（昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心 昆明 650051）

1 引言［1，14］

隨著海洋科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，水下航行體在國(guó)防、海洋工程等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用，水下航行體的位置姿態(tài)信息是岸基或工作母艇必須獲取的信息。在軍事領(lǐng)域，現(xiàn)代新型水下武器能夠?qū)δ繕?biāo)的水平、垂直尺度進(jìn)行分析、識(shí)別、辨別真假目標(biāo)。在攻擊過(guò)程中，智能水下武器通過(guò)最優(yōu)化控制，采取最佳彈道，尋找攻擊目標(biāo)要害部位，垂直命中、聚能定向爆炸。由于輕型智能水下武器體積小、所裝彈藥少，它對(duì)目標(biāo)的摧毀程度就取決于如何準(zhǔn)確判別目標(biāo)的要害部位，完成定向聚能爆破。同時(shí)，在新型水下武器科研、定型及交驗(yàn)試驗(yàn)中，通過(guò)實(shí)時(shí)分析其航行位置、姿態(tài)參數(shù)，可以清楚地掌握水下武器實(shí)航中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，特別是在實(shí)航發(fā)生故障時(shí)，對(duì)故障的機(jī)理分析和排除起到了至關(guān)重要的作用。在商業(yè)領(lǐng)域，無(wú)人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）已成功應(yīng)用于海底地形探測(cè)、海域水文監(jiān)測(cè)、海底管道故障檢測(cè)等任務(wù)。在UUV執(zhí)行任務(wù)結(jié)束及能源欠缺時(shí)，有需要對(duì)其進(jìn)行回收來(lái)下載相關(guān)信息數(shù)據(jù)或補(bǔ)充能源，但由于水下環(huán)境復(fù)雜，以及水壓和碰撞對(duì)其帶來(lái)的影響，為保障順利的回收要求母艇精確的掌握UUV的位置、姿態(tài)等參數(shù)信息。

本文通過(guò)深入研究高速目標(biāo)水聲遙測(cè)多普勒補(bǔ)償、強(qiáng)干擾條件下弱信號(hào)檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種脈沖間隔粗調(diào)與頻率編碼細(xì)調(diào)相結(jié)合的遙測(cè)信標(biāo)體制，采用前沿檢測(cè)方法測(cè)量信號(hào)到達(dá)時(shí)差實(shí)現(xiàn)位置跟蹤，利用脈沖間隔調(diào)制實(shí)現(xiàn)航行姿態(tài)參數(shù)的粗估，利用頻率調(diào)制實(shí)現(xiàn)航行姿態(tài)參數(shù)的細(xì)估，從而實(shí)現(xiàn)了水下航行體位置跟蹤與姿態(tài)參數(shù)聯(lián)合測(cè)量的目標(biāo)。課題組試制了系統(tǒng)原理樣機(jī)，并開(kāi)展了湖上動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明：位置跟蹤誤差不大于0.5%，姿態(tài)測(cè)量誤差不大于0.5°。

2 系統(tǒng)樣機(jī)功能組成及技術(shù)方案

2.1 系統(tǒng)樣機(jī)工作原理

具體工作原理（過(guò)程）如下。

1）裝載于水下航行體的水聲測(cè)試段發(fā)出的聲信標(biāo)信號(hào)經(jīng)水中傳播后，被輕便式聲學(xué)基陣接收，經(jīng)前端放大后，傳輸至信號(hào)處理設(shè)備；

2）信號(hào)處理設(shè)備的模擬電路組件對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、調(diào)理等一系列處理后，送DSP信號(hào)處理機(jī)進(jìn)行時(shí)延估計(jì)、頻率解調(diào)等信號(hào)處理分析；

3）DSP信號(hào)處理機(jī)完成水聲脈沖信號(hào)幀行識(shí)別，求得脈沖傳播時(shí)延，再對(duì)信號(hào)中目標(biāo)深度、航行姿態(tài)信息（如航向、俯仰、橫滾等）進(jìn)行頻率和脈沖間隔解調(diào)，得到其調(diào)制時(shí)延及頻率等信息，并將結(jié)果傳送至顯控機(jī)；

4）顯控機(jī)實(shí)現(xiàn)水下UUV位置軌跡的解算、描繪、姿態(tài)參數(shù)的解碼及水下UUV姿態(tài)3D顯示等。

2.2 系統(tǒng)組成及技術(shù)方案

水下航行體位置姿態(tài)參數(shù)水聲測(cè)量系統(tǒng)樣機(jī)主要由信號(hào)處理與顯控設(shè)備、水聲測(cè)試段、聲學(xué)基陣等組成。系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖1。信號(hào)處理與顯控系統(tǒng)包括模擬電路組件、DSP信號(hào)處理機(jī)、位置跟蹤與姿態(tài)參數(shù)顯控機(jī)、GPS同步鐘和姿態(tài)測(cè)量設(shè)備等，模擬電路組件將接收的四路水聲信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波、包絡(luò)檢波等處理后，送DSP信號(hào)處理機(jī)；DSP信號(hào)處理機(jī)完成信號(hào)檢測(cè)解調(diào)、單頻頻率判別、時(shí)延估計(jì)、增益控制及數(shù)據(jù)傳送等功能，并將解調(diào)信息、時(shí)差數(shù)據(jù)等通過(guò)RS422口傳送給位置跟蹤與姿態(tài)參數(shù)顯控機(jī)，位置跟蹤與姿態(tài)參數(shù)顯控機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)位置軌跡的解算與描繪、位置參數(shù)的解碼與水下航行體姿態(tài)3D顯示等功能。水聲測(cè)試段負(fù)責(zé)將實(shí)時(shí)采集的姿態(tài)參數(shù)信息，按照要求的信標(biāo)體制進(jìn)行編碼、調(diào)制后，在GPS同步鐘的觸發(fā)下由功放電路發(fā)射出去。聲學(xué)基陣由四個(gè)互相正交的接收換能器、水密電子艙、布放回收機(jī)構(gòu)等組成，負(fù)責(zé)采集水聲測(cè)試段發(fā)出的水聲信號(hào)。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

3 關(guān)鍵技術(shù)及突破途徑

3.1 信標(biāo)體制設(shè)計(jì)

信標(biāo)體制采用時(shí)延粗調(diào)與頻率細(xì)調(diào)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方式，采取1幀（10*n-1）行（n=1，2，3…）的形式，幀同步周期為T=（n）s，行同步周期固定為t=0.1s，Ti（i=1，2，3…10*n）為遙測(cè)信息的時(shí)延粗調(diào)值（可根據(jù)調(diào)制值調(diào)節(jié)，取值范圍為20ms～50ms）。CW0為脈寬4ms頻率為f0（單位kHz，范圍為20kHz～100kHz）的單頻脈沖；+LFM代表幀識(shí)別脈沖，為脈寬 5ms、（f0-3.5～f0+3.5）kHz線性正調(diào)頻；-LFM代表行識(shí)別脈沖，為脈寬5ms、（f0-3.5～f0+3.5）kHz線性負(fù)調(diào)頻；CWn（n=1，2…10*n）代表遙測(cè)信息的頻率細(xì)調(diào)脈沖，為3ms的單頻信號(hào)。由于航行深度信息要求精度高，本信標(biāo)使用兩個(gè)行周期調(diào)制深度信息，其余三個(gè)參數(shù)（包括航向角、橫滾角、縱傾角等）使用一個(gè)行周期來(lái)調(diào)制，這樣更新一次遙測(cè)信息就需要5個(gè)行周期，即遙測(cè)周期為0.5s。細(xì)調(diào)分為12個(gè)刻度，CWn頻率值分別對(duì)應(yīng)為（f0-3.5）kHz、（f0-3）kHz、（f0-2.5）kHz、（f0-2）kHz、（f0-1.5）kHz、（f0-1）kHz、（f0+1）kHz、（f0+1.5）kHz、（f0+2）kHz、（f0+2.5）kHz、（f0+3）kHz、（f0+3.5）kHz。圖2為n=1時(shí)信標(biāo)示意圖，即幀同步周期為T=1s，1幀9行，行同步周期固定為t=0.1s，Ti（i=1，2，3…10）為遙測(cè)信息的時(shí)延粗調(diào)值，細(xì)調(diào)脈沖CWn（n=1，2…10）。

圖2 信標(biāo)體制示意圖

3.2 強(qiáng)干擾條件下弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)［3，7，14］

課題組對(duì)低信噪比、弱信號(hào)條件下的水聲接收信號(hào)檢測(cè)方法作了深入的研究。在發(fā)射端設(shè)計(jì)了一種脈沖間隔粗調(diào)與頻率編碼細(xì)調(diào)相結(jié)合的遙測(cè)信號(hào)體制，達(dá)到了抑制碼間干擾、提高在固定距離接收端信號(hào)的信噪比的效果；在水聲信號(hào)傳播過(guò)程中，研究了試驗(yàn)水域撫仙湖水聲信道特征，分析了各時(shí)間段聲速梯度和聲線傳播軌跡，采用保護(hù)間隔、卷積碼糾錯(cuò)等抗多途措施來(lái)抑制多途傳播干擾；在接收端采用高精度時(shí)延頻率估計(jì)等算法實(shí)施弱信號(hào)解調(diào)。

時(shí)延估計(jì)利用自適應(yīng)更新樣本相關(guān)的方法，提高時(shí)延估計(jì)精度，再進(jìn)行時(shí)延值精密內(nèi)插，從而保證時(shí)延估計(jì)精度。頻率估計(jì)采用基于FFT的插值頻率估計(jì)算法，插值采用拉格朗日與最小二乘擬合算法。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)過(guò)程與方法

為驗(yàn)證系統(tǒng)原理樣機(jī)的性能，開(kāi)展了湖上靜態(tài)與動(dòng)態(tài)跑船試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程：基陣吊放于試驗(yàn)船A右舷，試驗(yàn)船B攜帶模擬聲源在距測(cè)量陣心不大于2km范圍內(nèi)定點(diǎn)漂泊與動(dòng)態(tài)航行；模擬聲源設(shè)備發(fā)射的聲信號(hào)由聲學(xué)基陣接收，經(jīng)放大濾波后，由信號(hào)接收處理機(jī)實(shí)時(shí)進(jìn)行時(shí)延檢測(cè)、姿態(tài)參數(shù)信息解碼解調(diào)，得到試驗(yàn)船B上模擬聲源的位置軌跡與姿態(tài)參數(shù)。試驗(yàn)船A與試驗(yàn)船B的GPS位置數(shù)據(jù)與基陣位置信息均回傳至指控中心，進(jìn)行實(shí)時(shí)的誤差對(duì)比。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)跑船試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，位置數(shù)據(jù)比對(duì)船載DGPS數(shù)據(jù)，通過(guò)多組數(shù)據(jù)比對(duì)，得出位置定位精度優(yōu)于0.5%。將實(shí)際測(cè)量姿態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)與便攜式電腦實(shí)時(shí)記錄航姿傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)間比較，考核系統(tǒng)的姿態(tài)測(cè)量誤差，統(tǒng)計(jì)次數(shù)為靜態(tài)每個(gè)參數(shù)6000次，動(dòng)態(tài)跑船每個(gè)參數(shù)9000次。頻點(diǎn)值與時(shí)延值按照信標(biāo)體制的調(diào)制方式還原后，再經(jīng)過(guò)正交四元基陣數(shù)據(jù)融合、剔除野值等后處理得到其姿態(tài)參數(shù)信息，2000m范圍內(nèi)接收到的航向、俯仰、橫滾等姿態(tài)參數(shù)信息測(cè)量誤差不大于10-3。圖3為航姿傳感器航向?qū)崟r(shí)參數(shù)信息接收數(shù)據(jù)與發(fā)射數(shù)據(jù)對(duì)比圖。

圖3 航向?qū)崟r(shí)參數(shù)信息接收數(shù)據(jù)與發(fā)射數(shù)據(jù)對(duì)比圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要解決了高速目標(biāo)水聲遙測(cè)多普勒補(bǔ)償、強(qiáng)干擾條件下弱信號(hào)檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)，研制了系統(tǒng)原理樣機(jī)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。本課題系統(tǒng)原理樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了水下航行體位置姿態(tài)參數(shù)聯(lián)合測(cè)量，全面、直觀地掌握水下航行體水下航行實(shí)時(shí)信息，有利于指導(dǎo)水下航行體水下作業(yè)或故障分析。