一種基于水聲應答器的聲納系統試驗方案?

史磊 商尚

（上海船舶電子設備研究所 上海 201108）

1 引言

一般地，在聲納系統研制過程中協調實際探測目標參與性能試驗是不切合技術經濟要求的。常規的方法是，采用與實際探測對象反射強度相符的特制球體作為被探測目標，試驗船拖帶目標球體模擬實際目標游速抵近聲納系統的水下基陣，聲納系統顯控臺實時表達目標球體在水下的綜合信息，從而驗證聲納系統目標探測性能。現有技術雖然解決了聲納系統目標探測試驗技術經濟問題，但是無疑增加了試驗實施的復雜度。此外，面對惡劣水文條件或是試驗船無法理想調控目標球體移動速度時，還需改用人工拖拽目標球體模擬實際目標游速。這種人工地、機械地試驗方法雖可一定程度上規避試驗不利條件，但是帶來了人力資源的浪費，而且探測效果是否滿足聲納系統性能指標要求尚需充分驗證，有時甚至造成試驗的失敗。需要一種基于水聲應答器的設計技術，水聲應答器時水聲定位系統的關鍵部件之一，它為水下待定位目標提供測試數據，應答定位信號，完成水下目標的定位［1］。通過環境噪聲電平的跟蹤估計和脈沖判決技術實現了復雜海洋條件下脈沖檢測、回發功能［2］。該技術可代替現有試驗船拖帶目標球體的試驗方案，根據試驗條件和聲納系統性能指標，靈活設置水聲應答器相關參數，模擬實際目標游速、反射強度等特征信息，配合聲納系統完成目標探測性能驗證。

2 水聲應答器的組成及原理

本文要解決的技術問題是現有技術方案現場實施繁瑣，且極易受到惡劣水文和現場客觀試驗條件限制，影響聲納系統的實際探測效果。本文提供了一種基于水聲應答器的目標模擬設計方法，其硬件組成框圖1所示。

圖1 水聲應答器系統組成框圖

如圖1所示，水聲應答器主要由接收模塊、應答模塊及工控機組成。接收模塊接收主動聲納基陣發射的水下聲信號，應答模塊接收到的水下聲信號后發還給聲納基陣，利用工控機實現水下聲信號的分析顯示并提供輔助指示。水聲應答器在目標探測試驗中的任務是為聲納系統提供聲特性可調的模擬目標。水聲應答器實時采集聲納基陣發射的聲信號，經水聽器轉換為電信號后進行調理、濾波等處理，并實時分析、顯示；綜合聲納基陣需要接收的目標聲特性，水聲應答器工控機控制可編程信號源通過發射換能器發射特定聲信號至聲納基陣，為水下目標探測提供輔助指示。水聲應答器的工作原理框圖如圖2所示。

圖2 水聲應答器工作原理框圖

依據圖2所示的水聲應答器工作原理，水聲應答器包含聲納信號接收、應答信號發送兩種信號處理流程，具體包括以下兩個步驟。

步驟1 聲納信號的接收方法

水聲應答器接收聲納基陣發射的信號由其接收模塊承擔。接收模塊包含標準水聽器、調理濾波單元、數據采集器、控制計算機。由標準水聽器采集水下信號，經濾波放大處理后進行信號的采集記錄，根據聲納信號發射的信號形式，工控機控制界面設置對應的信號參數，濾除水下聲場環境中非必要信號，拾取符合工控機參數設置的聲信號并由數據采集器轉換成電信號后寫入工控機緩存，進行時域、頻譜等示波監測。水聲應答器接收聲納信號的流程如圖3所示。

圖3 水聲應答器接收聲納信號的流程圖

步驟2 應答信號的發送方法

水聲應答器應答聲納基陣并發還模擬目標信號由其應答模塊承擔。應答模塊包含發射換能器、可編程信號源、功率放大器及工控機。水聲應答器應答信號的發送流程如圖4所示。

圖4 水聲應答器應答信號的發送流程圖

依據工控機設置的頻率、信號類型、脈寬等信號形式和參數，可編程信號源發出與聲納基陣一致的聲信號，經功率放大后由發射換能器轉換為水下聲信號發還給聲納基陣，為聲納探測性能提供模擬目標。特別地，針對被動聲納系統，水聲應答器工控機可設置被動聲納系統目標探測所需的信號形式，將水聲應答器作為水下聲源使用，亦可作為被動聲納系統探測性能試驗的模擬目標使用。

3 水聲應答器的設計實現

水聲應答器代替現有人工式地聲納系統目標探測試驗方法，優化實施方案，提高對聲納系統探測性能的驗證水平。水聲應答器的設計實施需要以滿足聲納系統探測試驗技術指標為依托，綜合設備組成及工作原理，遵從模塊化、標準化等設計原則，開展設計、集成、調試、驗收等實施內容。水聲應答器具體配置見表1。

表1 水聲應答器具體配置表

應答器的工作模式有兩種，應答模式和響應模式。響應模式為常用工作模式，應答模式則是應答器不需接受響應信號觸發，直接等時間間隔的發射信號，作為模擬源使用［3］，聲納被動接收并實現定位。

1）應答模塊

一般地，水聲發射機是應答器的重要組成部分，同樣也是系統耗電量最大的部分，其性能優劣直接影響到應答器系統的作用、工作時間和系統性能［4］，故水聲應答器中加入UPS電源作為常備供電系統。選取水平全向，垂直開交不小于20°的水下聲源作為發射換能器應答信號的發射裝置。發射換能器的性能主要表現在提高低頻寬帶換能器的發射聲功率和提高中高頻發射換能器的工作帶寬兩個方面［5］。結合不同源級的使用需求，靈活選用不同發射響應指標的換能器。選取的發射換能器的發射響應不小于130dB。可編程信號源利用數據采集器PXI-6120上自帶的DAC數模轉換功能，實現對特定頻率、信號類型、脈寬等信息的電信號模擬輸出，輸出信號的幅值范圍-10V～+10V，結合發射換能器發射響應指標，輸出的聲信號的最大源級為150dB左右。

考慮應答信號最大源級的提升需求，除優先選取發射響應更大的換能器外，也可選配阻抗可調的，輸出功率 ≥800VA（連續）/2kVA（脈沖）的功率放大器作為提升發射源級的備選方案。

此外，實際使用時，放置斷電等意外情況，選取市面常用的三相220V UPS電源作為應答器布放在無電力條件的機動小船時供電模塊備份方案，UPS電源轉換效率89%，切換時間小于2ms，MTBF大于25萬小時，滿載最大工作時間可達24h，具備過熱、過欠壓、短路、抗雷擊浪涌等保護功能。

2）響應模塊

鑒于水聲應答器的上位機軟件設計采用虛擬儀器技術，故考慮采用數據采集器完成模數信號轉換。數據采集器本身將模擬輸入通道、信號調理電路、采樣/保持、A/D轉換以及控制邏輯單元的時鐘、總線接口和控制器集為一體，從而形成一個完整測量系統的硬件電路［8］。數據采集器采用美國國家儀器（NI）公司標準數據采集板卡PXI-6120實現對聲納系統發射信號單通道信號采集功能。該采集板卡具備4通道差分模擬輸入，單通道采樣頻率≥800KS/s，可滿足對水聽器拾取到的不同中心頻率電信號的采集，差分輸入形式抗干擾能力強，可有效抑制采集過程中電路內部的自噪聲。

控制計算機采用便攜式工控機作為應答器終端顯示控制設備。工控機基于嵌入PXI-6120及調理濾波單元的考慮而形成，機構緊湊，平臺共有6個支持PXI總線槽位，其中CPU占兩槽，PXI/CPCI板卡最多支持插入4塊，可提供定制型的接口適配器，滿足中短時使用需求。平臺還集成了12.1寸LCD液晶顯示屏及鍵盤，滿足現場試驗便攜式使用要求。

3）接口設計

作為應答器信號采集、終端顯示、參數控制的工控機模塊，需具備與發射換能器、標準水聽器及數據采集器和調理濾波單元等互連接口。其中發射換能器和標準水聽器采用標準BNC物理接口實現與工控機互連；PXI-6120數據采集器及調理濾波單元通過工控機支持的PXI總線實現數據傳輸功能，PXI總線數據位寬可達64bit，峰值數據吞吐率可達264MB/s。

4）軟件設計

應答器的上位機顯示控制軟件采用NI公司標準圖形化開發語言LABVIEW完成。該語言包含的工業控制方面的工具包極多，函數豐富，非常適用于與硬件接口的編程控制，尤其擅長數據采集功能［9］。通過其自帶的函數和驅動程序工具包，在上位機軟件界面上容易實現對信號的實時采集、顯示，時域、頻域信號的特征提取，加入多普勒頻移功能結合圖像亮度圖顯示可直觀地對響應及應答信號進行監測。上位機軟件的主要功能是在簡答應答或自測陣模式下，實現對詢問脈沖的檢測，并通知MCU發送應答信號。上位機通過RS232串口設置、修改、返回MCU系統參數等［10］。

4 試驗方案及測試分析

水聲應答器作為輔助測試的水聲設備，它通過接收并快速檢測聲納發射信號，延時或無延時轉發聲信號，為聲納提供目標指示。在實際湖試、海試環境下，將多個應答器布放在聲納觀察范圍中，檢驗聲納觀察范圍指標；在跟蹤目標試驗中，應答器應答聲納信號，為聲納提供可跟蹤目標［11］。基于本文的水聲應答器設計方法，結合聲納系統目標探測性能，配合聲納系統開展了水聲應答器距離、方位、精度及延遲測距功能的驗證，這些性能是聲納系統的重要指標，直接影響到水面艦船對來襲目標的判別，進而決定了其對來襲目標的防御效果［12］，因此，基于水聲應答器的聲納系統性能驗證包含測距、測向及延遲模擬不同距離目標，具體包括以下三個步驟。

步驟1 作用距離及精度的測試方法

在對聲納系統開展目標探測性能試驗時，需要對水聲應答器作為模擬目標可被聲納系統探測到的作用距離及精度進行測試。水聲應答器測距時與聲納系統連接布放示意圖如圖5所示。試驗需要聲速梯度儀、GPS和試驗小船配合完成。作用距離及精度的測試步驟如下。

圖5 水聲應答器測距時與聲納系統連接布放示意圖

1）試驗前確認水聲應答器及聲納設備是否工作正常；

2）測量水文，記錄特定聲場范圍內的聲速；

3）試驗船上在換能器及水聽器下水處固定GPS信標，應答器水下換能器下端固定鉛魚，兩者相距0.5m，在距離聲納基陣10m處將換能器及水聽器與聲納基陣等深布放，布放深度由測得的水文條件確定；

4）聲納設備與水聲應答器開機工作，聲納顯控臺探測水聲應答器的應答信號，待顯控臺發現目標后，水聲應答器關機停止工作，聲納界面上目標消失，此時，可確認水聲應答器應答信號；

5）試驗船開始從距離聲納基陣10m處拖帶水聲應答器向遠處駛離，拖帶速度 ≤1m/s（模擬實際目標的游速）；

6）在整個拉距過程期間，通過GPS導航定位，在駛離過程中，每間隔30m，記錄GPS距離與顯控臺發現的目標距離信息，待顯控臺探測目標消失時，記錄最大探測距離；

7）比對GPS距離與顯控臺探測目標距離信息，計算測距精度。

8）調整聲納基陣和水聲應答器水下換能器和水聽器的深度，重復以上步驟，測試結果表2所示。

表2 水聲應答器測距及精度測試結果（單位：m）

步驟2 測向方位及精度的測試方法

相同地，在對聲納系統開展目標探測性能試驗時，還需對水聲應答器作為模擬目標可被聲納系統探測到方位和精度進行測試。水聲應答器與聲納系統測向時連接布放示意圖如圖6所示。

圖6 水聲應答器與聲納系統測向時連接布放示意圖

試驗仍需聲速梯度儀、GPS和試驗小船配合完成。測向方位及精度的測試步驟如下。

1）試驗前確認水聲應答器及聲納設備是否工作正常；

2）測量水文，記錄特定聲場范圍內的聲速；

3）試驗船上在換能器及水聽器下水處固定GPS信標，應答器水下換能器下端固定鉛魚，兩者相距0.5m，在距離聲納基陣10m處將換能器及水聽器與聲納基陣等深布放，布放深度由測得的水文條件確定；

4）聲納設備與水聲應答器開機工作，聲納顯控臺探測水聲應答器的應答信號，待顯控臺發現目標后，水聲應答器關機停止工作，聲納界面上目標消失，此時，可確認水聲應答器應答信號；

5）試驗船開始從距離聲納基陣10m處拖帶水聲應答器至距離聲納基陣Xm處，拖帶速度 ≤1m/s，記錄此時GPS提示的和顯控臺錄取的方位信息；

6）以Xm為半徑，試驗船改變航向向下一個測試點行駛，到達測試點后，記錄GPS提示的和顯控臺錄取的方位信息，測試結果如表3所示。

表3 水聲應答器方位及測向精度測試結果（單位：°）

步驟3 水聲應答器模擬不同距離目標的測試方法

水聲應答器作為模擬目標進行探測距離測試方案中，水聲應答器需要試驗小船慢速拖帶，模擬實際目標的移動態勢。設計了一種延時測距方法，將水聲應答器放置與試驗小船上距聲納基陣Xm處不變，實時接收聲納基陣的發射信號，依據水下聲速，設置相應的延時后產生應答信號發還給聲納基陣，用于實現不同距離上模擬目標的產生。水聲應答器模擬不同距離的目標的測試步驟如下。

1）試驗前確認水聲應答器及聲納設備是否工作正常；

2）測量水文，記錄特定聲場范圍內的聲速；

3）試驗船上在換能器及水聽器下水處固定GPS信標，應答器水下換能器下端固定鉛魚，兩者相距0.5m，在距離聲納基陣10m處將換能器及水聽器與聲納基陣等深布放，布放深度由測得的水文條件確定；

4）聲納設備與水聲應答器開機工作，聲納顯控臺探測水聲應答器的應答信號，待顯控臺發現目標后，水聲應答器關機停止工作，聲納界面上目標消失，此時，可確認水聲應答器應答信號；

5）試驗船距離聲納基陣100m處靜止，水聲應答器開機工作，記此時GPS提示的距離信息作為基準距離；

6）依據100m基準距離，依據需要模擬不同距離的目標，計算需要延遲的時間，水聲應答器設置不同延遲時間工作，記錄各種延遲時間下的GPS提示值并勘誤模擬測距誤差，測試結果如表4所示。

表4 水聲應答器延時模擬測距功能結果（單位：m）

5 結語

本文提出了一種用于聲納系統目標探測性能試驗的水聲應答器的設計技術，可代替現有人工輔助試驗方法，設備布放簡單，操作便捷，可克服惡劣水文條件及負面試驗條件的影響，最大程度模擬實際目標信息。參數設置靈活，顯示界面清晰，可實時進行波形觀測與數據處理。降低聲納系統試驗的實施復雜度，具備廣闊的應用前景。