（海軍七〇二廠 上海 200434）

1 引言

聲納是利用水下聲信息進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別、定位、導(dǎo)航和通信的電子設(shè)備［1］。艦艇聲納技術(shù)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用［1～2］，隨著海軍的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型及實(shí)戰(zhàn)化需要，艦艇部隊(duì)加大了常態(tài)化的遠(yuǎn)航與實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練，聲納裝備的長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷的運(yùn)行，對(duì)其可靠性提出了更高的要求，同時(shí)也對(duì)實(shí)時(shí)狀態(tài)的完好性提出了新的要求［3］。但聲納普遍存在著在線狀態(tài)下綜合技術(shù)指標(biāo)測(cè)試的困難，艦艇聲納作戰(zhàn)部門(mén)很難及時(shí)、全面和準(zhǔn)確的掌握聲納綜合技戰(zhàn)術(shù)性能的問(wèn)題［5］。而能否在線實(shí)時(shí)掌握聲納功能和技術(shù)指標(biāo)不僅對(duì)于提高指揮員與操作員的用裝安全感與用裝信心非常重要，對(duì)艦艇的航行安全也非常重要。目前，現(xiàn)役的水面艦艇和潛艇在線狀態(tài)下聲納裝備的檢測(cè)與檢查，只能依據(jù)聲納自檢系統(tǒng)對(duì)干端（段）部分進(jìn)行基礎(chǔ)檢測(cè)，而對(duì)濕端的狀態(tài)監(jiān)測(cè)卻無(wú)有效手段［6～7］。由于缺少有效的水下目標(biāo)信號(hào)源及信號(hào)處理系統(tǒng)，對(duì)聲納裝備整體工作性能檢查只能通過(guò)艦間的相互配合完成檢測(cè)等功能，而在航艦艇間的協(xié)調(diào)配合周期會(huì)要很長(zhǎng)，所需付出的時(shí)間、經(jīng)濟(jì)上的代價(jià)都會(huì)很大，所有艦艇的艦殼聲納都用這樣的方式進(jìn)行檢查顯然不太現(xiàn)實(shí)。因此，研制一套艦殼聲納在線狀態(tài)下進(jìn)行綜合功能檢測(cè)與評(píng)估的系統(tǒng)，將會(huì)彌補(bǔ)這一缺項(xiàng)。

2 總體構(gòu)思

本測(cè)試系統(tǒng)擬實(shí)現(xiàn)對(duì)目前多型在役的艦殼聲納系泊狀態(tài)下整機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)的測(cè)量。根據(jù)現(xiàn)役的艦殼聲納模擬仿真不同工作狀態(tài)下的工作信號(hào)、目標(biāo)回波或噪聲信號(hào)，完成對(duì)艦殼聲納的主動(dòng)、被動(dòng)和通信功能方面的功能測(cè)試及工作狀態(tài)的自動(dòng)評(píng)估。通過(guò)顯控臺(tái)的控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)水下移動(dòng)平臺(tái)、超短基線定位和測(cè)試聲納之間的協(xié)同工作和數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)測(cè)試全過(guò)程、各信號(hào)和結(jié)果的可視性。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)基本原理圖

測(cè)試系統(tǒng)基本原理如圖1所示:在距離被測(cè)聲納r m，艦艏方位θ處放置一測(cè)試用聲納，用于發(fā)射目標(biāo)模擬信號(hào)，接收被測(cè)聲納發(fā)射信號(hào)，從而完成被測(cè)聲納的各項(xiàng)功能測(cè)試。

2.1 發(fā)射系統(tǒng)功能檢測(cè)

2.1.1 發(fā)射信號(hào)檢查

用測(cè)試聲納的水聽(tīng)器采集被測(cè)聲納的發(fā)射信號(hào)，并將采集的信號(hào)發(fā)送至數(shù)據(jù)綜合處理分析分系統(tǒng)，由評(píng)估分系統(tǒng)分析其信號(hào)形式，檢查信號(hào)中心頻率、脈沖寬度、信號(hào)帶寬、脈沖重復(fù)頻率等是否滿足發(fā)射要求。

2.1.2 目標(biāo)搜索和跟蹤

用測(cè)試聲納接收被測(cè)聲納信號(hào)，接收到信號(hào)后進(jìn)行目標(biāo)回波模擬，根據(jù)模擬目標(biāo)的距離，進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)延時(shí)和幅度衰減，應(yīng)答式地發(fā)送回被測(cè)基陣，被測(cè)聲納可以進(jìn)行方位更換，模擬目標(biāo)的方位移動(dòng)。通過(guò)模擬數(shù)據(jù)及測(cè)試聲納顯控臺(tái)讀出的的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，評(píng)估目標(biāo)搜索和跟蹤能力。

2.1.3 基陣發(fā)射指向性

當(dāng)艦艇處于自由聲場(chǎng)條件時(shí)，還可以利用測(cè)試聲納對(duì)基陣的發(fā)射指向性進(jìn)行測(cè)量［7］。將測(cè)試聲納沿著以基陣聲中心為原點(diǎn)，在滿足基陣遠(yuǎn)場(chǎng)條件下，以r為半徑的圓弧的不同方位上進(jìn)行發(fā)射信號(hào)采集，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果繪制出基陣發(fā)射指向性。由測(cè)試聲納換能器帶來(lái)的指向性誤差可以進(jìn)行補(bǔ)償。

2.2 接收系統(tǒng)功能檢測(cè)

2.2.1 噪聲目標(biāo)檢測(cè)檢查

將測(cè)試聲納放置于被測(cè)聲納工作發(fā)射信號(hào)覆蓋方位內(nèi)，產(chǎn)生目標(biāo)模擬信號(hào)，其信噪比確?？煞€(wěn)定可靠觀察目標(biāo)。在設(shè)備規(guī)范規(guī)定的觀察范圍內(nèi)隨機(jī)設(shè)置多個(gè)目標(biāo)方位，在每個(gè)方位上多次測(cè)量，統(tǒng)計(jì)計(jì)算誤差的均方根值。通過(guò)聲納顯控臺(tái)讀出的測(cè)量值與測(cè)試聲納模擬的數(shù)值之件的差值進(jìn)行性能評(píng)估。

2.2.2 工作頻帶檢測(cè)

測(cè)試方法與噪聲目標(biāo)檢測(cè)類(lèi)似，多點(diǎn)多次測(cè)量。只是測(cè)試聲納發(fā)射的是不同頻點(diǎn)的信號(hào)，在被測(cè)聲納的信號(hào)調(diào)理端進(jìn)行信號(hào)幅度檢查。由測(cè)試聲納發(fā)射系統(tǒng)帶來(lái)的頻率起伏也可以進(jìn)行補(bǔ)償。

2.3 通信功能檢測(cè)

通過(guò)相互應(yīng)答的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)通信功能的檢查，對(duì)電話、電報(bào)和電傳報(bào)等功能進(jìn)行檢查。

3 實(shí)現(xiàn)方案

3.1 系統(tǒng)組成

測(cè)試系統(tǒng)主要由水下測(cè)試分系統(tǒng)、超短基線定位系統(tǒng)、顯控和信號(hào)處理系統(tǒng)三個(gè)部分組成，測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)示意圖如圖2所示。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)組成示意圖

水下測(cè)試分系統(tǒng)主要包含水下移動(dòng)平臺(tái)（含攝像頭、水下LED、深度傳感器等）、聲納水下移動(dòng)測(cè)試分系統(tǒng)工作時(shí)全部位于水下，并搭載測(cè)試聲納、超短基線定位應(yīng)答器等電子載荷，完成被測(cè)聲納的測(cè)試工作和水下空間定位。

水下移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3 水下移動(dòng)平臺(tái)原理框圖

類(lèi)似于人腦中負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元以及運(yùn)動(dòng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。水下移動(dòng)平臺(tái)的控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的核心部分，用于實(shí)時(shí)處理觀測(cè)系統(tǒng)提供的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)，并對(duì)各推進(jìn)器輸出功率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。包括運(yùn)動(dòng)控制軟件、水下通信接口、傳輸臍帶纜（含絞盤(pán)）、姿態(tài)定位系統(tǒng)和控制軟件。

水下移動(dòng)平臺(tái)用于搭載觀測(cè)系統(tǒng)的各種傳感器，以及接收水下移動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)下達(dá)的推進(jìn)器轉(zhuǎn)動(dòng)指令。水下載體采用框架式結(jié)構(gòu)，包含水下移動(dòng)平臺(tái)框架、水密耐壓殼體、供電電池、配重浮塊等。

超短基線定位系統(tǒng)由超短基線基站和應(yīng)答器兩個(gè)部分組成；其中超短基線定位基站由固定繩索或支架懸掛在水面艦艇或潛艇的舷側(cè)水下（如圖2），應(yīng)答器由水下移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行搭載（如圖2）。工作時(shí)由基站向應(yīng)答器不斷發(fā)送聲脈沖信號(hào)，應(yīng)答器在接收到該信號(hào)后立即應(yīng)答相應(yīng)的信號(hào)給基站?；镜乃?tīng)器按照三角形或直角進(jìn)行布陣并共面，該面同時(shí)也作為基準(zhǔn)平面，通過(guò)計(jì)算應(yīng)答器應(yīng)答信號(hào)到基線之間的相位差進(jìn)行應(yīng)答器的方位估計(jì)，同時(shí)計(jì)算斜距，從而完成對(duì)應(yīng)答器的水下定位。該定位結(jié)果既可是應(yīng)答器相對(duì)于基站接收陣坐標(biāo)系，當(dāng)超短基線定位系統(tǒng)配置北斗或GPS定位裝置后，也可將目標(biāo)水下定位的結(jié)果換算成大地坐標(biāo)系的坐標(biāo)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的軟件主要由顯控主程序、運(yùn)動(dòng)控制程序、觀測(cè)系統(tǒng)程序三大部分組成，三個(gè)程序間的數(shù)據(jù)交換通過(guò)接口通信模塊完成。

顯控主程序由如圖4所示的測(cè)試參數(shù)設(shè)置模塊、聲納響應(yīng)人工錄取模塊、測(cè)試態(tài)勢(shì)顯示模塊，接口通信模塊、數(shù)據(jù)波形顯示模塊、測(cè)試記錄與管理模塊、信號(hào)處理模塊和聲納功能評(píng)估模塊模塊8個(gè)模塊組成。

圖4 顯控系統(tǒng)軟件框圖

運(yùn)動(dòng)控制程序由運(yùn)動(dòng)姿態(tài)自動(dòng)控制程序和接口傳輸模塊兩部分組成。

觀測(cè)系統(tǒng)程序則由圖5所示的信號(hào)源程序、溫深鹽解析模塊、圖像解析模塊、導(dǎo)航及姿態(tài)解析模塊和接口傳輸模塊5部分組成。

3.3 測(cè)試信號(hào)仿真

主動(dòng)聲納工作時(shí)的目標(biāo)回波信號(hào)，被動(dòng)聲納檢測(cè)時(shí)目標(biāo)的輻射噪聲是聲納檢測(cè)目標(biāo)的關(guān)鍵因素［9～10］，“目標(biāo)”信號(hào)的仿真度越高，對(duì)系統(tǒng)在線情況下的性能的檢測(cè)也就可信度越高［10］，因此，系統(tǒng)將針對(duì)不同型號(hào)的裝備，產(chǎn)生不同類(lèi)型的仿真信號(hào)，對(duì)應(yīng)檢測(cè)被測(cè)艦殼聲納的相應(yīng)性能。

圖5 觀測(cè)系統(tǒng)軟件框圖

3.3.1 主動(dòng)回波仿真

主動(dòng)回波是本艦聲納發(fā)射經(jīng)目標(biāo)反射和雙程傳播到達(dá)聲陣的脈沖序列信號(hào)［9～10］。主動(dòng)回波信號(hào)具有明顯的發(fā)射信號(hào)的特征，可以根據(jù)被測(cè)聲納具體發(fā)射信號(hào)的形式，通過(guò)迭代算法產(chǎn)生。改變迭代參數(shù)則可產(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6所示。

圖6 主動(dòng)回波信號(hào)算法流程

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。

回波期間判斷: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(lèi)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)。

3.3.2 偵察脈沖仿真

偵察脈沖是目標(biāo)艦聲納發(fā)射經(jīng)單程傳播到達(dá)聲陣的脈沖信號(hào)?，F(xiàn)代聲納已經(jīng)廣泛使用各種長(zhǎng)、短單頻脈沖，線性調(diào)頻脈沖，雙曲調(diào)頻脈沖及組合脈沖等各種形式信號(hào)［2］。

偵察脈沖算法流程如圖7所示。

圖7 偵察脈沖信號(hào)算法流程

脈沖期計(jì)時(shí):根據(jù)脈沖重復(fù)周期和脈沖寬度，按照設(shè)定的時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算脈沖持續(xù)期和脈沖間歇期。

脈沖持續(xù)期判斷:將脈沖接收計(jì)時(shí)與脈沖持續(xù)期和脈沖間歇期進(jìn)行比較，判斷該仿真時(shí)刻是否處在脈沖持續(xù)期間，確定是否進(jìn)入脈沖運(yùn)算模塊。

脈沖波形參數(shù)計(jì)算:根據(jù)偵察脈沖的類(lèi)型，脈沖中心頻率及掃頻寬度（調(diào)頻脈沖）計(jì)算出偵察脈沖的三階相位迭代量。

脈沖波形序列計(jì)算:利用相位迭代量進(jìn)行迭代計(jì)算，在脈沖期間連續(xù)的給出脈沖的時(shí)間序列。

偵察目標(biāo)接收級(jí)計(jì)算:按照偵察方式聲納方程，由輸入的目標(biāo)聲源級(jí)和傳播損失，同時(shí)計(jì)入基陣垂直增以后，算出聲陣基元接收到的偵察目標(biāo)接收級(jí)。

偵察幅度控制:對(duì)模擬器輸出的的偵察脈沖序列進(jìn)行幅度控制，使其具有指定的脈沖級(jí)。

3.3.3 艦船輻射噪聲仿真

螺旋槳噪聲、機(jī)械噪聲和水動(dòng)力噪聲是艦船噪聲的三大主要來(lái)源。一般情況下，螺旋槳空化噪聲譜具有平穩(wěn)的連續(xù)特性，機(jī)械噪聲譜則主要顯現(xiàn)為低頻部分的離散線譜。因此艦船輻射噪聲譜可以用式（1）來(lái)表示［12］：

其中GX(f)為服從高斯分布的連續(xù)譜，GL(f)為在低頻段上的離散線譜，M(t)M(f)GX(f)是受到周期調(diào)制的時(shí)變功率譜，主要是由于螺旋槳葉片周期轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)輻射噪聲產(chǎn)生了調(diào)制而形成。

而具體仿真時(shí)，各具體功率譜的形式，則根據(jù)被測(cè)聲納的具體信號(hào)處理方式而選用不同的模擬函數(shù)進(jìn)行仿真。

4 結(jié)語(yǔ)

測(cè)試系統(tǒng)采用水下移動(dòng)平臺(tái)，搭載測(cè)試聲納，利用超短基線定位裝置對(duì)水下測(cè)試聲納進(jìn)行定位，通過(guò)測(cè)試聲納收發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行提供聲源和接收信號(hào)處理，水面上顯控處理機(jī)接收測(cè)試聲納的實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)，評(píng)估被測(cè)艦殼聲納的性能指標(biāo)。采用小型化、模塊化設(shè)計(jì)，可以滿足多型號(hào)艦殼聲納系泊條件下測(cè)試和檢驗(yàn)需求。測(cè)試系統(tǒng)降低了以往艦殼聲納測(cè)試的兵力配合需求，將大大提高現(xiàn)役聲納裝備在線檢測(cè)和測(cè)試效率，讓艦艇聲納部門(mén)能夠隨時(shí)全面的掌握艦殼聲納的綜合性能。