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基于以太網魚雷聲自導電信號半實物
O 引言魚雷聲自導系統是現代魚雷最基本也是最核心的部件,直接決定魚雷的總體性能和戰術指標。聲自導系統半實物仿真是在實驗室環境下模擬水聲目標,進行聲自導系統設計與性能評估的重要手段。
聲自導系統半實物仿真根據模擬聲學目標方法的不同通常有水聲物理場法、電信號注入法和機械對接法3種1。水聲物理場法利用消聲水池/水罐,通過水中產生的目標/背景信號直接作用到聲自導聲學基陣上,這種方法系統龐大,試驗成本高,適合對包含聲學基陣的聲自導系統進行詳細全面的測試 采用機械對接方法簡潔,但機械耦合的精確解耦是一大難題;電信號注入法在聲學基陣不接入仿真系統的情況下,根據目標/背景的數學模型由仿真信號源實時生成電信號,加載到聲自導系統的接收端。電信號注入法系統結構簡單,其試驗成本遠低于水聲物理場法,尤其是隨著高性能數字信號處理器的發展,使可實時生成的數學模型更加精確,從而使電信號較精確的模擬目標/背景信號成為可能。由于數字信號處理器編程的靈活性,可根據需要產生水聲目標、背景噪聲、干擾目標等各種類型的信號及多種信號的組合。在實驗室環境下通過電信號注入法對聲自導系統做前期論證、測試后,再進一步進行水池試驗、湖海試驗以對包含聲學基陣在內的聲自導系統進行試驗測試,可大大提高聲自導系統的研發進度,降低研發成本。
1 聲自導半實物仿真系統結構基于電信號注入法的聲自導系統半實物仿真系統包含控制/顯示計算機、仿真信號源、聲自導信號處理機、自動駕駛儀和程控放大/濾波模塊等5個子系統,各子系統通過以太網連接構成分布式仿真系統,基于以太網的聲自導系統半實物仿真結構如圖1所示。根據仿真的具體需求,自動駕駛儀既可以是數學仿真模型,也可以是實物接入仿真系統。仿真系統在控制/顯示計算機的控制下協同工作,仿真信號源實時生成仿真信號加載到聲自導信號處理機的接收端,模擬魚雷尋的、跟蹤、攻擊目標的全過程,聲自導信號處理機和自動駕駛儀處理得到的相關參數發送到控制/顯示計算機實時顯示。
組建基于電信號的聲自導半實物仿真系統主要存在以下關鍵技術:目標/背景信號的仿真數學模型;實時仿真信號源的硬件設計;根據目標/背景信2 目標/背景信號仿真模型在主動聲自導體制下,目標回波信號是獲取目標特征信息的主要來源。在目標回波中有3個重要的特征:目標回波的時間展寬;目標回波的亮點起伏;目標回波空間方位分布。這3個特征是對目標進行識別和跟蹤的重要依據,目標/背景信號的仿真模型必須能夠反應這3個特征參量。農業田間信息獲取技術研究及發展趨勢。
根據聲自導的不同階段,在滿足遠場條件時,使用單亮點模型模擬目標;在近程時則將目標認為是體目標,使用多亮點結構模型。為了能夠準確的模擬聲學基陣接收的信號,還必須模擬誘餌、混響和海洋噪聲等干擾信號。由于水聲環境的復雜性和系統實時性的要求,使用了簡化的目標/背景模型。
3 目標/背景信號的實時生成3.1 仿真信號源的硬件系統設計仿真信號源根據目標/背景的數學模型,利用直接數字信號合成(DDS)技術實時產生聲自導仿真信號,其硬件結構如圖2所示。網絡通訊模塊通過以太網與上位機通訊,接收上位機發送的命令和參數;主控制器根據接收到的命令實現對整個系統的同步控制;信號處理流水陣列是系統主要的信號處理單元,完成仿真信號實時生成的大量數據處理;DAC陣列實現所有通道信號的同步數/模轉換。
根據目標/背景信號實時生成算法的特點,信號處理流水陣列采用3級流水處理的結構,每級處理陣列包含6片高性能浮點處理器TMS320C6713,相鄰兩級處理陣列通過DSP的同步串口連接,上一級的處理結果傳遞到下一級作進一步的處理。根據直接數字信號合成的特點,第1級陣列通過查表方式產生基準信號;第2級陣列在基準信號的基礎上,采用延時濾波算法產生附加延時信息的其余各通道數據;第3級陣列完成目標信號、背景信號的疊加,并將產生的數字信號通過DAC轉換陣列產生聲自導仿真信號,經過信號調理后加載到聲自導接收機的輸入端。
3.2 聲自導信號疊加魚雷聲自導信號常用的脈沖信號包含單頻脈沖信號、線性調頻脈沖信號、雙線性調頻信號等,并根據具體的自導流程組合;镜男盘栴愋驮谛盘柼幚黻嚵械牡1級通過查表遞推方式產生,然后疊加滾降包絡或是矩形包絡。魚雷發射的自導脈沖信號是各種基本脈沖信號的組合,因而基陣接收到的是附加目標信息和干擾信號的基本窄帶脈沖的組合。聲自導仿真系統要真實的仿真目標/背景信號,必須實現基本脈沖信號的靈活組合,并疊加海洋噪聲和混響干擾。目標/背景信號的組合和疊加在信號處理陣列的第3級完成。
4 半實物仿真試驗4.1 聲自導波束形成器驗證聲自導信號處理機的波束形成器是魚雷常用的目標定向方法,也就必然要求對波束形成器的性能進行評估。傳統的波束形成器的評估是在水池試驗階段通過180。轉動雷頭實現的,使用基于電信號的聲自導半實物仿真后,可在前期方便的對波束形成器作性能評估,優化波束形成器的設計。使用仿真信號源模擬目標在水平方向和垂直方向上一90。到90。的運動,模擬雷頭轉動的速度與水池試驗一致,則聲自導信號處理機形成的8個波束在控制/顯示計算機上得到的結果如圖4所示,驗證了波束形成器的性能。
4.2 魚雷彈道評估魚雷彈道是魚雷重要的綜合技戰指標,傳統的魚雷彈道評估必須等到水池試驗或湖上試驗才能完成。在引入基于電信號的半實物仿真系統后,可在試驗室內模擬魚雷聲自導攻擊的全過程,實現魚雷彈道設計的評估和優化。仿真系統模擬魚雷聲自導系統搜索彈道、發現目標后的導引彈道時,總臺計算機根據自動駕駛儀的輸出參數和運動方程,實時計算魚雷與目標的距離、相對速度和空間方位等參數,仿真信號源以這些參數實時產生目標的仿真信號。
聲自導信號處理機采集目標仿真信號,處理后獲得目標信息,并根據目標信息執行相應的彈道策略。
將目標信息發送到控制/顯示計算機,結合仿真目標的參數實時顯示魚雷攻擊的全過程。
5 結論采用電信號注入法的聲自導半實物仿真系統能夠根據目標/背景模型同時模擬多個目標,并疊加相應的海洋噪聲和混響干擾。該半實物仿真系統的研制對于優化聲自導系統設計、縮短聲自導系統研制周期、節省研制費用有著一定的作用。
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