魚雷主動聲引信仿真試驗技術探討＊

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1 引言

目前魚雷上使用的引信主要有磁引信、電磁引信和聲引信三種。聲引信因具有體積小、重量輕等特點,在魚雷上具有更好的應用前景。目前聲引信已成功應用于國內外多型反潛魚雷[1],國外已經建立比較完善的魚雷全雷仿真試驗系統,國內尚無聲引信仿真試驗平臺。傳統的湖、海試驗方法雖然可靠,但由于其規模大、周期長、成本高,限制了試驗次數,從而影響系統整體性能的評估[2]。另外,受武器系統破壞性和試驗環境可控性差等因素限制,實航試驗無法滿足武器系統全部戰技指標考核所要求的復雜作戰環境[3],以上這些嚴重阻礙了聲引信的保障和研發,迫切需要設計一種實用的聲引信仿真試驗系統。

2 魚雷主動聲引信的工作原理與仿真試驗方法

2.1 魚雷主動聲引信的工作原理

魚雷聲引信的工作原理與聲自導和一般聲納系統類似,聲引信發射機向海水中發射一定頻率的聲脈沖,該聲脈沖被目標、海面或海水中的其他散射體散射,其中一部分散射波被聲引信接收機接收,聲引信對其進行信號處理,判別出目標存在并在引信作用半徑以內后引爆魚雷的裝藥。

2.2 魚雷主動聲引信的仿真試驗方法

魚雷主動聲引信仿真試驗系統就是要在實驗室條件下模擬聲引信工作的海洋水聲環境。系統以基于PXI總線的虛擬儀器為硬件基礎[4～5],利用海洋聲傳播模型,構建聲引信工作的模擬海洋水聲環境。通過聲對接技術實現真實魚雷聲引信與仿真試驗系統的聲連接。仿真試驗系統在接收到魚雷聲引信發射信號以后,根據設定的初始條件和邊界條件,給出各種干擾信號或者包含各種干擾信號的回波信號,聲引信根據接收信號判斷有無目標存在及目標距離是否達到觸發門限值。

3 系統組成及工作原理

系統原理框圖如圖1所示。系統的工作原理為：系統啟動時,先確定是工作在反潛工況還是反艦工況,仿真系統采集一次聲引信發射信號,對該信號進行分析,得到其中心頻率和帶寬,同時根據初始和和邊界條件以及混響模型產生相應的混響信號時間序列,將混響與各種其他干擾信號一起通過PXI總線寫入波形采集和回放模塊,系統根據魚雷與目標當前的距離,產生相應的延時和衰減值,將干擾回波進行DA轉換以后疊加輸出,通過對接換能器將電信號轉換成聲信號被魚雷聲引信換能器接收,魚雷聲引信根據該信號判斷與目標的距離,從而控制引信動作。引信動作的起爆電壓信號通過邊界條件以及混響模型產生相應的混響信號時間序列,將混響與各種其他干擾信號一起通過PXI總線寫入波形采集和回放模塊,系統根據魚雷與目標當前的距離,產生相應的延時和衰減值,將干擾信號經過分壓處理,反饋給仿真系統,仿真系統根據當前仿真的狀態和引信動作信息,對引信是否合格給出結論。

圖1 仿真試驗原理圖

4 系統各部分的設計探討

4.1 聲對接裝置

聲對接裝置主要由基座、對接換能器和透聲橡膠組成。對接裝置要求實現對接換能器與聲引信換能器準確機械耦合并有一定的均勻壓力;透聲橡膠必須均勻無雜質,且聲阻抗與海水一致。聲對接裝置及其與PXI機箱的連接關系如圖2所示。

圖2 聲對接裝置示意圖

4.2 DDS組件

DDS技術[6]是一種新興的直接數字頻率合成技術,具有頻率分辨率高、頻率切換速度快、切換相位連續、輸出信號相位噪聲低、可編程、全數字化易于集成、體積小、重量輕等優點,因而在各領域得到廣泛應用。本系統采用Analog Devices公司的AD9850[7]。該芯片具有如下特點：采用+3.3V或+5V供電;125M的時鐘頻率;32位頻率控制字;5位相位控制字。能產生頻率為0.029Hz～62.5 MHz的正弦或方波信號,并能附加11.25°、22.5°、45°、90°、180°以及他們之間任意組合的相位。能在-40℃～85℃的溫度范圍內可靠工作。采用3.3V供電時功耗僅為155mW。DDS結構原理圖如圖3所示。

4.3 接口技術

本地控制邏輯與PCI總線進行數據傳輸,必須設計接口。目前設計接口普遍采用接口芯片加上CPLD實現[8～9]。本系統采用S5920[10]實現接口設計。S5920是AMCC公司推出的一種PCI總線接口芯片,它可被視作S5933的子集。與之相比,S5920減少了總主控的功能,但其它性能與之相仿或有所增強,但價格降低了很多。因此,在無需進行總線主控的場合,使用S5920具有更高的性價比。S5920的主要特點如下：符合PCI2.2標準的總線目標/受控設備;具有最高132M字節/秒的傳輸速率;具有可編程的預取和等待狀態;帶有4個集成32位讀寫FIFO的直通通道;外加總線可工作于主動或被動狀態;具有直接操作的信箱數據鎖存/中斷引腳和直接操作的PCI和外加總線中斷引腳;支持即插即用;支持串行nvRAM(非易失性RAM)和可選的外部BIOS;采用160腳PQFP封裝。

圖3 DDS結構原理圖

4.4 AD/DA轉換技術

本系統采用ADS831[11]及AD9709[12]實現AD/DA轉換。ADS831采用+5V單電源供電,內含一個8位編碼器,高帶寬跟蹤保持器以及高精確的內部參考源。也可由用戶設置使用外部參考源。最高采樣頻率為80MHz。

AD9709是一個高速雙通道8位CMOS數模轉換器。它在一個48腳的LQFP封裝里集成了兩個高質量的T xDAC+核心,一個參考電壓源以及數字接口。主要特點如下：雙通道,8位DA轉換,最高125MSPS的采樣率,采用3V或5V單電源供電,功耗僅為380mW。

5 仿真試驗系統軟件設計

本系統軟件設計采用LabVIEW圖形化編程語言,軟件完成采集數據的分析、回波信號的產生以及試驗流程的控制。試驗流程圖如圖4所示。

圖4 仿真試驗流程圖

系統工作時,軟件對聲引信發射信號進行采集,得到發射信號脈寬,并對其進行頻譜分析,得出發射信號中心頻率。在一定的頻率范圍內按照給定的頻率間隔發射聲信號,采集聲引信系統的輸出信號,從而分析得出接收通道的工作頻率。在模擬目標距離范圍內,通過模擬連續兩個或三個回波脈沖、間隔一個或兩個周期的回波脈沖,觀察引信的動作和抗干擾能力。引信延遲時間通過軟件記錄回波信號給出到引信動作的時間得到。

6 結語

本文針對目前國內尚無魚雷主動聲引信仿真試驗系統的現狀,首先介紹了魚雷主動聲引信的工作原理和仿真試驗方法;從模擬聲引信工作的海洋水聲環境入手,對構建魚雷主動聲引信仿真試驗系統進行探討,給出了系統組成和工作原理以及系統各部分的硬件設計和仿真試驗流程,對魚雷主動聲引信仿真試驗技術研究有一定的指導意義。決定系統仿真試驗結果可信度的關鍵因素是海洋聲傳播模型的可信度,系統如何更真實地反映各種初始和邊界條件對聲引信聲信號傳播的影響,最終給出更真實的模擬聲信號,進一步提高仿真試驗結果的可信度,尚待進一步研究。虛擬儀器和聲對接技術在國內外已得到廣泛應用,本文給出的仿真試驗方法在理論和實踐上都是可行的。

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