水下航行體位置姿態(tài)參數(shù)水聲測量技術(shù)研究?

（昆明船舶設(shè)備研究試驗中心 昆明 650051）

1 引言［1，14］

隨著海洋科學技術(shù)的發(fā)展和進步，水下航行體在國防、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繕说乃?、垂直尺度進行分析、識別、辨別真假目標。在攻擊過程中，智能水下武器通過最優(yōu)化控制，采取最佳彈道，尋找攻擊目標要害部位，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，它對目標的摧毀程度就取決于如何準確判別目標的要害部位，完成定向聚能爆破。同時，在新型水下武器科研、定型及交驗試驗中，通過實時分析其航行位置、姿態(tài)參數(shù)，可以清楚地掌握水下武器實航中的運動狀態(tài)，特別是在實航發(fā)生故障時，對故障的機理分析和排除起到了至關(guān)重要的作用。在商業(yè)領(lǐng)域，無人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）已成功應(yīng)用于海底地形探測、海域水文監(jiān)測、海底管道故障檢測等任務(wù)。在UUV執(zhí)行任務(wù)結(jié)束及能源欠缺時，有需要對其進行回收來下載相關(guān)信息數(shù)據(jù)或補充能源，但由于水下環(huán)境復雜，以及水壓和碰撞對其帶來的影響，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。

本文通過深入研究高速目標水聲遙測多普勒補償、強干擾條件下弱信號檢測等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計了一種脈沖間隔粗調(diào)與頻率編碼細調(diào)相結(jié)合的遙測信標體制，采用前沿檢測方法測量信號到達時差實現(xiàn)位置跟蹤，利用脈沖間隔調(diào)制實現(xiàn)航行姿態(tài)參數(shù)的粗估，利用頻率調(diào)制實現(xiàn)航行姿態(tài)參數(shù)的細估，從而實現(xiàn)了水下航行體位置跟蹤與姿態(tài)參數(shù)聯(lián)合測量的目標。課題組試制了系統(tǒng)原理樣機，并開展了湖上動態(tài)試驗，試驗數(shù)據(jù)結(jié)果表明：位置跟蹤誤差不大于0.5%，姿態(tài)測量誤差不大于0.5°。

2 系統(tǒng)樣機功能組成及技術(shù)方案

2.1 系統(tǒng)樣機工作原理

具體工作原理（過程）如下。

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

2）信號處理設(shè)備的模擬電路組件對信號進行放大、濾波、調(diào)理等一系列處理后，送DSP信號處理機進行時延估計、頻率解調(diào)等信號處理分析；

3）DSP信號處理機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、航行姿態(tài)信息（如航向、俯仰、橫滾等）進行頻率和脈沖間隔解調(diào)，得到其調(diào)制時延及頻率等信息，并將結(jié)果傳送至顯控機；

4）顯控機實現(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)水聲測量系統(tǒng)樣機主要由信號處理與顯控設(shè)備、水聲測試段、聲學基陣等組成。系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖1。信號處理與顯控系統(tǒng)包括模擬電路組件、DSP信號處理機、位置跟蹤與姿態(tài)參數(shù)顯控機、GPS同步鐘和姿態(tài)測量設(shè)備等，模擬電路組件將接收的四路水聲信號經(jīng)過放大、濾波、包絡(luò)檢波等處理后，送DSP信號處理機；DSP信號處理機完成信號檢測解調(diào)、單頻頻率判別、時延估計、增益控制及數(shù)據(jù)傳送等功能，并將解調(diào)信息、時差數(shù)據(jù)等通過RS422口傳送給位置跟蹤與姿態(tài)參數(shù)顯控機，位置跟蹤與姿態(tài)參數(shù)顯控機負責實現(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。水聲測試段負責將實時采集的姿態(tài)參數(shù)信息，按照要求的信標體制進行編碼、調(diào)制后，在GPS同步鐘的觸發(fā)下由功放電路發(fā)射出去。聲學基陣由四個互相正交的接收換能器、水密電子艙、布放回收機構(gòu)等組成，負責采集水聲測試段發(fā)出的水聲信號。

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 信標體制設(shè)計

信標體制采用時延粗調(diào)與頻率細調(diào)相結(jié)合的設(shè)計方式，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）為遙測信息的時延粗調(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代表行識別脈沖，為脈寬5ms、（f0-3.5～f0+3.5）kHz線性負調(diào)頻；CWn（n=1，2…10*n）代表遙測信息的頻率細調(diào)脈沖，為3ms的單頻信號。由于航行深度信息要求精度高，本信標使用兩個行周期調(diào)制深度信息，其余三個參數(shù)（包括航向角、橫滾角、縱傾角等）使用一個行周期來調(diào)制，這樣更新一次遙測信息就需要5個行周期，即遙測周期為0.5s。細調(diào)分為12個刻度，CWn頻率值分別對應(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時信標示意圖，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）為遙測信息的時延粗調(diào)值，細調(diào)脈沖CWn（n=1，2…10）。

圖2 信標體制示意圖

3.2 強干擾條件下弱信號檢測技術(shù)［3，7，14］

課題組對低信噪比、弱信號條件下的水聲接收信號檢測方法作了深入的研究。在發(fā)射端設(shè)計了一種脈沖間隔粗調(diào)與頻率編碼細調(diào)相結(jié)合的遙測信號體制，達到了抑制碼間干擾、提高在固定距離接收端信號的信噪比的效果；在水聲信號傳播過程中，研究了試驗水域撫仙湖水聲信道特征，分析了各時間段聲速梯度和聲線傳播軌跡，采用保護間隔、卷積碼糾錯等抗多途措施來抑制多途傳播干擾；在接收端采用高精度時延頻率估計等算法實施弱信號解調(diào)。

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

4 試驗結(jié)果分析

4.1 試驗過程與方法

為驗證系統(tǒng)原理樣機的性能，開展了湖上靜態(tài)與動態(tài)跑船試驗。試驗過程：基陣吊放于試驗船A右舷，試驗船B攜帶模擬聲源在距測量陣心不大于2km范圍內(nèi)定點漂泊與動態(tài)航行；模擬聲源設(shè)備發(fā)射的聲信號由聲學基陣接收，經(jīng)放大濾波后，由信號接收處理機實時進行時延檢測、姿態(tài)參數(shù)信息解碼解調(diào)，得到試驗船B上模擬聲源的位置軌跡與姿態(tài)參數(shù)。試驗船A與試驗船B的GPS位置數(shù)據(jù)與基陣位置信息均回傳至指控中心，進行實時的誤差對比。

4.2 試驗結(jié)果與分析

對靜態(tài)與動態(tài)跑船試驗數(shù)據(jù)進行分析，位置數(shù)據(jù)比對船載DGPS數(shù)據(jù)，通過多組數(shù)據(jù)比對，得出位置定位精度優(yōu)于0.5%。將實際測量姿態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)與便攜式電腦實時記錄航姿傳感器數(shù)據(jù)進行同時間比較，考核系統(tǒng)的姿態(tài)測量誤差，統(tǒng)計次數(shù)為靜態(tài)每個參數(shù)6000次，動態(tài)跑船每個參數(shù)9000次。頻點值與時延值按照信標體制的調(diào)制方式還原后，再經(jīng)過正交四元基陣數(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)信息測量誤差不大于10-3。圖3為航姿傳感器航向?qū)崟r參數(shù)信息接收數(shù)據(jù)與發(fā)射數(shù)據(jù)對比圖。

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

5 結(jié)語

本文主要解決了高速目標水聲遙測多普勒補償、強干擾條件下弱信號檢測等關(guān)鍵技術(shù)，研制了系統(tǒng)原理樣機，并進行了試驗驗證。本課題系統(tǒng)原理樣機實現(xiàn)了水下航行體位置姿態(tài)參數(shù)聯(lián)合測量，全面、直觀地掌握水下航行體水下航行實時信息，有利于指導水下航行體水下作業(yè)或故障分析。