f）=GX（f）+GL （f）+M（t）M（f）GX （f）

其中GX（f）為平穩(wěn)各態(tài)歷經(jīng)高斯過(guò)程的連續(xù)譜，GL （f）為在頻率上離散分布線譜，M（t）M（f）GX （f）是譜級(jí)受到周期調(diào)制的時(shí)變功率譜。M（t）稱為調(diào)制函數(shù)，代表連續(xù)譜所受到的周期時(shí)變調(diào)制；M（f）為調(diào)制深度譜，反映不同頻率成份所具有的不同調(diào)制程度。

1、平穩(wěn)連續(xù)譜

艦船噪聲是螺旋槳空化及船體振動(dòng)等因素所形成，它由平穩(wěn)連續(xù)譜，時(shí)變調(diào)制譜和線譜三部份組成[ ]。平穩(wěn)連續(xù)譜是艦船噪聲中最主要的成份，采用以下二參數(shù)模型：

GX （ω）= a/[a2+〖（ω+ω0）2]+a/[a2+〖（ω-ω0）2]

在聲納工作頻率內(nèi)，平穩(wěn)連續(xù)譜近似以每倍頻程–6dB規(guī)律下降。基陣信號(hào)模擬器采用自回歸譜擬合技術(shù)，通過(guò)改變自回歸濾波器的參數(shù)獲得具有指定譜狀的艦艇噪聲時(shí)間序列輸出。

2、艦船噪聲低頻線譜

艦船線譜實(shí)質(zhì)上是一組具有特定頻率、幅度和初相的單頻信號(hào)，可按照單頻信號(hào)的方法分別產(chǎn)生然后再進(jìn)行迭加。各單頻信號(hào)的頻率、幅度和初相應(yīng)與指定值相符合。低頻線譜的分布與艦船型號(hào)有關(guān)，也與艦船所處深度有關(guān)[6]，本評(píng)估系統(tǒng)的每個(gè)目標(biāo)可產(chǎn)生三根具有指定頻率，指定幅度，指定多普勒頻率漂移的線譜信號(hào)時(shí)間序列。

3、艦船噪聲包跡譜

艦船噪聲包跡譜來(lái)源于螺旋槳對(duì)輻射噪聲的包絡(luò)調(diào)制，其結(jié)果使得噪聲的包絡(luò)出現(xiàn)一列具有諧頻關(guān)系的線譜。包跡譜仿真可通過(guò)對(duì)艦船噪聲的幅度調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。改變調(diào)制脈沖的周期和調(diào)制脈沖三的結(jié)構(gòu)可以獲得不同包跡譜特性的噪聲序列。

4、算法流程

自回歸濾波系數(shù)計(jì)算：根據(jù)指定的艦船噪聲信號(hào)功率譜形狀，解算出相應(yīng)的自回歸濾波系數(shù)。

白噪聲產(chǎn)生：采用混合乘同余法產(chǎn)生偽隨機(jī)白噪聲序列，作為自回歸濾波器的激勵(lì)噪聲源。

包跡譜控制參數(shù)計(jì)算：把指定的主軸轉(zhuǎn)速、螺旋槳葉片數(shù)，調(diào)制深度等螺旋槳特征參數(shù)，轉(zhuǎn)換為對(duì)自回歸譜擬合進(jìn)行時(shí)變調(diào)制的控制參數(shù)。

時(shí)變調(diào)制控制：根據(jù)包跡譜特征，對(duì)自回歸濾波運(yùn)算實(shí)行時(shí)變調(diào)制控制，使輸出的噪聲具有指定包跡譜特征。

時(shí)變自回歸濾波：用白噪聲激勵(lì)具有特定系數(shù)的自回歸濾波器，進(jìn)行艦船噪聲譜擬合，實(shí)現(xiàn)艦船噪聲連續(xù)譜的仿真。在時(shí)變調(diào)制的控制下，該濾波器成為一個(gè)時(shí)變?yōu)V波器，實(shí)現(xiàn)艦船噪聲包跡譜的仿真。

低頻線譜產(chǎn)生：根據(jù)指定的線譜頻率，線譜幅度，線譜頻率和幅度的飄移，通過(guò)迭代算法產(chǎn)生出一組低頻線譜時(shí)間序列。

噪聲信號(hào)譜級(jí)控制：根據(jù)接收噪聲級(jí)對(duì)仿真的艦船噪聲進(jìn)行幅度控制，使得指定頻率上模擬器輸出的艦船噪聲具有指定的譜級(jí)。

（二）、主動(dòng)回波仿真

主動(dòng)回波則是本艦聲納發(fā)射經(jīng)目標(biāo)反射和雙程傳播到達(dá)聲陣的脈沖信號(hào)。與噪聲類隨機(jī)信號(hào)不同，主動(dòng)回波信號(hào)都屬于可以用顯函數(shù)表示的確定性信號(hào)，都可以按函數(shù)表達(dá)式計(jì)算產(chǎn)生。本聲納評(píng)估系統(tǒng)采用迭代算法產(chǎn)生各種單、調(diào)頻信號(hào)，速度快，精度高，通用性好。通過(guò)改變迭代參數(shù)即可產(chǎn)生出具有不同特性的單、調(diào)頻脈沖信號(hào)。主動(dòng)回波算法流程如圖9所示。

回波計(jì)時(shí)：從發(fā)射同步信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)刻開(kāi)始，按照設(shè)定的時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行主動(dòng)接收計(jì)時(shí)。同時(shí)根據(jù)目標(biāo)距離和回波脈沖寬度計(jì)算出回波出現(xiàn)的計(jì)時(shí)區(qū)間。

回波區(qū)間判斷：將主動(dòng)接收計(jì)時(shí)和回波出現(xiàn)的計(jì)時(shí)區(qū)間進(jìn)行比較，判斷該點(diǎn)仿真是否處在回波期間，確定是否進(jìn)入回波運(yùn)算模塊。

回波波形參數(shù)計(jì)算：根據(jù)回波的類型，回波中心頻率及掃頻寬度（調(diào)頻脈沖）計(jì)算出回波信號(hào)的三階相位迭代量。

回波波形序列計(jì)算：利用相位迭代量進(jìn)行迭代計(jì)算，在回波期間連續(xù)的給出回波時(shí)間序列。

回波幅度控制：根據(jù)目標(biāo)回波級(jí)對(duì)仿真的回波的時(shí)間序列進(jìn)行幅度控制，使得模擬器輸出的目標(biāo)回波具有指定的回波級(jí)。

五、結(jié)論

聲納系泊狀態(tài)功能檢查與評(píng)估系統(tǒng)先后完成了技術(shù)方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟硬件技術(shù)研發(fā)、部隊(duì)測(cè)試驗(yàn)證等環(huán)節(jié)，采用遙控式無(wú)人航行器搭載聲發(fā)射與采集系統(tǒng)對(duì)艦艇聲納進(jìn)行碼頭系泊條件下的功能測(cè)試與性能評(píng)估，完成了聲納目標(biāo)信號(hào)仿真、水面無(wú)人航行器聲納性能測(cè)試目標(biāo)仿真與控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于聲納各項(xiàng)功能性能進(jìn)行測(cè)試與評(píng)估的功能。

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作者簡(jiǎn)介：

唐鎖夫（1974-），男，海軍702廠工程師，研究生學(xué)歷，主要研究方向聲納信號(hào)處理、聲納裝備修理.