基于回波的單路探測雙波發射動態控制方法

譚菊琴，李文鵬，陳荷娟

（南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094）

0 引言

主動超聲探測技術是現代水中彈藥近炸引信常用的技術之一，它依據目標返回的回波和目標聲輻射特性實現目標精確定位，是實施精確打擊的一種有效手段。當引信由彈藥系統直接投送到目標區域，理想情況下，引信主動式聲近感裝置只需發射一種周期固定的恒定載頻（constant frequency，簡稱CF）脈沖信號，因信號簡單，通過判斷回波有無就可實現“發現”目標的功能。當前，多數超聲目標探測器已經具備這種“發現”功能。但是，對于水中彈藥近炸引信來說，實際工作環境復雜，存在各種干擾（如海洋環境、艦船噪聲、鄰彈干擾等），實際上，從回波不能識別是探測器自身發射信號經目標反射的回波，還是其他物體（非攻擊目標）反射的回波，從而會帶來引信的誤判斷和誤動作。解決這一問題的根本途徑是要抑制干擾，提高引信對目標信息的獲取水平。

關于引信主動探測的定位與目標識別研究中，多數研究集中于發射波形設計［1－3］和接收信號處理方法［4］。如文獻［1—2］研究了窄帶條件下調制信號探測性能，文獻［3］研究了寬帶條件下調制信號探測性能。上世紀九十年代末，南京理工大學陳荷娟、石建，提出了區分鄰彈和目標的多普勒頻偏控制方法［4］。為提高抗鄰彈干擾，文獻［5］在此研究基礎上，提出了雙門控制方法，解決了多普勒頻偏法不能確認收到的回波是自身發射信號經目標反射的回波，還是其他探測器經目標反射的回波的問題。但是，現階段主動聲近炸引信的發射系統是采用單體制固定發射周期進行信號發射控制的，這種探測機制易丟失目標。因此，本文提出基于回波的單路超聲探測雙波發射控制策略。

1 雙門控制法的控制特征

雙門控制法的控制特征如圖1所示。圖1中s（t）是發射信號；r（t）是回波信號；g（t）是回波信號經接收電路處理后的輸出信號，即控制器輸入信號，g（t）＝0表示未收到回波，否則，g（t）＝1；d（t）為雙門控制信號；τp1為信號脈寬；B為第一個控制門的最大門寬，τh為其延遲開門時間；Bk為第二個控制門的最大門寬；T是探測周期，從控制器開始工作到下一次開啟時所經歷的時間，T＝T1＋T2。為降低近距離體積混響，提高抗干擾的能力，只允許控制門內接收信號。

圖1 雙門控制法Fig.1 Double－gate control method

見圖1，若t＝τm1，且第一個控制門d（t）＝1（τh＜t＜ （τh＋B））時，r（t）中出現信號CF／，即r（t）≠0，對應g（t）≠0，說明有物體出現，則在t＝τ1＝τm1＋τp1（假設為理想信道）時，立即使d（t）由“1”變為“0”，停止接收r（t）信號。為了確認信號CF′的性質，在關閉第一個控制門時，發射第2個CF信號。接著，在上次出現CF′信號前Bk／2時，開啟第二個控制門，此時，d（t）由“0”變為“1”。若在τk1＜t＜ （τk1＋Bk）內，沒有出現回波CF′，如圖1（a），則說明第1次接收到的回波是非目標信號，可認為是干擾信號。如果第一個控制門內出現的是目標回波信號，只要t＜（1／2）T，在接下來的第二個控制門就會再次接收到回波CF′，見圖1（b）。因此，第一個控制門具有發現目標的功能，故稱作“發現門”；第二個控制門具有確認目標的功能，故稱作“確認門”。從圖中可知，門寬B、Bk受回波控制，且門寬B上限值不超過（T－τh）。

圖1（a）所示s1（t）、g1（t）表達式為：

式中，uCF（t）為矩形包絡CF恒頻脈沖信號，f0是載波頻率，rect（·）為矩形函數；n為整數：1，2，…，N。

圖1（b）所示s2（t）、g2（t）表達式為

雖然，雙門控制法簡單、有抗干擾能力，但是，探測周期T固定，會影響探測器的響應。另外，它針對的是單波信號的發射控制，該探測體制無法獲取更多目標特征信息。

蝙蝠不同的捕食行為具有特定捕食策略，它在捕食獵物時，按搜索、捕捉和結束三個階段，實施捕食行為，其發射波形可根據捕食行為、目標距離自適應地調整。已經發現，有一種發射CF－FM波形的蝙蝠，它們在搜索階段發射長周期含CF成份的超聲波，一旦發現目標，立即改發含FM成份的超聲波，以求獲得目標精細信息，對目標進行識別；隨著與目標的接近，還會逐漸減少脈寬、發射周期，保持對目標的追蹤［6－7］。

2 基于回波單路探測的雙波發射動態控制方法

本文在雙門控制信號基礎上，借鑒蝙蝠回聲定位信號的發射控制策略，提出一種新的控制策略，旨在最大探測距離內，基于回波信息控制恒頻、調頻兩種超聲波形發射的自動切換。

2.1 仿蝙蝠超聲探測的雙波發射動態控制原理

仿蝙蝠超聲探測雙波發射動態控制系統結構框圖如圖2所示，它主要由信號發生器、發射控制電路、發射電路、接收處理電路和水聲換能器組成。發射控制電路在電源控制下啟動，控制信號發生器產生CF脈沖信號，經發射電路，由水聲換能器1向水中發射超聲波，探測器開始搜索目標。延時一段時間后，關閉發射系統，打開接收處理電路。若在信號發送接收最大探測周期Tmax內，換能器2未接收到r（t）信號（即r（t）＝0），或經判斷無目標存在，則繼續發CF超聲波。若目標存在，且Tmax＞T＞Tmin（Tmin對應最小探測距離）時，發FM 超聲波；T≤Tmin，立即輸出起爆信號。

圖2 雙波發射控制系統結構框圖Fig.2 Structure diagram of dual－wave emission control system

2.2 基于回波單路探測雙波發射動態控制策略

控制策略如圖3所示，設m（t）是控制信號；E（t）為起爆控制信號，若E（t）＝0表示不輸出起爆指令，E（t）＝1表示輸出起爆指令。

策略一：如圖3（a）所示，打開“發現門”直至t＝Tmax，r1（t）＝0，做出“無目標”決策，不輸出起爆指令，即E（t）＝0。在下一個探測周期，繼續發射CF脈沖信號搜尋目標。此時，對應的發射信號s1（t）表達式為

策略二：見圖3（b），r1（t）＝CF′，做出“有物體”決策，同時發射第2個CF脈沖信號，延時T1－Bk／2［5］，打開“確認門”允許接收r2（t）信號，直至“確認門”達到最大門寬Bk，r2（t）＝0，做出“無目標”決策，令E（t）＝0。在下一個探測周期，繼續發射CF脈沖信號。此時，s2（t）為

策略三：見圖3（c），若r1（t）＝CF′，且在“確認門”的門寬為Bk1（Bk1＜Bk）時，有r2（t）＝CF′，T2＞Tmin，則做出“有目標”決策，令E（t）＝0，同時改發FM脈沖信號。延時T2－Bk／2，打開第三個門（稱“跟蹤門”），跟蹤目標。“跟蹤門”內r3（t）＝0，說明無跟蹤目標，做出“無目標”決策，令E（t）＝0，同時改發CF信號，重新搜尋目標。此時，s3（t）為

式中，uFM（t）是矩形包絡三角LFM脈沖信號，表達式為：

式中，u1（t）＝ejπMt2（0＜t＜τp2／2），u2（t）＝ 1／u1（t）（τp2／2＜t＜τp2），M＝B／τp2調頻斜率，B 為帶寬。

策略四：見圖3（d），“跟蹤門”內r3（t）＝FM′，且T3＞Tmin，做出“有跟蹤目標”決策，令E（t）＝0，繼續發射FM 信號。此時，s4（t）為

策略五：見圖3（e），當“跟蹤門”內r3（t）＝FM′，但T3≤Tmin，確認攻擊“目標”存在，輸出起爆指令，即E（t）＝1。

圖3 基于回波單路探測雙波發射動態控制方法Fig.3 Control method for echo－based single－channel dual－wave emission system

3 仿真驗證

設計了6個計時器，各計時器可用符號“Ji”（i＝1，…，6）表示，J1、J2、J3、J4、J5、J6分別為：信號脈寬計時器，時延計時器，信號發送接收周期計時器，“發現門”門寬計時器，“確認門”門寬計時器，“跟蹤門”門寬計時器。

信號發射動態控制方法的實現，本質上就是對這6個計時器時序設計。按照上面的控制規則設置14個狀態，分別是：S0、S1、…、S13，控制器的狀態轉換如表1所示。

表1 控制器狀態表Table.1 Controller of status table

按照順序控制原則，控制器的有限狀態機狀態轉換圖如圖4所示。

圖4 狀態轉換圖Fig.4 State diagram

根據深彈引信的近炸作用要求，適當的選取延遲開門時間τh＝2.6ms，CF的脈寬τp1＝2ms、FM的脈寬τp2＝1ms，確認、跟蹤門的最大門寬Bkmax＝3ms，信號發送接收最小周期Tmin＝19ms，最大周期Tmax＝30ms。設定：in＿pulse為回波g（t）信號輸出端；WAVE＿OUT為對應的發射信號輸出端；exposion為起爆控制信號輸出端；open＿door為“發現門”；open1＿door為“確認、跟蹤門”。

在Quartus II設計平臺中設計了基于FPGA的控制器，并利用Modelsim對控制器進行時序仿真，仿真結果如圖5所示。

圖5 單路探測雙波發射動態控制仿真Fig.5 Simulation for dynamical control of single－channel dual－wave signal emission system

圖5（a）是策略一仿真波形，顯示的是在open＿door＝1，Tmax＝30ms，沒有收到in＿pulse信號對應的exposion及發射信號波形。

圖5（b）是策略二仿真波形。open1＿door＝1，Bkmax＝3ms時，仍未收到in＿pulse信號對應的exposion及發射信號波形。

圖5（c）是策略三仿真波形。顯示的是目標存在，但是在跟蹤目標過程中，將目標跟丟對應的exposion及發射信號波形。

圖5（d）是策略四、五仿真波形。若控制門內連續兩次收到in＿pulse，WAVE＿OUT就會輸出脈寬為1ms的FM脈沖；若收到兩次in＿pulse信號的時間間隔Ti≤Tmin，控制器則輸出起爆控制信號，此時，WAVE＿OUT輸出為“0”，exposion輸出1。

從圖5中還可看出，在控制門關閉時，即使有in＿pulse信號輸入，也不會使控制器誤動作，見圖5（b）。

仿真結果表明，在發射環境開始后的近距目標探測中，對于單路探測系統（用單發－單收2個換能器，或者收發共用一個換能器）來說，如果發射含有CF、FM兩種調制信號的超聲波信號，可以在設定的探測周期內，完成發現、確認目標，并迅速做出決策，實時控制信號發射器調整發射信號和輸出起爆指令。

4 結論

本文給出了用于引信水下超聲目標探測系統的基于回波的單路探測雙波發射動態控制方法。該方法借鑒蝙蝠回聲定位信號的發射控制策略，設計了控制策略。發射控制系統可根據接收到的回波信息自動的選擇信號發射策略，控制信號的發射時機及信號形式。仿真表明：該方法控制簡單、決策迅速，實現了快速發現、確認目標回波信號的能力，提高了系統抗干擾的能力。為引信目標探測器的定位、跟蹤功能提供技術支持。設計中接收的回波信息是經過處理的，對于回波信號的處理不是本文研究的內容，不在此熬述。

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