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基于以太網(wǎng)魚雷聲自導(dǎo)電信號半實物
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。聲自導(dǎo)系統(tǒng)半實物仿真是在實驗室環(huán)境下模擬水聲目標，進行聲自導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計與性能評估的重要手段。
聲自導(dǎo)系統(tǒng)半實物仿真根據(jù)模擬聲學(xué)目標方法的不同通常有水聲物理場法、電信號注入法和機械對接法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／背景信號直接作用到聲自導(dǎo)聲學(xué)基陣上，這種方法系統(tǒng)龐大，試驗成本高，適合對包含聲學(xué)基陣的聲自導(dǎo)系統(tǒng)進行詳細全面的測試 采用機械對接方法簡潔，但機械耦合的精確解耦是一大難題；電信號注入法在聲學(xué)基陣不接入仿真系統(tǒng)的情況下，根據(jù)目標／背景的數(shù)學(xué)模型由仿真信號源實時生成電信號，加載到聲自導(dǎo)系統(tǒng)的接收端。電信號注入法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，其試驗成本遠低于水聲物理場法，尤其是隨著高性能數(shù)字信號處理器的發(fā)展，使可實時生成的數(shù)學(xué)模型更加精確，從而使電信號較精確的模擬目標／背景信號成為可能。由于數(shù)字信號處理器編程的靈活性，可根據(jù)需要產(chǎn)生水聲目標、背景噪聲、干擾目標等各種類型的信號及多種信號的組合。在實驗室環(huán)境下通過電信號注入法對聲自導(dǎo)系統(tǒng)做前期論證、測試后，再進一步進行水池試驗、湖海試驗以對包含聲學(xué)基陣在內(nèi)的聲自導(dǎo)系統(tǒng)進行試驗測試，可大大提高聲自導(dǎo)系統(tǒng)的研發(fā)進度，降低研發(fā)成本。
1 聲自導(dǎo)半實物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于電信號注入法的聲自導(dǎo)系統(tǒng)半實物仿真系統(tǒng)包含控制／顯示計算機、仿真信號源、聲自導(dǎo)信號處理機、自動駕駛儀和程控放大／濾波模塊等5個子系統(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)半實物仿真結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)仿真的具體需求，自動駕駛儀既可以是數(shù)學(xué)仿真模型，也可以是實物接入仿真系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)在控制／顯示計算機的控制下協(xié)同工作，仿真信號源實時生成仿真信號加載到聲自導(dǎo)信號處理機的接收端，模擬魚雷尋的、跟蹤、攻擊目標的全過程，聲自導(dǎo)信號處理機和自動駕駛儀處理得到的相關(guān)參數(shù)發(fā)送到控制／顯示計算機實時顯示。
組建基于電信號的聲自導(dǎo)半實物仿真系統(tǒng)主要存在以下關(guān)鍵技術(shù)：目標／背景信號的仿真數(shù)學(xué)模型；實時仿真信號源的硬件設(shè)計；根據(jù)目標／背景信2 目標／背景信號仿真模型在主動聲自導(dǎo)體制下，目標回波信號是獲取目標特征信息的主要來源。在目標回波中有3個重要的特征：目標回波的時間展寬；目標回波的亮點起伏；目標回波空間方位分布。這3個特征是對目標進行識別和跟蹤的重要依據(jù)，目標／背景信號的仿真模型必須能夠反應(yīng)這3個特征參量。農(nóng)業(yè)田間信息獲取技術(shù)研究及發(fā)展趨勢。
根據(jù)聲自導(dǎo)的不同階段，在滿足遠場條件時，使用單亮點模型模擬目標；在近程時則將目標認為是體目標，使用多亮點結(jié)構(gòu)模型。為了能夠準確的模擬聲學(xué)基陣接收的信號，還必須模擬誘餌、混響和海洋噪聲等干擾信號。由于水聲環(huán)境的復(fù)雜性和系統(tǒng)實時性的要求，使用了簡化的目標／背景模型。
3 目標／背景信號的實時生成3．1 仿真信號源的硬件系統(tǒng)設(shè)計仿真信號源根據(jù)目標／背景的數(shù)學(xué)模型，利用直接數(shù)字信號合成(DDS)技術(shù)實時產(chǎn)生聲自導(dǎo)仿真信號，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)與上位機通訊，接收上位機發(fā)送的命令和參數(shù)；主控制器根據(jù)接收到的命令實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的同步控制；信號處理流水陣列是系統(tǒng)主要的信號處理單元，完成仿真信號實時生成的大量數(shù)據(jù)處理；DAC陣列實現(xiàn)所有通道信號的同步數(shù)／模轉(zhuǎn)換。
根據(jù)目標／背景信號實時生成算法的特點，信號處理流水陣列采用3級流水處理的結(jié)構(gòu)，每級處理陣列包含6片高性能浮點處理器TMS320C6713，相鄰兩級處理陣列通過DSP的同步串口連接，上一級的處理結(jié)果傳遞到下一級作進一步的處理。根據(jù)直接數(shù)字信號合成的特點，第1級陣列通過查表方式產(chǎn)生基準信號；第2級陣列在基準信號的基礎(chǔ)上，采用延時濾波算法產(chǎn)生附加延時信息的其余各通道數(shù)據(jù)；第3級陣列完成目標信號、背景信號的疊加，并將產(chǎn)生的數(shù)字信號通過DAC轉(zhuǎn)換陣列產(chǎn)生聲自導(dǎo)仿真信號，經(jīng)過信號調(diào)理后加載到聲自導(dǎo)接收機的輸入端。
3．2 聲自導(dǎo)信號疊加魚雷聲自導(dǎo)信號常用的脈沖信號包含單頻脈沖信號、線性調(diào)頻脈沖信號、雙線性調(diào)頻信號等，并根據(jù)具體的自導(dǎo)流程組合。基本的信號類型在信號處理陣列的第1級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)脈沖信號是各種基本脈沖信號的組合，因而基陣接收到的是附加目標信息和干擾信號的基本窄帶脈沖的組合。聲自導(dǎo)仿真系統(tǒng)要真實的仿真目標／背景信號，必須實現(xiàn)基本脈沖信號的靈活組合，并疊加海洋噪聲和混響干擾。目標／背景信號的組合和疊加在信號處理陣列的第3級完成。
4 半實物仿真試驗4．1 聲自導(dǎo)波束形成器驗證聲自導(dǎo)信號處理機的波束形成器是魚雷常用的目標定向方法，也就必然要求對波束形成器的性能進行評估。傳統(tǒng)的波束形成器的評估是在水池試驗階段通過180。轉(zhuǎn)動雷頭實現(xiàn)的，使用基于電信號的聲自導(dǎo)半實物仿真后，可在前期方便的對波束形成器作性能評估，優(yōu)化波束形成器的設(shè)計。使用仿真信號源模擬目標在水平方向和垂直方向上一90。到90。的運動，模擬雷頭轉(zhuǎn)動的速度與水池試驗一致，則聲自導(dǎo)信號處理機形成的8個波束在控制／顯示計算機上得到的結(jié)果如圖4所示，驗證了波束形成器的性能。
4．2 魚雷彈道評估魚雷彈道是魚雷重要的綜合技戰(zhàn)指標，傳統(tǒng)的魚雷彈道評估必須等到水池試驗或湖上試驗才能完成。在引入基于電信號的半實物仿真系統(tǒng)后，可在試驗室內(nèi)模擬魚雷聲自導(dǎo)攻擊的全過程，實現(xiàn)魚雷彈道設(shè)計的評估和優(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)目標后的導(dǎo)引彈道時，總臺計算機根據(jù)自動駕駛儀的輸出參數(shù)和運動方程，實時計算魚雷與目標的距離、相對速度和空間方位等參數(shù)，仿真信號源以這些參數(shù)實時產(chǎn)生目標的仿真信號。
聲自導(dǎo)信號處理機采集目標仿真信號，處理后獲得目標信息，并根據(jù)目標信息執(zhí)行相應(yīng)的彈道策略。
將目標信息發(fā)送到控制／顯示計算機，結(jié)合仿真目標的參數(shù)實時顯示魚雷攻擊的全過程。
5 結(jié)論采用電信號注入法的聲自導(dǎo)半實物仿真系統(tǒng)能夠根據(jù)目標／背景模型同時模擬多個目標，并疊加相應(yīng)的海洋噪聲和混響干擾。該半實物仿真系統(tǒng)的研制對于優(yōu)化聲自導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計、縮短聲自導(dǎo)系統(tǒng)研制周期、節(jié)省研制費用有著一定的作用。
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