一種便攜式船載水下跟蹤測量系統(tǒng)設(shè)計?

（昆明船舶設(shè)備研究試驗中心 昆明 650051）

1 引言

近年來，海洋資源的開發(fā)力度不斷加大，同時也促進了無人智能潛器技術(shù)的快速發(fā)展，UUV、ROV等水下無人設(shè)備的應(yīng)用范圍也越來越廣泛，大到海洋監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)[1]，小到水庫安全檢測都有水下智能無人設(shè)備活躍的身影，而水下目標定位跟蹤測量系統(tǒng)作為水下無人設(shè)備工作保障設(shè)備之一，其重要性不言而喻[2]。

水下目標定位跟蹤測量系統(tǒng)已有多年的發(fā)展歷史，主要分為長基線系統(tǒng)、短基線系統(tǒng)和超短基線系統(tǒng)[3]。這些測量系統(tǒng)測量原理基本相同，只是根據(jù)測量目標、應(yīng)用環(huán)境以及使用條件的不同，也具有不同的機械結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計。常見的水下跟蹤測量設(shè)備專用性較強，主要根據(jù)特定用途專門設(shè)計，應(yīng)用拓展較難。且國內(nèi)外市場上的船載跟蹤系統(tǒng)大部分都需要配備相應(yīng)的安裝構(gòu)件，工作時都有特定要求，通用性不強。

因此，結(jié)合水下無人設(shè)備的廣闊發(fā)展前景，考慮降低其使用難度和成本，設(shè)計一種體積小、機械結(jié)構(gòu)易于拆卸及安裝、便于船載使用的水下目標定位跟蹤測量系統(tǒng)是很有必要的。

2 水下跟蹤系統(tǒng)測量原理

便攜式水下目標定位跟蹤系統(tǒng)水平定位采用同步式球面交匯定位原理。深度測量采用脈沖間隔遙測方法，利用雙脈沖時延值調(diào)制完成水下目標的深度測量。其水平定位球面交匯方程為[4]

式中：（x、y、z）為所求的目標位置，單位：m；（xi、yi、zi）為已知的水聽器坐標，單位：m；c為平均聲速，單位：m/s；ti為聲信號到達各水聽器的時間，單位：s。

假設(shè)系統(tǒng)基陣采用三元平面陣結(jié)構(gòu)，由三個水聽器Sc、Sx、Sy構(gòu)成平面三角形跟蹤基陣，設(shè)三角形基陣頂點坐標（x0，y0），基陣孔徑對應(yīng)長度分別為a、b、d（長基線陣的基陣孔徑對應(yīng)長度由水聲自校準組件測量得到），見圖1。

則有：

圖1 同步式球面交匯定位原理

設(shè)目標位置為T（x，y，z），目標傳輸延時分別為t1、t2、t3，聲速為c，已知一頂點坐標（x0,y0），帶入式（1），則有：

解方程組，可得：

由式（4）便可獲得水下目標相對于測量基陣的位置坐標，如果水下基陣與水平面存在一定的夾角，那么還應(yīng)該根據(jù)基陣的姿態(tài)進行動態(tài)修正，以獲得水下目標相對于水平面的位置坐標。

假設(shè)基陣坐標系與水平面坐標系原點重合，基陣先繞x軸旋轉(zhuǎn)角β（俯仰角，向下為正），再繞y軸旋轉(zhuǎn)α角（橫滾角，向下為正），使基陣坐標系與標準水平面坐標系相重合。此時基陣坐標系和水平面坐標系之間存在如下轉(zhuǎn)換公式：

式（5）中的點x、y、z為在基陣坐標系下的點坐標，而X、Y、Z為轉(zhuǎn)換至標準水平面內(nèi)的點坐標。

如果聲傳輸介質(zhì)是均勻不變的，那么利用純數(shù)學(xué)公式便可直接獲得目標深度的精確測量值，但是在實際聲環(huán)境中，存在聲線彎曲等復(fù)雜現(xiàn)象，不能精確獲得其聲傳播曲線。雖然采用合適的聲線修正方法可以提高測量精度（如等聲速法、等梯度法）[5]，但是由于測試水域的最大深度一般為100m左右，而且隨著季節(jié)的變化，聲速梯度變化明顯[6]，深度測量精度提高不大，甚至在某些情況下還會產(chǎn)生明顯錯誤數(shù)值。因此在實際工程中，采用雙脈沖深度遙測的方法來提高深度測量精度。

在雙脈沖信標體制中，利用雙脈沖間的時延差為目標深度進行編碼。雙脈沖間的時延差T的最小值為Tmin，代表目標最小深度Hmin；時延差最大值為Tmax，代表目標最大深度Hmax。目標深度H與之相對應(yīng)的雙脈沖時延差T存在如下公式[7]：

則目標深度H為

3 便攜式水下跟蹤系統(tǒng)組成及設(shè)計

3.1 水下跟蹤系統(tǒng)組成

水下目標定位跟蹤系統(tǒng)主要由船載濕端設(shè)備、船載定位設(shè)備、水下信標聲源設(shè)備等部分組成。其中船載濕端設(shè)備包括短基線聲學(xué)基陣、水密電子艙；船載定位設(shè)備包括信號處理設(shè)備、定位跟蹤數(shù)據(jù)處理顯控設(shè)備、雙天線航向測量設(shè)備、供電設(shè)備等；安裝在水下目標上的水下聲源，主要為定位跟蹤系統(tǒng)提供定位信標信號，由信號產(chǎn)生及發(fā)射組件和內(nèi)置電源組成。系統(tǒng)從功能上劃分為以下四個分系統(tǒng)：

1）船載聲學(xué)基陣分系統(tǒng)；

2）船載信號處理分系統(tǒng)，包括GPS同步設(shè)備，模擬信號調(diào)理設(shè)備（前置放大），數(shù)字信號處理設(shè)備；

3）水下聲源分系統(tǒng)；

4）定位跟蹤信息處理顯控分系統(tǒng)。

在對水下目標進行實時定位跟蹤時，系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理框圖

3.2 水下跟蹤系統(tǒng)功能設(shè)計及實現(xiàn)

3.2.1 工作流程

被測目標上專用水下信標聲源發(fā)出的聲信號經(jīng)水中傳播后，被船載基陣上的水聽器接收，經(jīng)前端放大后，傳輸至船載信號處理設(shè)備。模擬信號調(diào)理設(shè)備對信號進行放大、調(diào)理、控制等一系列處理后，送數(shù)字信號處理設(shè)備進行信號處理分析。數(shù)字信號處理設(shè)備完成水聲脈沖信號幀行識別，求得脈沖傳播時延，再對信號中目標深度信息進行頻率編碼和脈沖間隔解調(diào)，得到深度調(diào)制時延及頻率等信息[8]，并將脈沖信息傳送至目標定位跟蹤顯控設(shè)備。目標定位跟蹤顯控設(shè)備進行脈沖信號的匹配、分組、定位解算及聲線修正等一系列算法，結(jié)合雙天線航向測量設(shè)備，完成對水下被測目標的三維定位跟蹤功能。

3.2.2 功能實現(xiàn)方式

為了實現(xiàn)高精度遠距離水下目標的定位跟蹤測量，系統(tǒng)的功能實現(xiàn)方式描述如下。

1）采用針對高精度、遠距離水下目標定位跟蹤測量的信標體制，由于項目只需要考慮定位，且采用同步的定位方式，所以采用雙脈沖定位信標體制；采用頻分制的方式實現(xiàn)雙目標跟蹤，信標中心頻率為兩組；

2）系統(tǒng)采用船載式短基線水聲同步跟蹤定位方式，基陣水聽器輸出信號經(jīng)前放電路放大處理后通過電纜傳輸至船上信號處理設(shè)備進行處理，根據(jù)方案設(shè)計，系統(tǒng)將研制孔徑為2m的正交十字短基線基陣，完成水聲信號的接收；

3）研制信號處理設(shè)備：包括模擬信號調(diào)理（前置放大）、數(shù)字信號處理等設(shè)備，模擬信號處理設(shè)備完成信號的前置放大等功能，數(shù)字信號處理設(shè)備完成定位信號的數(shù)字濾波、檢測、參數(shù)估計，信號處理設(shè)備預(yù)留足夠帶寬（中心頻率f±5kHz），可滿足目標高速運動時的信號處理要求[9]；

4）本系統(tǒng)簡化了信號處理的流程，將利用數(shù)字濾波器代替以往項目中常用的模擬通道濾波器，具有較好的濾波效果及更為靈活的使用方式，上位機通過網(wǎng)絡(luò)總線將數(shù)字濾波器參數(shù)（如：中心頻率、通帶范圍、濾波器階數(shù)、帶內(nèi)紋波系數(shù)等）發(fā)送給DSP，DSP實時修改FPGA內(nèi)部組建的數(shù)字濾波器，完成其數(shù)字信號濾波[10]；

5）設(shè)計定位跟蹤顯控處理設(shè)備，完成水下目標軌跡的解算處理，在基陣精確校準及信號時延精確估計的基礎(chǔ)上[11]，定位跟蹤顯控軟件通過采用聲線修正技術(shù)進一步減小定位誤差；

6）研制水下聲源設(shè)備：為滿足系統(tǒng)同步式定位目的，研制安裝于水下目標上且自帶電池供電的水下聲源設(shè)備。

4 水下跟蹤系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 測量基陣設(shè)計

基陣結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)主要由基陣架體、水密筒和連接桿等組成，如圖3所示。四個換能器構(gòu)成一個十字正交的短基線陣形，換能器基線長度為2m，且四個換能器處于同一平面。水密筒組件主要用來安裝信號預(yù)處理設(shè)備、基陣姿態(tài)測量設(shè)備等電子組件及信號輸入、輸出纜。水密筒組件固定在基陣架體的基座上。連接桿組件主要用來將船載基陣固定連接到測量船上。

船載基陣接收被測目標上專用水下信標聲源發(fā)出的聲信號，經(jīng)前端放大后，再傳輸至船載信號處理設(shè)備進行后續(xù)處理，并由顯控系統(tǒng)輸出。

基陣設(shè)備主要參數(shù)為

1）船載基陣最大工作水深為50m；

2）基陣架體和水密筒在空氣中的總重量不大于30kg；

3）基陣結(jié)構(gòu)為十字架形，基陣工作直徑為2m。

基陣架組件主要由基陣平臺、拆裝式懸臂機構(gòu)、換能器保護罩、換能器升降調(diào)整機構(gòu)和吊放連接機構(gòu)等組成?；嚰荏w結(jié)構(gòu)為水平十字形架體，換能器基線長度為2m。為了便于基陣架體運輸和安裝，該基陣架體設(shè)計成組合式架體，換能器安裝在換能器懸臂機構(gòu)上，換能器懸臂機構(gòu)可整體單獨拆開存放。為確保4個換能器的水平精度，換能器懸臂機構(gòu)上設(shè)計了微調(diào)機構(gòu)來控制換能器高度方向的調(diào)節(jié)。使用時，經(jīng)定位銷限位，將換能器懸臂機構(gòu)安裝到基陣平臺的安裝平面上，用螺釘可靠固定，即完成了整個基陣架組件的基本裝配。且經(jīng)拆裝后，基陣架組件仍能滿足系統(tǒng)的使用精度[12]。

為減輕架體整體重量，并保證基陣在水下工作剛度，基陣平臺和吊放連接機構(gòu)采用不銹鋼板材料，其余機構(gòu)采用鋁合金材料。

4.2 水密桶設(shè)計

水密筒組件主要由上蓋、筒體、下蓋、安裝板、屏蔽盒等組成。如圖4所示。

圖4 水密桶結(jié)構(gòu)示意圖

為減輕重量，水密筒選用了鋁合金材料，并對其表面進行陽極氧化處理。并根據(jù)實際使用情況，上、下蓋與筒體連接處分別設(shè)計了端面密封和徑向密封形式，既保證了水密筒的水密性，又方便操作。下蓋的安裝孔、姿態(tài)傳感器X、Y軸方向與基陣架上四個換能器安裝方向都是對應(yīng)的。姿態(tài)傳感器、前置放大器、基陣校準聲源等水下電子組件都安裝在下蓋上，方便裝配及維修。船載基陣信號輸入纜接入筒內(nèi)，再將處理好的信號通過主纜傳輸?shù)酱搩?nèi)處理設(shè)備及顯控設(shè)備上。

5 試驗驗證

系統(tǒng)信號處理機箱、短基線陣及水密筒實物如圖5、圖6所示。系統(tǒng)完成裝配調(diào)試后，在岸邊進行基本功能檢驗，檢驗正常后在試驗測量船上進行固定安裝，完成電纜與定位跟蹤系統(tǒng)設(shè)備的連線。

圖5 信號處理機箱

圖6 短基線基陣及水密筒

試驗測量船攜短基線基陣航行至試驗水域深水區(qū)處停泊進行試驗。將調(diào)試好的水下聲源安放在目標模擬船上，在船上放置GPS設(shè)備，GPS設(shè)備天線盡量放置于聲源附近，以減小定位誤差。將短基線基陣降至水下5m左右，開啟短基線基陣垂直上方的GPS設(shè)備。聯(lián)接好電纜、信號處理設(shè)備、主機，系統(tǒng)上電，進行試驗。

圖7 定點位置與動態(tài)跑船軌跡示意圖

目標模擬船攜帶水下聲源在距測量陣心不小于2km范圍內(nèi)定點漂浮與定速航行，定點位置與動態(tài)跑船軌跡如圖7所示。水下聲源發(fā)射的聲信號由聲學(xué)基陣接收，經(jīng)放大濾波后，由信號接收處理機實時進行時延解算，得到目標航行軌跡與模擬聲源調(diào)制的深度參數(shù)。

6 結(jié)語

本文簡要介紹了便攜式船載水下目標定位跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容，通過合理可靠的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得該系統(tǒng)易于拆卸及安裝。結(jié)合模塊化的硬件設(shè)計，整個測量系統(tǒng)可以很方便地安裝在多種試驗船只上進行使用。試驗結(jié)果說明該系統(tǒng)滿足水下目標定位跟蹤測量的要求，具有較高的實用性和可靠性。