楊占龍, 陳 航, 王新宏, 戚 茜

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魚(yú)雷自導(dǎo)聲對(duì)接式目標(biāo)模擬器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊占龍, 陳 航, 王新宏, 戚 茜

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

現(xiàn)有的大多數(shù)水下目標(biāo)模擬器(包括針對(duì)聲納和魚(yú)雷自導(dǎo))在設(shè)計(jì)時(shí)均未考慮信號(hào)接收端的換能器基陣特性, 為能在陸上試驗(yàn)室條件下全面測(cè)試魚(yú)雷自導(dǎo)系統(tǒng)性能, 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于聲對(duì)接方式的魚(yú)雷自導(dǎo)目標(biāo)模擬器, 介紹了聲對(duì)接式目標(biāo)模擬器的組成及其相應(yīng)功能, 設(shè)計(jì)了陣元信號(hào)模擬器與聲對(duì)接裝置, 完成了并行處理系統(tǒng)的硬件開(kāi)發(fā)、聲對(duì)接基陣與換能器陣元設(shè)計(jì)及聲匹配材料的選取。通過(guò)對(duì)研制的聲對(duì)接式目標(biāo)模擬器的性能測(cè)試, 并利用自導(dǎo)頭通過(guò)聲耦合對(duì)生成的陣元信號(hào)進(jìn)行檢驗(yàn), 結(jié)果證實(shí)了以聲對(duì)接方式設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)模擬器的可行性和有效性。該目標(biāo)模擬器克服了對(duì)聲學(xué)部件建模不精確所帶來(lái)的影響, 減少了魚(yú)雷自導(dǎo)系統(tǒng)水下試驗(yàn)的次數(shù), 具有很好的實(shí)用價(jià)值。

魚(yú)雷自導(dǎo)系統(tǒng); 目標(biāo)模擬器; 聲對(duì)接陣; 數(shù)字信號(hào)處理器; 并行處理

0 引言

魚(yú)雷自導(dǎo)目標(biāo)模擬器是在試驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)魚(yú)雷自導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行研究與測(cè)試所必需的關(guān)鍵設(shè)備, 它從仿真角度通過(guò)對(duì)魚(yú)雷水下工作環(huán)境與目標(biāo)聲學(xué)特性進(jìn)行模擬, 為魚(yú)雷自導(dǎo)系統(tǒng)提供自導(dǎo)基陣陣元接收信號(hào), 使得在試驗(yàn)室中達(dá)到自導(dǎo)系統(tǒng)研究與測(cè)試的目的。目標(biāo)模擬器的開(kāi)發(fā)研究首先需要進(jìn)行的重要工作是對(duì)水聲環(huán)境、目標(biāo)聲學(xué)特性、換能器基陣特性建立數(shù)學(xué)模型, 所建立的數(shù)學(xué)模型是否準(zhǔn)確地反映魚(yú)雷工作的物理環(huán)境, 是決定著目標(biāo)模擬器有效性的關(guān)鍵, 也直接影響到魚(yú)雷自導(dǎo)系統(tǒng)的研究與性能測(cè)試結(jié)果。

現(xiàn)有的大部分水下目標(biāo)環(huán)境模擬器[1-4]僅通過(guò)對(duì)水聲環(huán)境與目標(biāo)聲特性建立數(shù)學(xué)/仿真模型來(lái)模擬海洋環(huán)境與目標(biāo)信號(hào), 避開(kāi)換能器基陣, 其結(jié)果無(wú)法體現(xiàn)聲學(xué)部件特性, 從而影響魚(yú)雷自導(dǎo)/聲納系統(tǒng)研究或測(cè)試結(jié)果的置信度, 更無(wú)法檢驗(yàn)包括聲學(xué)基陣在內(nèi)的魚(yú)雷自導(dǎo)頭/聲納全系統(tǒng)。

鑒于此, 本文針對(duì)魚(yú)雷自導(dǎo)目標(biāo), 研究基于聲對(duì)接方式的魚(yú)雷自導(dǎo)目標(biāo)模擬器, 將與魚(yú)雷自導(dǎo)換能器基陣對(duì)應(yīng)的聲對(duì)接基陣物理設(shè)備引入目標(biāo)模擬器中, 構(gòu)成含聲對(duì)接陣的目標(biāo)/環(huán)境模擬半實(shí)物系統(tǒng), 通過(guò)聲對(duì)接基陣將數(shù)字設(shè)備產(chǎn)生的基陣陣元接收信號(hào)在陸上試驗(yàn)室環(huán)境中以聲耦合方式為魚(yú)雷自導(dǎo)頭提供物理激勵(lì), 模擬魚(yú)雷自導(dǎo)的水下試驗(yàn)平臺(tái)環(huán)境, 具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

1 魚(yú)雷自導(dǎo)聲對(duì)接式目標(biāo)模擬器

魚(yú)雷自導(dǎo)聲對(duì)接式目標(biāo)模擬器主要由陣元信號(hào)模擬器與聲對(duì)接裝置兩大部分組成, 具備自導(dǎo)基陣陣元接收信號(hào)的模擬與聲信號(hào)的對(duì)接兩大功能, 其中聲對(duì)接裝置包括聲對(duì)接基陣與聲匹配材料。聲對(duì)接式目標(biāo)模擬器的組成以及與魚(yú)雷自導(dǎo)頭對(duì)接示意, 見(jiàn)圖1。

圖1 聲對(duì)接式目標(biāo)模擬器組成框圖

2 陣元信號(hào)模擬器設(shè)計(jì)

對(duì)于魚(yú)雷自導(dǎo)聲對(duì)接式目標(biāo)模擬器, 其大數(shù)據(jù)量與大運(yùn)算量的特點(diǎn)決定了在設(shè)計(jì)時(shí)首先要保證它是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng), 能夠?qū)崟r(shí)產(chǎn)生多路陣元域信號(hào), 以實(shí)時(shí)地給魚(yú)雷自導(dǎo)頭提供物理激勵(lì)。因此, 陣元信號(hào)模擬器采用具有多個(gè)高速數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processor, DSP)的并行處理系統(tǒng)作為陣元信號(hào)實(shí)時(shí)產(chǎn)生的硬件平臺(tái)。

圖2是陣元信號(hào)模擬器并行處理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。工控機(jī)的主控板是并行處理系統(tǒng)的管理中心, 完成系統(tǒng)的任務(wù)動(dòng)態(tài)調(diào)度與控制。數(shù)字信號(hào)處理板與D/A板是系統(tǒng)的信號(hào)處理中心, 實(shí)現(xiàn)陣元信號(hào)實(shí)時(shí)生成的任務(wù)。

圖2 陣元信號(hào)模擬器硬件結(jié)構(gòu)圖

數(shù)字信號(hào)處理板基于緊湊型外設(shè)組件互連(compact peripheral component interconnect, CPCI)總線的體系架構(gòu), 采用分布式耦合結(jié)構(gòu), 8片ADSP-TS201S處理器間通過(guò)鏈路口構(gòu)成陣列式互連結(jié)構(gòu)。每片DSP外接1片256 MB的同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(synchronous dynamic random access memory, SDRAM), 可用于大容量數(shù)據(jù)的高速存儲(chǔ)。主機(jī)與DSP之間的通信通過(guò)66 MHz/64bit CPCI總線, 經(jīng)由外設(shè)組件互連(peripheral component interconnect, PCI)接口芯片協(xié)調(diào)完成。DSP間通過(guò)鏈路口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。圖中FPGA(field programmable gate array)即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列。

D/A板采用PCI接口方式, 可實(shí)現(xiàn)多路通道的同步輸出。板上TS201S處理器與主控板1號(hào)DSP相連, 通過(guò)鏈路口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信, 負(fù)責(zé)8片D/A轉(zhuǎn)換器的初始化與讀寫(xiě)操作, 控制D/A轉(zhuǎn)換器輸出模擬信號(hào)。

3 聲對(duì)接裝置設(shè)計(jì)

聲對(duì)接裝置的主要功能是將陣元信號(hào)模擬器產(chǎn)生的陣元域模擬電信號(hào)通過(guò)聲對(duì)接裝置中的對(duì)接基陣轉(zhuǎn)換為聲信號(hào), 以聲耦合方式為魚(yú)雷自導(dǎo)頭基陣陣元提供一對(duì)一的物理激勵(lì), 是聲對(duì)接式目標(biāo)模擬器實(shí)現(xiàn)水下工作環(huán)境的關(guān)鍵部件。

3.1 聲對(duì)接基陣

由于聲對(duì)接基陣是為自導(dǎo)頭基陣提供一對(duì)一的物理激勵(lì), 且自導(dǎo)頭基陣已定型, 因此在設(shè)計(jì)與其配套的聲對(duì)接基陣時(shí)首先按照自導(dǎo)頭基陣的陣元排列方式布陣并硫化定型, 對(duì)接陣陣元以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式對(duì)自導(dǎo)頭基陣注入聲信號(hào), 且與自導(dǎo)頭基陣陣元一一對(duì)應(yīng)地形成各自獨(dú)立的聲信道, 產(chǎn)生垂直入射到自導(dǎo)頭基陣的平面波信號(hào)。

為了保證聲對(duì)接基陣與自導(dǎo)頭基陣可靠對(duì)接并正確耦合, 將對(duì)接基陣與自導(dǎo)頭基陣通過(guò)支撐架固定好, 頂緊裝置將對(duì)接基陣加壓緊固。圖3給出聲對(duì)接裝置的裝配示意圖。為了確保聲耦合處于最佳狀態(tài), 除了聲對(duì)接基陣輻射面與自導(dǎo)頭基陣接收面之間有一定的均勻壓力分布外, 聲對(duì)接基陣在硫化時(shí)需對(duì)輻射表面線型進(jìn)行控制, 采用二次硫化的工藝技術(shù)確保硫化后的基陣表面光滑平整[5], 從而使得對(duì)接陣輻射面與自導(dǎo)頭接收面對(duì)接時(shí)均勻接觸, 有利于充分耦合。

為了減小陣元間交叉耦合引起的自導(dǎo)頭基陣接收信號(hào)失真等影響, 研制對(duì)接基陣時(shí)首先保證與自導(dǎo)頭基陣完全共形, 對(duì)接基陣換能器與自導(dǎo)頭基陣對(duì)應(yīng)換能器點(diǎn)對(duì)點(diǎn)準(zhǔn)確定位, 嚴(yán)格控制兩者的對(duì)接位置偏差; 其次對(duì)接換能器采用小尺寸輻射面換能器[6], 最大程度上減小對(duì)接陣陣元與自導(dǎo)頭基陣陣元間的交叉耦合與相互作用。

圖3 聲對(duì)接裝置裝配示意圖

3.2 聲對(duì)接換能器陣元

聲對(duì)接換能器采用與自導(dǎo)頭基陣換能器同類型的縱振復(fù)合棒換能器, 材料選用PTZ-4壓電陶瓷, 發(fā)射帶寬滿足針對(duì)魚(yú)雷自導(dǎo)目標(biāo)信號(hào)的頻帶要求, 涵蓋自導(dǎo)頭工作頻段, 且在帶寬內(nèi)具有平坦的發(fā)射響應(yīng)。

3.3 聲匹配材料

對(duì)于聲匹配材料的選擇, 首先考慮其聲阻抗率, 為了在空氣環(huán)境下模擬海水環(huán)境, 聲匹配材料的聲阻抗率要與海水的聲阻抗率相一致。其次, 要考慮匹配材料的厚度, 適宜的厚度既能保證正確的聲耦合, 還能在陣元間對(duì)接加壓時(shí)起到緩沖作用。

3.3.1 聲匹配材料的聲阻抗

通常, 水聲換能器基陣的透聲膜選用與海水特性阻抗非常接近的聚氨酯橡膠[5], 因此在選擇聲匹配材料時(shí)應(yīng)考慮與透聲膜特性阻抗相近的透聲橡膠, 達(dá)到介質(zhì)間的阻抗匹配, 同時(shí)要求匹配材料密度均勻, 無(wú)雜質(zhì)。

3.3.2 聲匹配材料的厚度

即

同時(shí), 匹配層厚度還應(yīng)滿足

4 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果

4.1 聲對(duì)接陣測(cè)試

在陸上環(huán)境中對(duì)研制出的聲對(duì)接陣進(jìn)行了性能測(cè)試。將聲對(duì)接陣與自導(dǎo)頭基陣對(duì)接加壓固定好后, 在聲對(duì)接陣陣元端加峰峰值為10 V的發(fā)射信號(hào), 測(cè)量自導(dǎo)頭基陣對(duì)應(yīng)位置陣元通過(guò)聲耦合得到的接收響應(yīng), 測(cè)量的部分結(jié)果如表1所示。

表1 自導(dǎo)頭基陣部分陣元的接收響應(yīng)

Table 1 Receiving responses of torpedo homer array elements

由表1可以看出, 由對(duì)接陣通過(guò)聲耦合方式得到的自導(dǎo)頭基陣陣元端接收響應(yīng)具有較好的一致性, 能夠滿足實(shí)際系統(tǒng)的對(duì)接需求。

4.2 陣元域信號(hào)產(chǎn)生與檢驗(yàn)

利用自導(dǎo)頭對(duì)聲對(duì)接式目標(biāo)模擬器產(chǎn)生的陣元域信號(hào)進(jìn)行了靜態(tài)開(kāi)環(huán)檢驗(yàn)。圖4為主動(dòng)自導(dǎo)工作方式下聲對(duì)接式目標(biāo)模擬器產(chǎn)生的陣元信號(hào)波形圖。由于聲對(duì)接陣的陣元數(shù)較多且數(shù)據(jù)量大, 考慮到系統(tǒng)實(shí)時(shí)性, 在陣元信號(hào)模擬器上顯示陣元信號(hào)波形時(shí)僅顯示前4路陣元信號(hào)波形, 并對(duì)陣元信號(hào)數(shù)據(jù)按照一定比例進(jìn)行抽取顯示。

圖4 聲對(duì)接式目標(biāo)模擬器陣元信號(hào)波形圖

由圖4可以看出, 陣元信號(hào)波形中首先到達(dá)的是混響信號(hào), 緊接著是目標(biāo)回波信號(hào)。根據(jù)目標(biāo)與魚(yú)雷的位置坐標(biāo): 目標(biāo)(-1 736.08 m,-5 m,-6 352.29 m), 魚(yú)雷(-1 505.68 m,-9.56 m,-5 886.81 m),解算出的目標(biāo)相對(duì)于魚(yú)雷的水平方位角為4.63°, 垂直方位角為0.50°, 雷目距離為519.4 m。根據(jù)目標(biāo)航速航向與魚(yú)雷航速航向, 解算出的目標(biāo)與魚(yú)雷的相對(duì)徑向速度為43.34 kn。魚(yú)雷自導(dǎo)頭對(duì)由對(duì)接陣耦合到基陣陣元信號(hào)進(jìn)行自導(dǎo)信號(hào)處理, 得到自導(dǎo)估計(jì)出的目標(biāo)參數(shù)為: 水平方位角為2.24°, 垂直方位角為-0.29°, 雷目距離為533.76 m, 相對(duì)速度為37.15 kn。結(jié)合自導(dǎo)估計(jì)結(jié)果, 并考慮到自導(dǎo)估計(jì)的誤差性, 可以得出，聲對(duì)接式目標(biāo)模擬器產(chǎn)生的陣元信號(hào)能夠正確反映目標(biāo)信息, 驗(yàn)證了以聲耦合方式為自導(dǎo)頭基陣提供激勵(lì)的可行性與有效性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的聲對(duì)接式目標(biāo)模擬器克服了對(duì)換能器基陣聲學(xué)部件進(jìn)行建模的不精確所帶來(lái)的影響, 彌補(bǔ)了傳統(tǒng)目標(biāo)模擬器無(wú)法對(duì)魚(yú)雷自導(dǎo)頭基陣進(jìn)行測(cè)試的不足, 在陸上試驗(yàn)室條件下即可完成自導(dǎo)性能研究和測(cè)試工作, 提高仿真精確度的同時(shí)大大節(jié)省了試驗(yàn)費(fèi)用。

通過(guò)添加網(wǎng)絡(luò)接口單元, 聲對(duì)接式目標(biāo)模擬器可作為單獨(dú)的仿真成員加入到其他水聲仿真系統(tǒng)中, 構(gòu)成水聲環(huán)境半實(shí)物仿真系統(tǒng), 而且單獨(dú)提取陣元信號(hào)模擬器部件即可完成半實(shí)物仿真到數(shù)字仿真的轉(zhuǎn)換, 具有很好的可移植性。

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Design and Implementation of Target Simulator with Acoustic Coupling for Torpedo Homing System

YANG Zhan-long, CHEN Hang, WANG Xin-hong, QI Qian

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi￠an 710072, China)

Mostexisting underwater target simulators for sonar and torpedo homing system were designed without considering the characteristics of transducer array for signal receiving. To test comprehensively the performance of torpedo homing system in laboratory, we designed and implemented a target simulator with acoustic coupling, including the array element signal simulator and acoustic coupling device. This paper introduces the architecture and functions of the target simulator with acoustic coupling, the hardware platform development of a multi-DSP parallel processing system, the designs of acoustic coupling array and transducer array elements, and the selection of acoustic coupling material. The performance test for the developed target simulator was conducted and the coupled element signals were tested with the existing torpedo homing system. The results verify the feasibility and effectiveness of the target simulator with acoustic coupling. This target simulator can overcome the influence of inexactly modelling transducer array, and reduce the number of underwater tests for torpedo homing system.

torpedo homing system; target simulator; acoustic coupling array; digital signal processor (DSP); parallel processing

TJ630.34; TP391.9

A

1673-1948(2011)04-0263-05

2011-01-16;

2011-03-07.

楊占龍(1976-), 男, 博士后, 研究方向?yàn)轸~(yú)雷自導(dǎo)信號(hào)與信息處理.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)