水下目標軌跡測量處理系統的設計與實現?

丁翠環 李孟學 韓 碩（.9388部隊湛江540）（.93部隊湛江540）

水下目標軌跡測量處理系統的設計與實現?

丁翠環1李孟學2韓 碩1
（1.91388部隊湛江524022）（2.92213部隊湛江524022）

應用成熟的信號處理技術和單片機技術研制水下目標測量處理機，處理機具有目標測量和動態靜態模擬仿真功能，處理機的所有參數能由計算機設置，計算機軟件采用Visual C++編程，軟件功能齊全，人機界面好，完成跟蹤定位、事后處理、系統自檢、模擬仿真等功能。

五目標跟蹤定位；鎖相跟蹤信號處理技術

Class Num ber TB556

1 引言

提高水聲測量設備作用距離，在信號能量一定情況下，唯一辦法就是提高接收機處理信噪比。目前在這方面有很多技術，例如相關技術、LMS自適應線性累加技術、ALE線譜相關技術等，但這些技術較適合10MS以上脈沖信號處理，對于2MS以下脈沖信號來說好處不大，測量誤差也較大。

我們吸收了水聲信號處理中的新技術，研制出鎖相跟蹤處理器。這種處理器性能優越，構造簡單，容易制成超小型電路板，應用這種處理器能使現有設備性能包括作用距離，測時精度有較大提高。用鎖相跟蹤處理器構成的多通道處理機最大特點就是無鄰通道串漏現象。

2 系統主要功能

系統具有以下主要功能：五目標定位跟蹤、軌跡顯示和打印；目標數據回放及事后處理；動態和靜態目標模擬仿真；同步幀率連續可變；目標信號頻率連續可變；計算機設置處理機所有參數。

3 系統組成及工作原理

水下目標軌跡測量處理系統由四個水聽器、水下目標測量處理機和計算機三部分組成。系統組成原理框圖如圖1所示。

水下目標測量處理機組成原理框圖如圖2，采用鎖相跟蹤信號處理技術進行信號檢測，提高了信噪比，降低了檢測域，克服了鄰道竄漏，同時電路設計簡單。將目標模擬仿真技術與處理技術結合起來制成的一體化結構，減小了系統體積，提高了系統性能，既能接收處理目標，又能完成仿真模擬功能，給系統測試、調試、檢查、維修帶來極大方便。

4 關鍵技術

4.1 鎖相跟蹤水聲信號處理技術

4.1.1 鎖相跟蹤原理

鎖相環路本質是一個相位負反饋誤差控制系統，其最大特點是不用電感線圈，實現對輸入信號頻率和相位的自動跟蹤。它跟蹤固有頻率的輸入信號時沒有誤差，跟蹤頻率變化的輸入信號時精度也相當高。它對輸入信號似一個窄帶跟蹤濾波器，能夠跟蹤并檢測淹沒在噪聲中的微弱信號。

4.1.2 鎖相環路組成

鎖相環路由簽相器（PD）、環路濾波器（LPE）和壓控振蕩器（VC）三部分組成，框圖如圖3所示。

簽相器是相位比較裝置，它把輸入信號Ui（t）與壓控振蕩器輸出信號Uo（t）的相位進行比較，產生對應于兩信號相位的誤差電壓。環路濾波器的作用是濾除誤差電壓Ud（t）中的高頻成分和噪聲，以保證環路所要求的性能，增加環路的穩定性。壓控振蕩器受環路濾波器輸出的壓控電壓Uc（t）控制，使其頻率向輸入信號的頻率靠攏，直至頻差消失，環路鎖定。

4.2 鎖相跟蹤處理器工作原理

4.2.1 鎖相跟蹤處理器組成

該處理機采用鎖相跟蹤信號處理技術進行信號檢測，提高了信噪比，降低了檢測域，克服了鄰道竄漏，同時電路設計簡單。將目標模擬仿真技術與處理技術結合起來制成的一體化結構，從而減小了系統體積，提高了系統性能，既能接收處理目標，又能完成仿真模擬功能，給系統測試、調試、檢查、維修帶來極大方便。原理框圖如圖4。

4.2.1.1 抗疊混濾波器

此濾波器采用美國MAXIM生產的MAX274設計，MAX274是由四個相互獨立的級聯二階單元組成有源濾波器，每一單元都能構成帶通和低通濾波響應特性。

4.2.1.2 時間增益控制

時間增益控制（TVG）目的在于抑制近程強信號對遠程弱信號的影響，以減輕AGC的負擔，同時在發射信號瞬時，有關斷通道動能（TVG）設計要求按增益隨指數上升原則。

4.2.1.3 噪聲增益控制

噪聲會影響鎖相環的捕獲時間，從而影響測時精度。我們取時間常數3~5s可保證平滑大起伏噪聲，使噪聲變的相對平穩。

4.2.1.4 自動混合環增益控制

對于窄脈沖信號，特別是雙脈沖信號來說，信號增益控制非常重要，其性能好壞直接關系到測時精度，特別是第二個脈沖測時精度。對窄脈沖信號的增益控制通常方法是時間常數取在大約1 B左右的包絡檢波法，B為接收機帶寬。

這種單純的增益控制方法有三個缺點，一是輸出信號前端有失真；二是抬高了信號之外的噪聲電平；三是抬高了反射波增益，抗多途效應差。為了解決以上三個缺點，我們在增益控制方面采用自動混合環控制，自動混合環有三種控制方式，即：時間增益自動控制，噪聲增益自動控制，脈沖信號增益自動控制。三種控制方式根據不同時間，不同環境既可單獨使用，又可混合使用。這種增益控制方法提高了信噪比，即使在沒有信號的情況下噪聲輸出控制在門限以下。

4.2.1.5 時間窗檢測

由于海洋環境中有噪聲及各種干擾，電路檢測中有可能出現誤動作，為消除這些因素，我們在鎖相環后面增加一級時間檢測，時間窗大小根據信號而定，在時間窗口之內信號檢測有效并輸出。

4.3 定位跟蹤技術

高精度實時測定目標魚雷的運動軌跡是魚雷靶場定型試驗中測量系統的最重要的任務，它考核魚雷在水下的運動特性的指標。系統跟蹤定位是采用同步測距和球面交匯的定位技術，經計算機實時解算，并經過數據濾波，事后分析處理等技術，優化實時測得的軌跡數據。

4.3.1 定位數學模型

系統采用四個水聽器輸入，任取三個參與解算，經優化處理，最終提高定位精度。數學模型表達如下：

其中：i=1，2，3，4，（xi，yi，zi）為水聽器坐標。

雙脈沖第一個脈沖為測時值ti，第二個脈沖為深度測量值，所以z方向為已知量。

4.3.2 跟蹤濾波算法

對目標實時跟蹤過程中，由于水文條件和水下噪聲等的影響，總會使有時測量的斜距數據和目標到水聽器之間的距離不相符，或者水聽器測不到目標到它之間的斜距，且深度數據有時在干擾信號等的作用下也會有較大的偏差，或根本測量不到深度數據。用這些不良的數據去解算目標軌跡坐標就會使目標的軌跡產生跳變野值或斷點（無解點）。但目標的運動是有規律（慣性）的，我們可根據目標的運動規律，用能反映目標運動規律的跟蹤濾波算法，即可有效地剔除野值并合理地補充軌跡斷點，這里采用比較成熟的α、β濾波算法來濾波和預報目標軌跡坐標。

4.4 計算機處理軟件

計算機軟件共包括五部分，即信號處理機監控處理軟件、定位跟蹤軟件、模擬仿真軟件、事后處理軟件和系統自檢軟件。

●信號處理機監控處理軟件。主要完成處理機參數設置、與計算機通信、動態模擬仿真、檢查與修正等功能。

●定位跟蹤軟件。完成五目標的跟蹤定位，改進型αβ實時數據濾波技術提高了系統的跟蹤能力和軌跡測量精度。增強了在復雜的海洋環境下或信號測量設備工作狀態不佳時所測得的數據的可信度。

●模擬仿真軟件。完成了動態和靜態模擬功能，增強了系統的實驗室動態模擬演練的能力，有利于系統的軟硬件檢查和故障排除。仿真時在計算機上隨意調整噪聲和信號電平大小，模擬圖有圓形、直線、蛇行軌跡和不規則軌跡，有效地檢查系統的電聯通情況，有利于系統的軟硬件檢查和故障排除。

●事后處理軟件。完成數據處理，結果打印，軌跡回放，軌跡顯示處理等功能，進一步提高定位精度。

●系統自檢軟件。完成系統對處理機的檢測，一是功能測試和故障自檢，二是各參數調整，并自動修正延時量，提高系統的智能化程度。

5 結語

水下目標測量處理機體積小，重量輕，性能可靠，功能齊全；計算機軟件設計合理，操作方便，顯示直觀。經過測試計量、驗收和實際使用，證明該系統操作簡單、工作可靠。該系統構思新穎、設計合理、小型輕便、操作簡單、可靠實用，智能化程度高，技術上有創新，性能指標超過國內同類系統，其技術達到國內該領域的領先水平。

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Design and Realization of Underwater Target Tracking M easure and Processing System

DING Cuihuan1L IM engxue2HAN Shuo1
（1.No.91388 TroopsofPLA，Zhanjiang 524022）（2.No.92213 Troopsof PLA，Zhanjiang 524022）

App lying mature signal processing technology and MCU technology,a underwater target measure processer is designed.The processer can accomplish targetmeasure，dynamic and static simulation emulator.All parameters of processer is set by computer.The computer software has been programmed by Visual C++.The software function is complete.Human computer interface is friendly.The software can accomplish tracking positioning，off-line processing，system self-checking，simulation emulatorand soon.

five targets tracking and positioning，phase-locked tracking signal processing technology

TB556 DO I：10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.011

2016年11月4日，

2016年12月27日

丁翠環，女，高級工程師，研究方向：水聲測控。李孟學，男，工程師，研究方向：導航通信。韓碩，女，碩士研究生，工程師，研究方向：水聲測控。