一種新型水下雙應答目標模擬器的設計與實現

李通旭，張效民，韓 沖，陳 瑜

（1.西北工業大學 航海學院, 陜西 西安 710072；2.浙江大學 城市學院 , 浙江 杭州 310015）

在水下自導系統[1-2]的開發過程中，需要一種設備模擬目標的回波，輔助完成自導系統的調試及實驗參數設定。目標模擬器可代替目標艦艇，在一定條件下模擬艦艇的反射聲信號和輻射噪聲信號，用于考核魚雷、聲彈、深水炸彈等稅種兵器性能的訓練、試驗用的聲學靶標[3]。本文介紹了一種基于DSP及MCU的低功耗實時多用途水下目標模擬器[4-6]，該系統模擬目標的聲學反射特性，接收主動探測信號并根據實驗需求模擬潛艇目標的反射回波信號特征，可在有相鄰干擾的情況下應答最多兩個主動探測信號。該目標模擬器具有小型化，實時的特點，目標模擬器的參數可以通過上位機實時設定，大大提高了系統的靈活性。該目標模擬器已經成功用于水下自導系統的開發，經過消聲水池的實驗和湖試的驗證，性能滿足實際需求。

1 總體設計

目標模擬器的電子系統主要由寬帶模擬前端、數字處理及功率放大器三部分構成，系統結構如圖1所示。其中寬帶模擬器前端負責對原始信號進行調理，包括信號濾波、放大和檢波。信號處理模塊主要負責信號的檢測及參數解算。換能器模塊負責聲信號與電信號之間的轉換。磁羅盤用于模擬器水中姿態測定，水壓傳感器用于水深的測定。

圖1 目標模擬器系統構成圖Fig. 1 Structure diagram of target simulator system

1.1 模擬信號預處理模塊

由于寬帶模擬前端接收到的信號十分微弱，并且起伏很大，這就需要對輸入信號進行調理放大，濾除頻帶外的噪聲，以便于后續的數字處理。如圖2所示模擬信號預處理模塊主要包括前置放大、AGC控制、放大檢波四部分。根據接收換能器的林密度及最大使用水深，其技術指標如下：

1)接收機靈敏度：S=0.8 mV；2)接收機固定增益：K=75 dB；3)接收機AGC壓縮比：C= -30 dB,輸入信號變化≥35 dB，輸出信號變化≤8 dB；4)接收機通帶寬度：ΔB0=10 kHz（15 ～25 kHz），通帶平穩度≤1 dB;5)接收機阻

圖2 模擬接收通道原理框圖Fig. 2 Structure diagram of receiving channel

帶衰減：≥ 30 d B（ 10 ～15 k Hz , 25 ～35 k Hz）；6)接收機功耗：±5 V供電，功耗：I≤30 mA。

1.2 數字信號處理模塊

數字處理模塊用于對探測信號的實現在線分析以及應答回波信號數據流的生成，其原理框圖見圖3。高速A/D采用THS1206，該型芯片為四通道同步采樣AD，最高采樣率可達2MSPS。DSP選用了目前最先進的32位低功耗定點數字信號處理器TMS3205509A。MCU則選用了16位高性能單片機MSP430F5438，對主動探測信號的脈寬、到達時刻、頻率及能量的估計由DSP與MCU并行處理完成。其中MCU0為系統管理模塊，負責數據記錄、模擬器工作模式管理、姿態數據采集、水壓數據采集以及與岸上顯控臺的數據交互。MCU1、DSP1與MCU2、DSP2構成了兩個獨立的數字處理通道，分別完成對兩個主動探測信號的不間斷實時在線分析。

圖3 數字處理模塊框圖Fig. 3 Structure diagram of digital processing module

2 軟件設計

目標模擬器用于模擬目標的回波特征，因而必須可靠的判別出模擬器所接收到的主動探測脈沖信號的有無，并估計出脈沖信號的到達時刻（上升沿出現的時刻）、脈寬以及功率等3個參數。在此基礎上，電子系統還必須根據目標模擬器當前的工作模式生成符合要求的應答回波信號。電子系統的軟件可以分為探測脈沖檢測和應答回波生成兩大部分，其程序流程圖分別如圖4和圖5所示。

圖4 目標模擬器探測脈沖檢測程序流程圖Fig. 4 Flow chart of probe pulse detection program

圖5 目標模擬器應答回波生成程序流程圖Fig. 5 Flow chart of answering echo generation program

3 雙主動探測脈沖信號的可靠檢測及估計技術

假設目標模擬器所接收到的主動探測脈沖信號為信號1和信號2。信號1頻率為15 kHz，信號2頻率為16 kHz，信號時寬均為5 ms，信噪比0 dB，信號1的能量比信號2能量小約30 dB，系統采樣頻率為50 kHz，FFT分析樣本點數為2 048點,得到的接收信號譜圖如圖6所示。

經過同樣的255階數字窄帶濾波器后，作2 048點傅里葉變換，得到的譜圖如圖7所示。

由圖6和圖7對比分析可知，數字窄帶濾波具有較高的處理增益，濾波后信號1能量比信號2能量高約24 dB，可實現信號能量相差較大情況下的可靠檢測。

圖6 接收信號譜圖Fig. 6 Spectrum of receiving signal

圖7 經窄帶數字濾波后的譜圖Fig. 7 Spectrum of narrowband digital filtering

4 結 論

水下目標模擬器原理樣機調試完成后，在西北工業大學航海學院消聲水池對原理樣機系統進行了測試。經過湖試驗證，該系統模擬目標信息完整、準確、功能可擴展，用戶可以通過上位機實時監測模擬器的工作狀態，并實現對模擬器目標參數的修改。該目標模擬器性能滿足實際需求,已經成功應用于水下自導系統。

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