邓秀华

（中国船舶重工集团公司第七一○研究所 宜昌 443003）

1 引言

自导深弹脱靶试验时，目标模拟器模拟潜艇目标的回波，应答自导深弹的主动寻的信号，自导深弹在自导控制系统作用下，瞄准目标模拟器进行攻击［1～2］。自导深弹下潜弹道可由惯性测量组合内测、声外测两种方法完成，测量系统中的全球卫星定位系统GPS完成目标模拟器水面布放浮标点大地坐标测量，近似为目标模拟器在水下的位置，从弹道轨迹中可近似解算得出自导深弹与目标模拟器的最小距离，即脱靶距离。

海上试验时，目标模拟器一般处于水下某一深度，离海面和海底均有一定距离，受水流等因素的影响，将水面布放位置近似为水下位置，偏差可达数十米，随之带来的脱靶距离测量误差也较大。

因此，必须设计专用于脱靶距离测量的系统。本文提出采用同步声脉冲测距的自导深弹脱靶距离测量系统。该系统可以连续精确测量自导深弹与目标模拟器之间的距离，并解算得出脱靶距离［3］。

2 测量原理

自导深弹上安装有同步声信标，信标在同步脉冲控制下同步发射声脉冲，布放于目标模拟器下方的测量基阵接收此同步信标发出的声脉冲，经频率、能量、脉宽等检测，判断信号的有无，在此基础上，通过匹配相关的检测方法［4～5］，计算信号到达时刻，解算试验弹与水听器的距离值，并判断自导深弹的下潜攻击或上浮回收状态，精确的解算出深弹与目标模拟器的距离，并进一步求得自导深弹发现并跟踪目标时与目标模拟器的最小距离，即脱靶距离。测量原理见图1。

测量系统水听器1＃、2＃与目标模拟器发声器垂直布放成一直线，水听器1＃、2＃构成直线接收阵，水听器1＃、2＃间距为d1，2＃水听器与目标靶发声器间距为d2。经信号处理，分别得出同步信标同步声脉冲发射时刻与1＃、2＃水听器接收到此信号的时刻间的延迟时间t1和t2，在已知声速c的情况下，即可得试验弹与水听器的距离r1和r2，进而求得俯仰角θ，再三角解算求得R，即为弹目距离，并可进一步解算脱靶距离。

俯仰角θ，是两水听器连线与1＃水听器与试验弹连线的夹角。俯仰角的变化用于判断试验弹的下潜或上浮状态。

图1 测量原理图

试验时，距离测量精度与测量水听器的空间位置有关，水听器的布置还必须同时考虑湖海试验时布放回收使用时操作的方便性、安全性等。

距离测量误差随着水听器间距d1的增大而减小。根据试验态势仿真，d1在约3m以内，增大d1，距离测量误差迅速减小；d1大于3m后，再增大d1，距离测量误差虽然也能减小，但已不明显。考虑水下布放使用回收的简便性和安全性，d1不宜太大，因此d1宜取3m～4.5m。实现时，两水听器间距d1由水听器电缆长度来调节，并精确测量到厘米级以下。

距离测量误差随着2＃水听器与靶距离d2的增大而增大。为减小误差，2＃水听器最好是紧挨着目标模拟器发声器。但是，水下工作时，目标模拟器发射换能器下方一般有安装电子设备的较大的密封壳体，水下会旋转，且其姿态有严格要求。水听器电缆不能干扰目标模拟器壳体，因此，2＃水听器放在目标模拟器壳体下方，实际使用时，考虑减小信号因模拟器壳体遮挡而带来的影响，2＃水听器必须在下方离开一定距离。根据试验态势仿真，d2宜取1m～3m。实现时，间距d2由吊放位置来调节，并精确测量到厘米级以下［6］。

3 系统组成

脱靶距离测量系统由同步发射声信标、水下接收阵及测量系统、水面同步控制设备等组成。

同步发射声信标安装于试验自导深弹，在同步脉冲控制下同步发射声脉冲。信标结构必须满足试验弹衡重、流线型等要求。

水下接收阵及测量系统包含接收水听器阵、水下电子舱、水面设备及相应的辅助设备。如图2。

图2 水下接收阵及测量系统

水下电子舱包含水密壳体与水密件、电路模块、深度传感器、电池组以及模盒架等；电路模块包含：滤波放大模块、同步功能模块、信号高速采集存储功能模块、嵌入式控制模块、深度电路模块、电源转换模块等。同步功能模块包含以下功能：接收水面同步控制设备的启动／停止控制及同步控制，产生同步脉冲信号，产生帧脉冲信号及测距脉冲信号。信号高速采集存储功能模块采集存储的信号有同步脉冲信号、水听器信号、深度信号。

水面设备包含水面同步控制设备、数据回收模块、数据处理模块、自检设备与信号采集监测仪、GPS授时仪等等。

水面同步控制设备可由GPS提供标准同步钟，具备对水下电子舱的同步功能模块和同步发射声信标的同步控制和同步检查能力，能对水下电子舱的同步功能模块和同步发射声信标进行启动／停止控制。

4 信号处理

同步信标发射的声脉冲信号需专门设计，为固定脉宽的调频调幅信号，在同步钟的控制下以固定间隔向外发射周期性脉冲，具有水平和竖直全方位的发射指向性，同步信标声源级应尽量小，以减小对自导深弹自导系统的影响［7］。

图3是水下接收阵及测量系统采集存储的信号，有同步脉冲信号、水听器接收到的信号，水听器信号中含有试验弹上同步信标发射的声脉冲。

同步声脉冲发射时刻是同步脉冲的上升沿时刻，在同步脉冲的一个周期间隔内，采用匹配相关法来求解同步信标同步声脉冲发射时刻与1＃、2＃水听器接收到此信号的时刻间的延迟时间。信号处理框图见图4。

图3 同步脉冲与声信号

图4 延迟时间估计

标准信号是在消声水池采集的同步信标发射的声脉冲信号。消声水池采集时，调整同步信标与接收水听器的水平位置，保证信号约在满幅度。采样频率fs以4倍奈奎斯特频率采样［8～9］，得到的标准声脉冲信号信号序列表示为

x1为声脉冲信号的起点，xN为声脉冲信号的终点，其中N为采样率与信号脉宽的乘积：

式中T为声脉冲信号的脉宽。

现场测试信号采样率和消声水池保持一致，一帧信号序列表示为

进行匹配相关相乘累加：

数据处理时以同步钟上升沿为起点，采用滑动平均，滑动步长最小可以为信号采样间隔1／fs。

假设同步脉冲的周期为0.1s，滑动步长为0.01ms，那么，在一个同步间隔周期内，共滑动10000次，得到累加和序列：

在Z序列中求最大值，并判断相邻的旁瓣是否同时存在，此时Z的序号n经计算可得出信号到达时刻τ，单位为s

τ＝n×0.01×10－3（s）。

分别求得同步信标同步声脉冲发射时刻与两水听器接收到此信号的时刻间的延迟时间，在已知声速c的情况下，试验弹与两水听器的距离r1和r2按以下公式计算

式中，τ1、τ2为同步信标同步声脉冲发射时刻与1＃、2＃水听器接收到此信号的时刻间的延迟时间的数值，单位为s；

r1、r2为试验弹与1＃、2＃水听器间距的数值，单位为m；c为声速的数值，单位为m／s。

数据滑动带来延迟时间估计误差，滑动步长越小带来的测距误差越小，按采集间隔进行数据滑动，测距误差为

如fs＝100kHz，声速取1500m／s，代入上式计算得数据滑动带来的测距误差为1.5cm，几乎可以忽略不计。

1＃、2＃两水听器连线与1＃水听器与试验弹连线的夹角θ，定义为俯仰角，按以下公式计算：

式中，θ为俯仰角的数值，单位为°；d1为两水听器间距的数值，单位为m。

试验弹与目标模拟器发射换能器距离R计算公式为

式中，R为试验弹与目标模拟器发射换能器距离的数值，单位为m。

根据俯仰角θ判断试验弹的下潜或上浮状态。脱靶量T为试验弹发现并跟踪目标下潜过程中试验弹与目标靶的最小距离，计算公式为

5 结语

本文介绍的自导深弹脱靶距离测量系统，采用同步测距法，利用匹配相关技术进行精确信号到达时延估计，作用距离可到几百米，测距精确；采用全球卫星定位系统信号作为标准同步钟，可以满足异地同步操作的实际需求；采用嵌入式大容量信号采集存储和低功耗设计，水下系统工作时间可以很长，完全覆盖试验时间段，且布放使用回收方便。自导深弹脱靶距离测量系统可应用于自导深弹湖海试验中完成脱靶距离测量，也可应用于自导水雷等主动攻击或末端自导武器的脱靶距离测量。

同时，由于惯性测量组合内测、声外测对动态目标轨迹测量精度难以评估，而脱靶距离测量系统的距离测量可以做到非常精确，因此，利用GPS授时仪统一时间基准后，脱靶距离测量系统还可用于对惯组内测、声外测对动态目标运动轨迹测量精度的评估［10］。

［1］杨有金.深水炸弹的历程与发展［J］.水雷战与舰船防护，2011（2）：1-3.

［2］金立峰，邓歌明，于凤全.浅海反潜特点及对策［J］.水雷战与舰船防护，2011（4）：6-8.

［3］倪华，罗会彬.深水炸弹技术发展研究［J］.水中兵器，2009（1）：30-33.

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［5］［英］A.D.Wait.实用声纳工程［M］.王德石等，译.北京：电子工业出版社，2004：13-35.

［6］王之程，陈宗岐，等.舰船噪声测量与分析［M］.北京：国防工业出版社，2004，24-35.

［7］陈韶华，赵冬艳.几种主动声呐信号抗混响性能分析［J］.水雷战与舰船防护，2011（4）：12-15.

［8］郑兆宁，向大威.水声信号被动检测与参数估计理论［M］.北京：科学出版社，1981：138-141.

［9］D.罗斯.水下噪声原理［M］.《水下噪声原理》翻译组，译.海洋出版社，1983：366-372.

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