劉 洋, 唐天一, 段立晶

(1.大連測控技術研究所, 遼寧 大連 116013;2.上海船舶電子設備研究所, 上海 201108)

0 引 言

無論是聲納設計還是使用聲納設備, 都需要對探測目標的目標強度值作出估計, 因此, 對各類聲納目標的目標強度值進行試驗測量在工程應用上具有重大意義。 蛙人探測系統(tǒng)是重要的水下對抗裝置, 通常用來在港口、 碼頭、 近岸或者艦艇錨泊時, 對水下蛙人、 無人潛航器或者微型潛艇等進行探測、 識別或實施對抗等[1-3]。 本文旨在利用蛙人聲納探測系統(tǒng)測量低目標強度值的水下運動目標。 鑒于該系統(tǒng)具有全向搜索的特點, 用該系統(tǒng)測量低信混比的水下運動目標的聲目標強度時, 可進行實時波束掃描, 在指定方向上預成波束、 跟蹤定位, 然后采集回波數(shù)據(jù)并測量其量值。為驗證研制的蛙人探測系統(tǒng)測試目標的聲目標強度的能力, 本文利用該系統(tǒng)測試一個目標強度低至-20 dB的標準球體, 將測試結果與理論計算結果比較, 若吻合較好, 可證明應用該系統(tǒng)測試目標強度低至-20 dB的目標是可行的。

1 研究過程

1.1 試驗場地與系統(tǒng)組成

試驗中, 試驗船泊在一水域開闊的湖上, 湖水最深處約60 m, 中間水井長24 m, 寬8 m, 試驗船中間有若干可開啟井口, 便于聲設備的吊放。此次試驗使用一個臨時轉臺吊放蛙人聲納探測系統(tǒng)設備。 以標準球體作為目標, 由另一試驗船將其拖曳在指定區(qū)域運動。 測試系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。 圖中, 定位信標1、2及定位接收水聽器1、2, 基于短基線水聲定位方法, 利用球面交匯法解算出目標方位, 調整蛙人探測系統(tǒng)主波束至目標方向。

圖1 測試系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Constitute of test system

1.2 測試系統(tǒng)組成與參數(shù)設置

采用窄指向性發(fā)射、接收合置測試系統(tǒng)聲設備, 可有效抑制混響, 確保采集數(shù)據(jù)信混比, 如圖2所示。 信號形式為單頻和寬帶調頻兩種。 標準球體半徑為200 mm, 厚度為5 mm, 理論計算其聲目標強度為-20 dB。

圖2 窄指向性多通道收發(fā)陣Fig.2 Narrow directional multi-channel transceiver array

1.3 蛙人探測系統(tǒng)設計

探測系統(tǒng)工作頻率為75 k Hz～150 k Hz, 接收陣采用雙44通道設計, 圓弧陣型覆蓋水平90°開角, 垂直開角9.2°@100 k Hz, 具備信號放大、濾波、 可變增益控制等功能。 調理信號數(shù)據(jù)打包后, 利用光纖通道實時發(fā)送至上位處理機進行正交解調、 波束形成、 脈沖壓縮等實時信號處理。 圓弧發(fā)射陣覆蓋水平45°開角, 垂直開角9.7°@100 k Hz, 采用8通道發(fā)射機設計, 單通道功率400 W, 功率檔位在200 dB～215 dB可調, 支持CW,LFM 兩種信號類型[4]。

信號處理流程如圖3所示, 首先對輸入信號進行數(shù)字下變頻,44路信號乘下變頻信號, 信號的頻率移到零中頻, 然后信號通過低通濾波器濾除高頻分量, 濾波后信號頻帶主要在低頻, 通過1/6抽取降低基帶信號采樣率[5]。 通過數(shù)字下變頻后, 波束形成和脈沖壓縮都可在基帶進行處理[6-7]。

圖3 信號處理流程圖Fig.3 Signal processing flow chart

波束在形成過程中先進行相位補償, 然后再通過時延補償實現(xiàn)信號對齊。 如果單純采用相位補償, 一般只適用于窄帶信號, 而時延補償方法則需要采樣率遠高于奈奎斯特頻率。

1.4 測試方法及測試過程

目標強度測試采用直接法。 測試過程如下:

1) 收發(fā)系統(tǒng)安裝于泊船的吊桿上, 布放深度為水下10 m;

2) 另一條試驗船拖曳著標準球體離開泊船,在距離60 m 處指定區(qū)域開始運動, 標準球定深10 m;

3) 水聲定位系統(tǒng)首先利用GPS時間同步授時裝置輸出1 PPS秒脈沖信號對標準球體兩端的信標進行時間同步, 當信標鎖定秒脈沖同步信號時, 即使撤去GPS同步信號, 信標仍能依靠內部晶振保持和GPS授時系統(tǒng)時間同步。 信標利用同步信號觸發(fā)電路, 信號處理系統(tǒng)輸出單頻或寬帶調頻信號到功率放大電路, 進而驅動發(fā)射換能器發(fā)射聲信號, 泊船上聲定位接收系統(tǒng)的接收水聽器在遠處接收信標聲信號, 經信號調理器放大濾波后送到綜合處理機, 在綜合處理機中解算出距離、 位置信息。

4) 根據(jù)定位結果確定出目標球的大致位置,將蛙人探測系統(tǒng)聲陣主瓣轉向標準球方向, 并在該方向上預成波束, 發(fā)現(xiàn)并標定目標位置和方位角, 同時開始采集該波束覆蓋的陣元接收的標準球回波數(shù)據(jù);

5) 泊船上的標準水聽器接收蛙人聲納發(fā)射的直達聲信號, 實時采集記錄。

2 研究結果

2.1 數(shù)據(jù)處理方法

結合蛙人探測系統(tǒng)的校準結果, 處理其接收的標準球回波數(shù)據(jù), 得到標準球目標強度, 與設計值進行比對。

由主動聲納方程可求出標準球體的目標強度TS球[8]

式(1)中應計算的量包括:

1) 蛙人探測聲納接收到的標準球回聲級為

式中:Vff為蛙人探測聲納接收到的標準球回波信號電壓有效值;Mp為蛙人探測聲納接收換能陣的接收靈敏度;A為接收放大模塊的放大倍數(shù)。

2) 由介質確定的參數(shù)傳播損失TL為

式中:r為標準球體與蛙人探測系統(tǒng)發(fā)射之間的距離。 這里用球面波擴展損失, 且淡水環(huán)境中聲吸收衰減遠小于海水環(huán)境, 可不考慮水的聲吸收衰減。

式(3)中,

式中:t為蛙人探測聲納接收的回波信號的起始時間;c為水中聲速。

3) 蛙人探測聲納的發(fā)射聲源級SL為[9]

式中:Uff為標準水聽器在距離r1上測得的直達聲電壓的有效值;r1為蛙人探測系統(tǒng)與標準水聽器之間的距離;M為標準水聽器的接收靈敏度。

2.2 結果數(shù)據(jù)

定位信標標定標準球區(qū)域如圖4所示,2個半弧中間為標準球出現(xiàn)的位置, 橫縱軸表示探測區(qū)域的位置坐標, 單位為m。

圖4 定位信標標定標準球回波區(qū)域Fig.4 Demarcate standard ball echoes by orientation beaconing

預成波束確定標準球位置如圖5所示。

圖5 預成波束后標準球回波歷程Fig.5 Standard ball echoes course after beam-riding

2.3 實測結果與理論計算結果比較

對湖上實測數(shù)據(jù)進行處理, 處理結果見圖4～圖6。 圖4、 圖5分別為定位信標標定標準球回波區(qū)域和預成波束后標準球回波歷程處理結果。 圖中色棒為回波強度電壓有效值, 單位為V。

圖6 實測結果與理論計算結果比較Fig.6 Compare test results with the theory calculate result

圖6為標準球實測結果與理論計算結果的比較, 從圖中可以看出, 測試結果數(shù)據(jù)有一定的起伏, 主要由于目標球在被拖曳過程中存在上下起伏運動, 未按預期定深運動造成, 但經平均后均值為-19.3 dB, 與-20 dB的理論計算結果基本一致[10]。

3 結 論

為驗證蛙人探測系統(tǒng)測試目標強度的能力,應用該系統(tǒng)在湖上測試一個目標強度理論值為-20 dB的標準球體, 測試結果與理論仿真結果吻合較好, 證明了應用該系統(tǒng)探測目標強度低至-20 dB的目標是可行的。