基于以太網(wǎng)魚雷聲自導(dǎo)電信號(hào)半實(shí)物

O 引言魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)是現(xiàn)代魚雷最基本也是最核心的部件，直接決定魚雷的總體性能和戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)。聲自導(dǎo)系統(tǒng)半實(shí)物仿真是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬水聲目標(biāo)，進(jìn)行聲自導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能評(píng)估的重要手段。
　　聲自導(dǎo)系統(tǒng)半實(shí)物仿真根據(jù)模擬聲學(xué)目標(biāo)方法的不同通常有水聲物理場法、電信號(hào)注入法和機(jī)械對(duì)接法3種1。水聲物理場法利用消聲水池／水罐，通過水中產(chǎn)生的目標(biāo)／背景信號(hào)直接作用到聲自導(dǎo)聲學(xué)基陣上，這種方法系統(tǒng)龐大，試驗(yàn)成本高，適合對(duì)包含聲學(xué)基陣的聲自導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)全面的測(cè)試 采用機(jī)械對(duì)接方法簡潔，但機(jī)械耦合的精確解耦是一大難題；電信號(hào)注入法在聲學(xué)基陣不接入仿真系統(tǒng)的情況下，根據(jù)目標(biāo)／背景的數(shù)學(xué)模型由仿真信號(hào)源實(shí)時(shí)生成電信號(hào)，加載到聲自導(dǎo)系統(tǒng)的接收端。電信號(hào)注入法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，其試驗(yàn)成本遠(yuǎn)低于水聲物理場法，尤其是隨著高性能數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展，使可實(shí)時(shí)生成的數(shù)學(xué)模型更加精確，從而使電信號(hào)較精確的模擬目標(biāo)／背景信號(hào)成為可能。由于數(shù)字信號(hào)處理器編程的靈活性，可根據(jù)需要產(chǎn)生水聲目標(biāo)、背景噪聲、干擾目標(biāo)等各種類型的信號(hào)及多種信號(hào)的組合。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下通過電信號(hào)注入法對(duì)聲自導(dǎo)系統(tǒng)做前期論證、測(cè)試后，再進(jìn)一步進(jìn)行水池試驗(yàn)、湖海試驗(yàn)以對(duì)包含聲學(xué)基陣在內(nèi)的聲自導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，可大大提高聲自導(dǎo)系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)度，降低研發(fā)成本。
　　1 聲自導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于電信號(hào)注入法的聲自導(dǎo)系統(tǒng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)包含控制／顯示計(jì)算機(jī)、仿真信號(hào)源、聲自導(dǎo)信號(hào)處理機(jī)、自動(dòng)駕駛儀和程控放大／濾波模塊等5個(gè)子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)通過以太網(wǎng)連接構(gòu)成分布式仿真系統(tǒng)，基于以太網(wǎng)的聲自導(dǎo)系統(tǒng)半實(shí)物仿真結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)仿真的具體需求，自動(dòng)駕駛儀既可以是數(shù)學(xué)仿真模型，也可以是實(shí)物接入仿真系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)在控制／顯示計(jì)算機(jī)的控制下協(xié)同工作，仿真信號(hào)源實(shí)時(shí)生成仿真信號(hào)加載到聲自導(dǎo)信號(hào)處理機(jī)的接收端，模擬魚雷尋的、跟蹤、攻擊目標(biāo)的全過程，聲自導(dǎo)信號(hào)處理機(jī)和自動(dòng)駕駛儀處理得到的相關(guān)參數(shù)發(fā)送到控制／顯示計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示。
　　組建基于電信號(hào)的聲自導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)主要存在以下關(guān)鍵技術(shù)：目標(biāo)／背景信號(hào)的仿真數(shù)學(xué)模型；實(shí)時(shí)仿真信號(hào)源的硬件設(shè)計(jì)；根據(jù)目標(biāo)／背景信2 目標(biāo)／背景信號(hào)仿真模型在主動(dòng)聲自導(dǎo)體制下，目標(biāo)回波信號(hào)是獲取目標(biāo)特征信息的主要來源。在目標(biāo)回波中有3個(gè)重要的特征：目標(biāo)回波的時(shí)間展寬；目標(biāo)回波的亮點(diǎn)起伏；目標(biāo)回波空間方位分布。這3個(gè)特征是對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和跟蹤的重要依據(jù)，目標(biāo)／背景信號(hào)的仿真模型必須能夠反應(yīng)這3個(gè)特征參量。農(nóng)業(yè)田間信息獲取技術(shù)研究及發(fā)展趨勢(shì)。
　　根據(jù)聲自導(dǎo)的不同階段，在滿足遠(yuǎn)場條件時(shí)，使用單亮點(diǎn)模型模擬目標(biāo)；在近程時(shí)則將目標(biāo)認(rèn)為是體目標(biāo)，使用多亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)模型。為了能夠準(zhǔn)確的模擬聲學(xué)基陣接收的信號(hào)，還必須模擬誘餌、混響和海洋噪聲等干擾信號(hào)。由于水聲環(huán)境的復(fù)雜性和系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求，使用了簡化的目標(biāo)／背景模型。
　　3 目標(biāo)／背景信號(hào)的實(shí)時(shí)生成3．1 仿真信號(hào)源的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真信號(hào)源根據(jù)目標(biāo)／背景的數(shù)學(xué)模型，利用直接數(shù)字信號(hào)合成(DDS)技術(shù)實(shí)時(shí)產(chǎn)生聲自導(dǎo)仿真信號(hào)，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)通訊模塊通過以太網(wǎng)與上位機(jī)通訊，接收上位機(jī)發(fā)送的命令和參數(shù)；主控制器根據(jù)接收到的命令實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的同步控制；信號(hào)處理流水陣列是系統(tǒng)主要的信號(hào)處理單元，完成仿真信號(hào)實(shí)時(shí)生成的大量數(shù)據(jù)處理；DAC陣列實(shí)現(xiàn)所有通道信號(hào)的同步數(shù)／模轉(zhuǎn)換。
　　根據(jù)目標(biāo)／背景信號(hào)實(shí)時(shí)生成算法的特點(diǎn)，信號(hào)處理流水陣列采用3級(jí)流水處理的結(jié)構(gòu)，每級(jí)處理陣列包含6片高性能浮點(diǎn)處理器TMS320C6713，相鄰兩級(jí)處理陣列通過DSP的同步串口連接，上一級(jí)的處理結(jié)果傳遞到下一級(jí)作進(jìn)一步的處理。根據(jù)直接數(shù)字信號(hào)合成的特點(diǎn)，第1級(jí)陣列通過查表方式產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)；第2級(jí)陣列在基準(zhǔn)信號(hào)的基礎(chǔ)上，采用延時(shí)濾波算法產(chǎn)生附加延時(shí)信息的其余各通道數(shù)據(jù)；第3級(jí)陣列完成目標(biāo)信號(hào)、背景信號(hào)的疊加，并將產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)通過DAC轉(zhuǎn)換陣列產(chǎn)生聲自導(dǎo)仿真信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后加載到聲自導(dǎo)接收機(jī)的輸入端。
　　3．2 聲自導(dǎo)信號(hào)疊加魚雷聲自導(dǎo)信號(hào)常用的脈沖信號(hào)包含單頻脈沖信號(hào)、線性調(diào)頻脈沖信號(hào)、雙線性調(diào)頻信號(hào)等，并根據(jù)具體的自導(dǎo)流程組合�；�本的信號(hào)類型在信號(hào)處理陣列的第1級(jí)通過查表遞推方式產(chǎn)生，然后疊加滾降包絡(luò)或是矩形包絡(luò)。魚雷發(fā)射的自導(dǎo)脈沖信號(hào)是各種基本脈沖信號(hào)的組合，因而基陣接收到的是附加目標(biāo)信息和干擾信號(hào)的基本窄帶脈沖的組合。聲自導(dǎo)仿真系統(tǒng)要真實(shí)的仿真目標(biāo)／背景信號(hào)，必須實(shí)現(xiàn)基本脈沖信號(hào)的靈活組合，并疊加海洋噪聲和混響干擾。目標(biāo)／背景信號(hào)的組合和疊加在信號(hào)處理陣列的第3級(jí)完成。
　　4 半實(shí)物仿真試驗(yàn)4．1 聲自導(dǎo)波束形成器驗(yàn)證聲自導(dǎo)信號(hào)處理機(jī)的波束形成器是魚雷常用的目標(biāo)定向方法，也就必然要求對(duì)波束形成器的性能進(jìn)行評(píng)估。傳統(tǒng)的波束形成器的評(píng)估是在水池試驗(yàn)階段通過180。轉(zhuǎn)動(dòng)雷頭實(shí)現(xiàn)的，使用基于電信號(hào)的聲自導(dǎo)半實(shí)物仿真后，可在前期方便的對(duì)波束形成器作性能評(píng)估，優(yōu)化波束形成器的設(shè)計(jì)。使用仿真信號(hào)源模擬目標(biāo)在水平方向和垂直方向上一90。到90。的運(yùn)動(dòng)，模擬雷頭轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與水池試驗(yàn)一致，則聲自導(dǎo)信號(hào)處理機(jī)形成的8個(gè)波束在控制／顯示計(jì)算機(jī)上得到的結(jié)果如圖4所示，驗(yàn)證了波束形成器的性能。
　　4．2 魚雷彈道評(píng)估魚雷彈道是魚雷重要的綜合技戰(zhàn)指標(biāo)，傳統(tǒng)的魚雷彈道評(píng)估必須等到水池試驗(yàn)或湖上試驗(yàn)才能完成。在引入基于電信號(hào)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)后，可在試驗(yàn)室內(nèi)模擬魚雷聲自導(dǎo)攻擊的全過程，實(shí)現(xiàn)魚雷彈道設(shè)計(jì)的評(píng)估和優(yōu)化。仿真系統(tǒng)模擬魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)搜索彈道、發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后的導(dǎo)引彈道時(shí)，總臺(tái)計(jì)算機(jī)根據(jù)自動(dòng)駕駛儀的輸出參數(shù)和運(yùn)動(dòng)方程，實(shí)時(shí)計(jì)算魚雷與目標(biāo)的距離、相對(duì)速度和空間方位等參數(shù)，仿真信號(hào)源以這些參數(shù)實(shí)時(shí)產(chǎn)生目標(biāo)的仿真信號(hào)。
　　聲自導(dǎo)信號(hào)處理機(jī)采集目標(biāo)仿真信號(hào)，處理后獲得目標(biāo)信息，并根據(jù)目標(biāo)信息執(zhí)行相應(yīng)的彈道策略。
　　將目標(biāo)信息發(fā)送到控制／顯示計(jì)算機(jī)，結(jié)合仿真目標(biāo)的參數(shù)實(shí)時(shí)顯示魚雷攻擊的全過程。
　　5 結(jié)論采用電信號(hào)注入法的聲自導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)能夠根據(jù)目標(biāo)／背景模型同時(shí)模擬多個(gè)目標(biāo)，并疊加相應(yīng)的海洋噪聲和混響干擾。該半實(shí)物仿真系統(tǒng)的研制對(duì)于優(yōu)化聲自導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、縮短聲自導(dǎo)系統(tǒng)研制周期、節(jié)省研制費(fèi)用有著一定的作用。

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