自導深彈脫靶距離測量方法研究＊

鄧秀華

（中國船舶重工集團公司第七一○研究所 宜昌 443003）

1 引言

自導深彈脫靶試驗時，目標模擬器模擬潛艇目標的回波，應答自導深彈的主動尋的信號，自導深彈在自導控制系統作用下，瞄準目標模擬器進行攻擊［1～2］。自導深彈下潛彈道可由慣性測量組合內測、聲外測兩種方法完成，測量系統中的全球衛星定位系統GPS完成目標模擬器水面布放浮標點大地坐標測量，近似為目標模擬器在水下的位置，從彈道軌跡中可近似解算得出自導深彈與目標模擬器的最小距離，即脫靶距離。

海上試驗時，目標模擬器一般處于水下某一深度，離海面和海底均有一定距離，受水流等因素的影響，將水面布放位置近似為水下位置，偏差可達數十米，隨之帶來的脫靶距離測量誤差也較大。

因此，必須設計專用于脫靶距離測量的系統。本文提出采用同步聲脈沖測距的自導深彈脫靶距離測量系統。該系統可以連續精確測量自導深彈與目標模擬器之間的距離，并解算得出脫靶距離［3］。

2 測量原理

自導深彈上安裝有同步聲信標，信標在同步脈沖控制下同步發射聲脈沖，布放于目標模擬器下方的測量基陣接收此同步信標發出的聲脈沖，經頻率、能量、脈寬等檢測，判斷信號的有無，在此基礎上，通過匹配相關的檢測方法［4～5］，計算信號到達時刻，解算試驗彈與水聽器的距離值，并判斷自導深彈的下潛攻擊或上浮回收狀態，精確的解算出深彈與目標模擬器的距離，并進一步求得自導深彈發現并跟蹤目標時與目標模擬器的最小距離，即脫靶距離。測量原理見圖1。

測量系統水聽器1＃、2＃與目標模擬器發聲器垂直布放成一直線，水聽器1＃、2＃構成直線接收陣，水聽器1＃、2＃間距為d1，2＃水聽器與目標靶發聲器間距為d2。經信號處理，分別得出同步信標同步聲脈沖發射時刻與1＃、2＃水聽器接收到此信號的時刻間的延遲時間t1和t2，在已知聲速c的情況下，即可得試驗彈與水聽器的距離r1和r2，進而求得俯仰角θ，再三角解算求得R，即為彈目距離，并可進一步解算脫靶距離。

俯仰角θ，是兩水聽器連線與1＃水聽器與試驗彈連線的夾角。俯仰角的變化用于判斷試驗彈的下潛或上浮狀態。

圖1 測量原理圖

試驗時，距離測量精度與測量水聽器的空間位置有關，水聽器的布置還必須同時考慮湖海試驗時布放回收使用時操作的方便性、安全性等。

距離測量誤差隨著水聽器間距d1的增大而減小。根據試驗態勢仿真，d1在約3m以內，增大d1，距離測量誤差迅速減小；d1大于3m后，再增大d1，距離測量誤差雖然也能減小，但已不明顯。考慮水下布放使用回收的簡便性和安全性，d1不宜太大，因此d1宜取3m～4.5m。實現時，兩水聽器間距d1由水聽器電纜長度來調節，并精確測量到厘米級以下。

距離測量誤差隨著2＃水聽器與靶距離d2的增大而增大。為減小誤差，2＃水聽器最好是緊挨著目標模擬器發聲器。但是，水下工作時，目標模擬器發射換能器下方一般有安裝電子設備的較大的密封殼體，水下會旋轉，且其姿態有嚴格要求。水聽器電纜不能干擾目標模擬器殼體，因此，2＃水聽器放在目標模擬器殼體下方，實際使用時，考慮減小信號因模擬器殼體遮擋而帶來的影響，2＃水聽器必須在下方離開一定距離。根據試驗態勢仿真，d2宜取1m～3m。實現時，間距d2由吊放位置來調節，并精確測量到厘米級以下［6］。

3 系統組成

脫靶距離測量系統由同步發射聲信標、水下接收陣及測量系統、水面同步控制設備等組成。

同步發射聲信標安裝于試驗自導深彈，在同步脈沖控制下同步發射聲脈沖。信標結構必須滿足試驗彈衡重、流線型等要求。

水下接收陣及測量系統包含接收水聽器陣、水下電子艙、水面設備及相應的輔助設備。如圖2。

圖2 水下接收陣及測量系統

水下電子艙包含水密殼體與水密件、電路模塊、深度傳感器、電池組以及模盒架等；電路模塊包含：濾波放大模塊、同步功能模塊、信號高速采集存儲功能模塊、嵌入式控制模塊、深度電路模塊、電源轉換模塊等。同步功能模塊包含以下功能：接收水面同步控制設備的啟動／停止控制及同步控制，產生同步脈沖信號，產生幀脈沖信號及測距脈沖信號。信號高速采集存儲功能模塊采集存儲的信號有同步脈沖信號、水聽器信號、深度信號。

水面設備包含水面同步控制設備、數據回收模塊、數據處理模塊、自檢設備與信號采集監測儀、GPS授時儀等等。

水面同步控制設備可由GPS提供標準同步鐘，具備對水下電子艙的同步功能模塊和同步發射聲信標的同步控制和同步檢查能力，能對水下電子艙的同步功能模塊和同步發射聲信標進行啟動／停止控制。

4 信號處理

同步信標發射的聲脈沖信號需專門設計，為固定脈寬的調頻調幅信號，在同步鐘的控制下以固定間隔向外發射周期性脈沖，具有水平和豎直全方位的發射指向性，同步信標聲源級應盡量小，以減小對自導深彈自導系統的影響［7］。

圖3是水下接收陣及測量系統采集存儲的信號，有同步脈沖信號、水聽器接收到的信號，水聽器信號中含有試驗彈上同步信標發射的聲脈沖。

同步聲脈沖發射時刻是同步脈沖的上升沿時刻，在同步脈沖的一個周期間隔內，采用匹配相關法來求解同步信標同步聲脈沖發射時刻與1＃、2＃水聽器接收到此信號的時刻間的延遲時間。信號處理框圖見圖4。

圖3 同步脈沖與聲信號

圖4 延遲時間估計

標準信號是在消聲水池采集的同步信標發射的聲脈沖信號。消聲水池采集時，調整同步信標與接收水聽器的水平位置，保證信號約在滿幅度。采樣頻率fs以4倍奈奎斯特頻率采樣［8～9］，得到的標準聲脈沖信號信號序列表示為

x1為聲脈沖信號的起點，xN為聲脈沖信號的終點，其中N為采樣率與信號脈寬的乘積：

式中T為聲脈沖信號的脈寬。

現場測試信號采樣率和消聲水池保持一致，一幀信號序列表示為

進行匹配相關相乘累加：

數據處理時以同步鐘上升沿為起點，采用滑動平均，滑動步長最小可以為信號采樣間隔1／fs。

假設同步脈沖的周期為0.1s，滑動步長為0.01ms，那么，在一個同步間隔周期內，共滑動10000次，得到累加和序列：

在Z序列中求最大值，并判斷相鄰的旁瓣是否同時存在，此時Z的序號n經計算可得出信號到達時刻τ，單位為s

τ＝n×0.01×10－3（s）。

分別求得同步信標同步聲脈沖發射時刻與兩水聽器接收到此信號的時刻間的延遲時間，在已知聲速c的情況下，試驗彈與兩水聽器的距離r1和r2按以下公式計算

式中，τ1、τ2為同步信標同步聲脈沖發射時刻與1＃、2＃水聽器接收到此信號的時刻間的延遲時間的數值，單位為s；

r1、r2為試驗彈與1＃、2＃水聽器間距的數值，單位為m；c為聲速的數值，單位為m／s。

數據滑動帶來延遲時間估計誤差，滑動步長越小帶來的測距誤差越小，按采集間隔進行數據滑動，測距誤差為

如fs＝100kHz，聲速取1500m／s，代入上式計算得數據滑動帶來的測距誤差為1.5cm，幾乎可以忽略不計。

1＃、2＃兩水聽器連線與1＃水聽器與試驗彈連線的夾角θ，定義為俯仰角，按以下公式計算：

式中，θ為俯仰角的數值，單位為°；d1為兩水聽器間距的數值，單位為m。

試驗彈與目標模擬器發射換能器距離R計算公式為

式中，R為試驗彈與目標模擬器發射換能器距離的數值，單位為m。

根據俯仰角θ判斷試驗彈的下潛或上浮狀態。脫靶量T為試驗彈發現并跟蹤目標下潛過程中試驗彈與目標靶的最小距離，計算公式為

5 結語

本文介紹的自導深彈脫靶距離測量系統，采用同步測距法，利用匹配相關技術進行精確信號到達時延估計，作用距離可到幾百米，測距精確；采用全球衛星定位系統信號作為標準同步鐘，可以滿足異地同步操作的實際需求；采用嵌入式大容量信號采集存儲和低功耗設計，水下系統工作時間可以很長，完全覆蓋試驗時間段，且布放使用回收方便。自導深彈脫靶距離測量系統可應用于自導深彈湖海試驗中完成脫靶距離測量，也可應用于自導水雷等主動攻擊或末端自導武器的脫靶距離測量。

同時，由于慣性測量組合內測、聲外測對動態目標軌跡測量精度難以評估，而脫靶距離測量系統的距離測量可以做到非常精確，因此，利用GPS授時儀統一時間基準后，脫靶距離測量系統還可用于對慣組內測、聲外測對動態目標運動軌跡測量精度的評估［10］。

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［3］倪華，羅會彬.深水炸彈技術發展研究［J］.水中兵器，2009（1）：30-33.

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［7］陳韶華，趙冬艷.幾種主動聲吶信號抗混響性能分析［J］.水雷戰與艦船防護，2011（4）：12-15.

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［10］彭荊明，劉成.自導深彈控制系統脫靶量試驗方法研究［J］.水中兵器，2009（1）：33-36.