水中兵器彈道測量技術現狀和展望

張思宇, 何心怡, 祝 琳, 劉 揚, 陳 雙

水中兵器彈道測量技術現狀和展望

張思宇, 何心怡, 祝 琳, 劉 揚, 陳 雙

(海軍研究院, 北京, 100161)

水中兵器彈道測量系統以水聲定位技術為核心, 其彈道測量精度與水中兵器試驗定型、日常訓練和作戰使用的性能評估緊密關聯。針對水中兵器彈道測量精度要求高的問題, 文中系統梳理了現有水中兵器彈道測量技術, 根據物理場和應用背景差異, 將現有測量技術分為基于聲場的水下主被動彈道測量技術、基于慣性場的水中兵器內彈道測量技術和基于光場的水下光學彈道測量技術, 分別論述了其技術原理和性能特點。同時結合魚雷等水中兵器高機動、低噪聲的發展方向及其作戰訓練向遠海水域拓展的需求變化, 對三類測量技術發展方向進行了展望, 旨在為水中兵器彈道測量技術研究提供參考。

水中兵器;彈道測量;水聲定位

0 引言

隨著新技術的發展和應用, 水中兵器的性能有了質的提升, 呈現出智能化、高機動、高航速、大航程和大威力的特點。在水中兵器的研制、試驗和訓練使用過程中, 需要精確測量其水下彈道, 評估武器裝備性能, 研究制定訓法和戰法。因此, 對具有高精度、高刷新率和強數據處理能力的水下彈道測量系統需求十分迫切。

文中梳理了現有水下彈道測量系統的研究成果, 結合對水中兵器的性能評估要求, 根據不同物理場將水中兵器彈道測量系統分為光場作用的水下光學彈道測量系統、慣性場作用的水中兵器彈道內測系統和聲場作用的水中兵器彈道主被動測量系統, 分別介紹了各自的技術特點, 重點分析了主被動外測系統的原理、特點及使用范圍。并對該領域未來技術發展方向進行了展望。

1 基于聲場的水下主被動彈道測量技術

聲場作為在水中傳播效果最好的物理場, 可以實現在水中大范圍有效傳播。因此, 國內外水中兵器靶場廣泛使用以水聲定位技術為核心的水中兵器彈道外測系統實現對水中快速運動目標高精度實時軌跡測量, 以檢驗武器裝備性能[1]。外測系統分為主動式和被動式2大類, 主動式外測系統通過在目標上加裝聲學裝置來實現大范圍水中目標的跟蹤測量; 被動式外測系統將目標輻射噪聲作為信號來實現測量[2]。

1.1 基于聲場的主動式彈道測量系統機理

主動式彈道測量系統一般在目標聲源加裝聲信標, 系統通過接收由聲信標發射的聲信號, 測量相關參數, 解算目標坐標和運動軌跡。主動式測量系統分類方法較多, 文中按照系統基線的長度, 將測量系統分為: 長基線(long baseline, LBL)測量系統、短基線(short baseline, SBL)測量系統、超短基線(ultra short baseline, USBL)測量系統, 表1所示是其分類標準[3]。

表1 主動測量系統分類

1.1.1 LBL測量系統

LBL測量系統由固定在海底的應答器基陣和安裝在被測目標上的聲學裝置兩部分組成, 主要采用同步定位法和非同步定位法。測量試驗前通過標校海底應答器在大地坐標系上絕對位置確定陣形, 保證系統解算目標的實時大地坐標位置, 如圖1所示。

圖1 長基線測量系統示意圖

同步定位法測量時, 利用安裝在目標上的同步聲信標, 由干端信息處理中心對信標和基陣同步授時, 通過測量同步聲信標發射信號到達海底基陣的時間計算目標距離, 利用球面交匯模型解算目標運動軌跡。圖2為同步定位法的幾何模型。

圖2 同步定位法幾何模型圖

一般只要布放3個陣元就可以實現對目標的定位, 當布放陣元大于3時, 可以得到多組位置解, 利用最小二乘法計算, 得到更高精度的位置坐標。

非同步定位法測量時, 幾何模型和同步法相同, 通過安裝在目標上的收發機發射問詢信號并記錄發射時間和到達各應答器時間, 計算目標和各應答器之間的距離[3-5]。每一組測得參數確定目標的一個球面方程, 即

式中:t為信號發射時刻與接收時刻的對時誤差。

由于2個應答器基陣之間的距離是固定值, 通過其對應的球面方程可以確定一個雙曲面, 得到非同步定位法的模型——雙曲面交匯模型。因而不需要測量目標深度等信息, 可以直接解算出目標坐標, 簡化了目標聲源設備。考慮到只有2個海底應答器會產生距離模糊, 實際至少在海底安裝3個以上應答器, 得到冗余信息, 確保測量的高精度[6]。

LBL測量系統的優點是不需要專門測量目標深度, 基線長度長、孔徑大、定位精度高, 可以在較大范圍水域內對多個目標跟蹤測量。局限是: 系統構造復雜, 成本高; 基陣固定在海底, 沒有機動測量能力; 海底應答器坐標需要校準標定; 且測試數據的更新率低, 測試花費時間長。另外, 為了獲取更高的定位精度, 通常使用高頻或者甚高頻聲信號, 但是高頻信號在水中衰減速度快, 限制了系統的測試范圍。此外, 大范圍的目標測量必然涉及到長距離數據傳輸, 傳統的多頻頻移鍵控(M-ary frequency shift keying, MFSK)和多相鍵控(M-ary phase shift keying, MPSK)2種方法, 存在傳輸距離較短和環境適應能力弱的局限性, 影響了系統測試性能的發揮。值得關注的是近年來使用水聲擴頻技術的水聲調制解調器(modem)裝備逐漸投入使用, 具有較遠的傳輸距離和較低的誤碼率, 且環境適應性較強, 可以應用于水下外測系統的升級。

1.1.2 SBL測量系統

SBL測量系統通過測量目標聲信號到達陣元之間傳播時間差進而解算出目標的距離和方位等信息, 有海底(湖底)布放式和船載式2種布放方式。海底(湖底)布放通常用于內湖或是近海岸的試驗場, 船載式由于具有機動能力, 通常用于遠岸水下目標測量[7]。文中以船載式為例, 船載式SBL測量系統按照三角形或四邊形的形狀將水聽器安裝在大型船底部, 通常有3個基元就可以完成測量, 增加1個基元的冗余可以提高測量的精度, 一般基線長度在幾米到幾十米之間, 故稱為SBL測量系統。圖3為船載式SBL測量系統示意圖。

圖3 船載式短基線系統示意圖

SBL測量系統幾何模型和LBL基本相同, 有同步定位原理的“球面交匯模型”和非同步定位原理的“雙曲面交匯定位模型”, 通過各陣元測得的多個斜距值, 根據基元和船體坐標系的相對關系解算出目標的大地絕對坐標。但是, 目標的坐標位置受船體姿態影響, 需要配裝外部傳感器如GPS、運動參考單元(motion reference unit, MRU)、羅經(Gyro)來提供解算所需船體姿態、位置、船艏方向值等信息。目前, SBL測量系統是一種廣泛應用于水中兵器靶場的軌跡測量系統。另外, 澳大利亞Nautronix公司生產的NASD rill RS925型SBL定位系統能夠在全海區工作, 具備深海調查和勘探能力。我國也有類似的水聲高速目標跟蹤定位和導引系統(TOSS-I靶), 具有較高的數據刷新率, 可拆卸移動和軟件修正基陣等技術特點,接近國際先進水平[8]。

1.1.3 USBL測量系統

USBL測量系統的各基元之間的距離在幾厘米到幾十厘米的量級, 可以將所有的基元集成在1個收發裝置中, 組成聲基陣系統。其工作原理和SBL測量系統類似, 但是由于USBL測量系統各陣元之間距離很小, 故只能測得聲信號到達各陣元的相位差, 解算目標方位角和俯仰角, 并由系統測得信號傳播時間解算目標斜距, 實現目標定位, 系統模型如圖4所示。圖5為USBL的幾何模型圖。

圖4 超短基線系統示意圖

圖5 USBL系統幾何模型圖

由于USBL測量系統也是安裝在船體, 其測得目標方位信息受船體姿態影響很大, 同樣需要安裝外部傳感器確定船體姿態, 以得到精確的目標坐標。目前, 挪威Kongsberg Simrad公司的HIPAP-700是世界上唯一可在10 000 m水深工作, 定位精度達0.5 m的測量系統[1], 法國Oceano Te- chnologies公司的相關產品可達6000 m以上的工作深度和8000 m的作用距離, 廣泛應用于深海目標定位和水中兵器試驗的軌跡測量以及水下機器人的定位和導航領域[9]。近年來, 我國USBL測量系統設備研發也取得了重要進展, 哈爾濱工程大學研制了首套擁有完全自主知識產權的“長程USBL定位系統”已達到8 000 m的作用距離, 定位精度達到了5‰[10]。

當前, USBL定位系統有如下發展方向。

1) 和LBL測量系統組合使用, 提高定位精度和擴大作用范圍。

2) 與多普勒計程儀組合使用, 實現水下無人系統的導航和定位。

3) 加裝水下通信系統, 同時實現系統的定位和通信功能(美國LinkQuest公司已有產品[8])。

4) 優化陣型設計, 如構建立體陣, 增加信息的冗余度, 提高定位精度。

單獨使用現有某一定位系統, 系統定位精度已達瓶頸, 將LBL、SBL、USBL系統等多方面的測量信息, 利用人工智能和神經網絡算法的進步, 實現有效的信息融合, 是定位系統發展的重要方向。例如國外的Oceano公司、Honeywell公司和Simard公司都推出了綜合定位系統, 既可以發揮USBL測量系統機動靈活的優勢又兼具LBL系統高定位精度的優點。

1.2 水中兵器彈道被動式聲學測量系統機理

被動式聲學測量系統將目標的輻射噪聲作為聲信號實現定位測量。其應用的技術主要有: 三元子陣定位技術、匹配場(matched-field proce- ssing, MFP)定位技術、目標運動分析(target motion analysis, TMA)定位技術[9]。

1.2.1 三元子陣定位技術

圖6 三元陣被動定位模型圖

由式(4)可解算得目標的方位角和距離信息, 并進一步算得其坐標信息, 實現目標定位和軌跡測量。

在被測目標距離很近時, 波陣面的曲率足夠大, 各陣元能有較高的時延測量精度, 可獲得較好的末彈道測量效果[10]。但是, 受到基陣孔徑的限制, 隨著探測距離的增加, 波前曲率變化率逐漸減小, 相對時延誤差逐漸增加, 因而距離測量誤差也增大。

1.2.2 MFP定位技術

MFP定位技術的基本原理是通過基陣測得的聲場參數, 選定一個聲場參數已知的傳播模型, 對該模型下不同方位和距離的聲場與測量聲場進行互相關運算, 相關度最大的聲場對應的方位和距離就是目標聲源處的方位和距離, 其實質是根據基陣處實測聲場和理論預測聲場的匹配性估計參數, 確定目標位置的一項技術, 核心主要是3個方面。

1) 選擇能夠精確描述聲場的水聲信道模型。

2) 確定實際和模擬聲場分布的匹配函數。

3) 選擇高精度、穩健、快速匹配場處理算法。

MFP可克服傳統幾何定位法受到聲信號傳播的多途效應、簡振波的相干性和平面信號場模型的限制, 實現超遠程目標定位。但是, MFP受環境參數測量誤差較大、布陣要求高和計算量大等條件的限制, 對高速目標跟蹤測量仍較難實現。

自20世紀80年代起, 隨著信號處理和傳感器技術的發展, 可借助被動聲吶系統得到較高精度測得目標方位、距離和深度, 較精確預測聲場環境參數并構建了較高精度的評估模型, MFP技術也取得了長足的發展。目前, 美國相關實驗系統定位精度已經達到1 m的量級。國內已有相關裝備樣機裝艇試驗, 取得了30 km作用距離, 約12%~15%測距精度的試驗效果[9]。實現MFP技術在水平方向基陣的使用、高速運動的跟蹤定位和MFP的寬帶信號算法將成為未來研究的熱點。

1.2.3 TMA定位系統

TMA定位系統的彈道測量方法主要是利用平面波傳播模型, 測量目標方位等參數, 并估計目標速度、距離等運動參數, 形成目標彈道的一種被動測量方法。純方位TMA主要依靠單基陣聲吶被動測量目標的方位信息來估計目標的距離、航速和航向等運動參數。純方位被動水聲定位原理如圖7所示。圖中:和是2個方向性陣元, 2個陣元之間距離為;點為陣元之間中點;為目標聲源到達基陣中心的距離。

圖7 純方位目標運動分析定位模型圖

由于受限于基陣和被測目標同時勻速直線運動, 則目標運動不可測, 需要測量平臺至少機動一次, 限制了該方法的實際應用[11]。在此基礎上, 科研人員經過大量的試驗研究, 逐漸發展了以多基陣信息融合技術為基礎的方位-多普勒TMA技術、方位-時延差TMA技術和時空積分STI-TMA技術等方法, 從而實現對目標軌跡的精確估計。方位-多普勒TMA是通過測量目標輻射噪聲的頻率信息, 經過目標方位和頻率聯合估計目標運動參數, 測量平臺不需要機動, 有較高的實用性。時空積分STI-TMA是為了克服傳統TMA先檢測、后定位, 需要高信噪比和長處理時間的局限, 通過直接處理基陣測量數據, 利用能量積分克服方位和頻率隨時間變化的限制, 增加積分時間, 提高低信噪比目標檢測能力。方位-時延差TMA以使用多基地聲吶為背景, 利用各基地聲吶測得的方位信息和互相關器測得的目標信號時延差, 實現精確TMA。以上方法和傳統純方位TMA相比, 計算量大, 因此快速算法是這些方法實現的關鍵因素。

被動式水聲彈道測量系統優勢在于不依賴在目標加裝聲信標, 只憑借目標輻射的噪聲信號確定目標運動軌跡, 測試效率高, 受環境限制小。但是, 被動式測量系統也存在測量精度低、實時跟蹤能力弱的局限性, 有待進一步解決。目前, 國外尚無公開報道被動式水下彈道測量系統的研究現狀, 國內主要有東南大學研制的魚雷彈道測量系統(YTM)[12]。

2 基于慣性場的水中兵器彈道內測技術

內測法作為外測法的重要補充和輔助測量手段, 在水中兵器的試航試驗、跟蹤活動靶性能和脫靶量測量等方面有著廣泛的應用。內測系統利用自身的慣性組件(inertial measurement unit, IMU)記錄加速度、角速度和深度等航行參數, 監視水中兵器的姿態和航跡, 測試完成打撈出水后, 經過數據處理獲得目標的航行姿態和航跡[3], 評估武器裝備性能和部隊訓練水平, 但存在不能實時獲取目標的姿態和軌跡信息的局限。

彈載內測系統的慣性組件直接安裝在彈體上, 受水文環境影響較小, 具有比較高的測量精度, 測量結果可靠性較高, 通常作為外測參數的對比值。但是, 實際系統的IMU等設備安裝誤差的存在和各種電子線路和測量裝置的噪聲造成實際彈道測量誤差的存在。故如何通過有效的數據處理, 提取精確的目標信息, 仍是獲取較高精度姿態和航跡的關鍵。現代水中兵器內測系統的核心元件IMU普遍使用光纖陀螺儀替代傳統機械式陀螺儀, 具有體積小、抗干擾能力強, 能瞬時啟動的優點。

20世紀以來內測系統發展階段大概為: 20世紀50年代以機械敏感元件為核心的測量裝置; 60年代以電子元件為核心的測量裝置; 70年代末我國研制出第1款魚雷的定深裝置; 80年代以后, 各國均在大力發展以微處理芯片為核心的測量系統, 如美國的“MK48ADCAP”、意大利的“A290”、英國的“Spearfish”等, 其基本原理如圖8所示。

圖8 微機化內測系統結構原理圖

內測系統測量記錄裝置由20世紀50年代的機械式記錄裝置, 如速度儀記錄水中兵器的航行時間、速度、深度、橫滾角變化量等信息, 分析裝備性能; 發展到60年代的光線示波器、磁帶記錄儀等; 到80年代以來的內測微機系統, 具有體積小、存儲量大、通用化程度高的優點, 有效降低了研發成本, 廣泛應用于各型水中兵器。測量的信息也從最初單一的模擬量發展到數字量, 現代化內測系統還可以記錄水中兵器的噪聲信號、聲學圖像信號, 實現了圖像化的記錄處理[13]。

3 基于光場的水下光學彈道測量技術

水中兵器彈道光學測量系統主要利用波長在450 ~550 nm之間的藍綠激光衰減系數比其他光波段要小很多(約為0.01/m), 故海水存在一個藍綠光的透光窗口這一特性而設計。圖9中, 水下光學彈道測量系統主要由激光收發器、激光掃描系統和信號處理基站等幾部分組成, 通過至少3臺標定坐標的激光收發器以相同的掃描速度發射激光形成空間光幕區域對目標進行跟蹤, 當目標處于光幕區域內, 激光收發器接收目標反射光信號, 通過激光探測器感知光波信號的強度變化, 解算目標到探測器的距離, 并由純斜距定位模型求得目標的坐標, 擬合出水中兵器的彈道。

圖9 水下光學彈道測量系統原理示意圖

激光測量的主要難點是水介質通過吸收和散射作用使激光在傳輸中衰減。吸收主要表現為激光能量的衰減, 可以通過發展高質量、大能量的激光和單光子探測技術提高激光抗吸收損失的能力, 目前也取得較好進展。散射是激光傳輸方向的改變, 分為前向散射和后向散射, 是目前影響探測效果的最大障礙, 主要表現如下。

1) 由于激光在水中傳輸速度快、水介質的后向散射強, 導致遠處反射光信號比近處反射光信號在極短的時間內有很大的衰減。

2) 激光波束的脈寬很窄(≤10 ns), 很難變換到頻域進行信息提取, 只有提高信噪比才能提高時域的信息提取能力, 但水中噪聲干擾強烈而復雜, 測量精度很難保證。

解決以上技術難點, 多從過濾散射光, 提高信噪比的角度著手, 主要有距離選通技術、偏振接收技術和同步掃描技術。

從上世紀80年代起, 美國、俄羅斯、瑞典等國家先后研制出基于Nd: YAG激光器的機載激光探潛探雷系統, 探測深度均已經達到30 m以上, 有較好的實用性能, 如美國卡曼公司的Magic Lantem 90, 西屋電氣的SM2000系列正廣泛應用于軍事和民用領域[14]。近年來, 國外海軍正在發展可以安裝在艦艇和無人水下航行器上的水下激光成像和測距系統, 用于水下探測、反潛和獵雷等相關任務。我國在這方面起步較晚, 只開展了一些預先研究, 和國外先進國家有較大的技術差距[15-16]。

未來應著力攻克水介質散射導致激光測量精度不高的技術難點, 積極發展高功率、高指向性、小型化的激光器, 進一步提高水下目標探測能力, 使激光測量系統成為水中兵器試驗、水下偵測的重要手段。

4 水下彈道測量技術展望

隨著水中兵器性能不斷提高, 和相關測量定位技術的發展進步, 并結合水中兵器試驗、訓練和作戰使用的新要求, 水下彈道測量技術發展趨勢如下。

1) 鑒于現有單一定位系統測量精度難以得到較大提高且水中兵器試驗、訓練的多目標、大范圍科目明顯增加, 現有定位跟蹤系統難以勝任。因此, 應借鑒國外先進經驗, 重點發展大型綜合水下彈道測量系統, 利用信號處理和信息融合技術, 提高定位精度和多目標同時跟蹤定位能力。

2) 在部隊實戰化訓練的大背景下, 許多場合不便在水中兵器上加裝聲信標或者應答器等設備, 限制了主動測量系統的使用, 使得高精度、實時性強的被動定位系統有廣闊的應用前景[17]。其中研究人員應重點關注以多基陣信息融合技術為基礎的TMA技術和以精確傳播模型為基礎的MPF技術被動定位系統的發展, 實現對目標軌跡的有效、可靠測量。

3) 隨著遙控水下航行器、自主水下航行器的廣泛應用, 不僅需要精確定位水下無人系統, 還應注重在系統加裝多普勒計程儀、水下通信系統等設備, 適應未來應用的多功能需要。但是受到水文環境的限制, 傳統的方式數據傳輸率低, 誤碼率高。因此, 水聲擴頻技術等新興水下數據傳輸方式, 應引起足夠重視。

4) 基于光場的水下定位系統主要還是受限于水介質對激光強烈的衰減和散射作用, 仍需重點突破渾濁水體的激光散射抑制和超擴散傳輸理論[18]。因此, 實現水下激光在多重散射背景下的遠距離傳輸, 是未來水下激光定位系統發展的重要方向。

5) 基于慣性場的水下定位系統IMU的安裝誤差和陀螺漂移是不可避免的, 應利用神經網絡等新算法優化誤差估計, 同時改進捷聯慣性測量系統姿態算法, 提高測量精度。光纖陀螺本身精度對測量精度有重要影響, 應將三軸高精度高可靠光纖陀螺儀作為重點發展方向。

水中兵器和水下定位系統性能提升是一個螺旋上升的過程, 互為彼此、相互促進。唯有緊跟技術發展方向, 深入研究新型水中兵器目標特性變化, 不斷推動水下測量系統技術提升, 才能滿足現代海軍水下武器裝備研制、定型和訓練使用的需求。

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(責任編輯: 楊力軍)

Present Situation and Prospect of Trajectory Measurement Techniques for Underwater Weapons

ZHANG Si-yu, HE Xin-yi, ZHU Lin, LIU Yang, CHEN Shuang

(Naval Research Academy, Beijing 100161, China)

Underwater weapon trajectory measurement system is based on underwater acoustic positioning technology. Its measurement accuracy of underwater trajectory is closely related to the performance evaluation of underwater weapon in terms of approval test, training and operational application. In view of trajectory measurement of underwater weapons with high precision, this paper sums up systematically the existing underwater weapon trajectory measurement techniques. According to the differences of physical field and application background, the existing measurement techniques are divided into three categories: 1) the active and passive underwater trajectory measurement techniques based on sound field; 2) the internal trajectory measurement techniques of underwater weapons based on inertial field; 3) the underwater trajectory measurement techniques based on optical field. Their technical principles and performance characteristics are discussed, respectively. Considering the developing trend of torpedo and other underwater weapons towards high maneuver and low noise as well as the demand for extending their operational training to open sea, development directions of the three kinds of measurement techniques are predicted to provide a reference for the research in this domain.

underwater weapon; trajectory measurement; underwater acoustic positioning

TJ630; TJ410.6

A

2096-3920(2018)04-0283-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.04.002

張思宇,何心怡, 祝琳, 等. 水中兵器彈道測量技術現狀和展望[J]. 水下無人系統學報, 2018, 26(4): 283-290.

2018-05-02;

2018-07-02.

張思宇(1992-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為魚雷自導與水聲信號處理.