水下航行體位置姿態參數水聲測量技術研究?

（昆明船舶設備研究試驗中心 昆明 650051）

1 引言［1，14］

隨著海洋科學技術的發展和進步，水下航行體在國防、海洋工程等領域發揮了重要的作用，水下航行體的位置姿態信息是岸基或工作母艇必須獲取的信息。在軍事領域，現代新型水下武器能夠對目標的水平、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、姿態參數，可以清楚地掌握水下武器實航中的運動狀態，特別是在實航發生故障時，對故障的機理分析和排除起到了至關重要的作用。在商業領域，無人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）已成功應用于海底地形探測、海域水文監測、海底管道故障檢測等任務。在UUV執行任務結束及能源欠缺時，有需要對其進行回收來下載相關信息數據或補充能源，但由于水下環境復雜，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、姿態等參數信息。

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鍵技術，設計了一種脈沖間隔粗調與頻率編碼細調相結合的遙測信標體制，采用前沿檢測方法測量信號到達時差實現位置跟蹤，利用脈沖間隔調制實現航行姿態參數的粗估，利用頻率調制實現航行姿態參數的細估，從而實現了水下航行體位置跟蹤與姿態參數聯合測量的目標。課題組試制了系統原理樣機，并開展了湖上動態試驗，試驗數據結果表明：位置跟蹤誤差不大于0.5%，姿態測量誤差不大于0.5°。

2 系統樣機功能組成及技術方案

2.1 系統樣機工作原理

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出的聲信標信號經水中傳播后，被輕便式聲學基陣接收，經前端放大后，傳輸至信號處理設備；

2）信號處理設備的模擬電路組件對信號進行放大、濾波、調理等一系列處理后，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、航行姿態信息（如航向、俯仰、橫滾等）進行頻率和脈沖間隔解調，得到其調制時延及頻率等信息，并將結果傳送至顯控機；

4）顯控機實現水下UUV位置軌跡的解算、描繪、姿態參數的解碼及水下UUV姿態3D顯示等。

2.2 系統組成及技術方案

水下航行體位置姿態參數水聲測量系統樣機主要由信號處理與顯控設備、水聲測試段、聲學基陣等組成。系統構成示意圖如圖1。信號處理與顯控系統包括模擬電路組件、DSP信號處理機、位置跟蹤與姿態參數顯控機、GPS同步鐘和姿態測量設備等，模擬電路組件將接收的四路水聲信號經過放大、濾波、包絡檢波等處理后，送DSP信號處理機；DSP信號處理機完成信號檢測解調、單頻頻率判別、時延估計、增益控制及數據傳送等功能，并將解調信息、時差數據等通過RS422口傳送給位置跟蹤與姿態參數顯控機，位置跟蹤與姿態參數顯控機負責實現位置軌跡的解算與描繪、位置參數的解碼與水下航行體姿態3D顯示等功能。水聲測試段負責將實時采集的姿態參數信息，按照要求的信標體制進行編碼、調制后，在GPS同步鐘的觸發下由功放電路發射出去。聲學基陣由四個互相正交的接收換能器、水密電子艙、布放回收機構等組成，負責采集水聲測試段發出的水聲信號。

圖1 系統構成示意圖

3 關鍵技術及突破途徑

3.1 信標體制設計

信標體制采用時延粗調與頻率細調相結合的設計方式，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值（可根據調制值調節，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線性正調頻；-LFM代表行識別脈沖，為脈寬5ms、（f0-3.5～f0+3.5）kHz線性負調頻；CWn（n=1，2…10*n）代表遙測信息的頻率細調脈沖，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制深度信息，其余三個參數（包括航向角、橫滾角、縱傾角等）使用一個行周期來調制，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。細調分為12個刻度，CWn頻率值分別對應為（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值，細調脈沖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［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。在發射端設計了一種脈沖間隔粗調與頻率編碼細調相結合的遙測信號體制，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。

時延估計利用自適應更新樣本相關的方法，提高時延估計精度，再進行時延值精密內插，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 試驗結果分析

4.1 試驗過程與方法

為驗證系統原理樣機的性能，開展了湖上靜態與動態跑船試驗。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范圍內定點漂泊與動態航行；模擬聲源設備發射的聲信號由聲學基陣接收，經放大濾波后，由信號接收處理機實時進行時延檢測、姿態參數信息解碼解調，得到試驗船B上模擬聲源的位置軌跡與姿態參數。試驗船A與試驗船B的GPS位置數據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 試驗結果與分析

對靜態與動態跑船試驗數據進行分析，位置數據比對船載DGPS數據，通過多組數據比對，得出位置定位精度優于0.5%。將實際測量姿態參數數據與便攜式電腦實時記錄航姿傳感器數據進行同時間比較，考核系統的姿態測量誤差，統計次數為靜態每個參數6000次，動態跑船每個參數9000次。頻點值與時延值按照信標體制的調制方式還原后，再經過正交四元基陣數據融合、剔除野值等后處理得到其姿態參數信息，2000m范圍內接收到的航向、俯仰、橫滾等姿態參數信息測量誤差不大于10-3。圖3為航姿傳感器航向實時參數信息接收數據與發射數據對比圖。

圖3 航向實時參數信息接收數據與發射數據對比圖

5 結語

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鍵技術，研制了系統原理樣機，并進行了試驗驗證。本課題系統原理樣機實現了水下航行體位置姿態參數聯合測量，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或故障分析。