鱼雷主动声引信仿真试验技术探讨＊

(91388部队91分队 湛江 524022)

1 引言

目前鱼雷上使用的引信主要有磁引信、电磁引信和声引信三种。声引信因具有体积小、重量轻等特点,在鱼雷上具有更好的应用前景。目前声引信已成功应用于国内外多型反潜鱼雷[1],国外已经建立比较完善的鱼雷全雷仿真试验系统,国内尚无声引信仿真试验平台。传统的湖、海试验方法虽然可靠,但由于其规模大、周期长、成本高,限制了试验次数,从而影响系统整体性能的评估[2]。另外,受武器系统破坏性和试验环境可控性差等因素限制,实航试验无法满足武器系统全部战技指标考核所要求的复杂作战环境[3],以上这些严重阻碍了声引信的保障和研发,迫切需要设计一种实用的声引信仿真试验系统。

2 鱼雷主动声引信的工作原理与仿真试验方法

2.1 鱼雷主动声引信的工作原理

鱼雷声引信的工作原理与声自导和一般声纳系统类似,声引信发射机向海水中发射一定频率的声脉冲,该声脉冲被目标、海面或海水中的其他散射体散射,其中一部分散射波被声引信接收机接收,声引信对其进行信号处理,判别出目标存在并在引信作用半径以内后引爆鱼雷的装药。

2.2 鱼雷主动声引信的仿真试验方法

鱼雷主动声引信仿真试验系统就是要在实验室条件下模拟声引信工作的海洋水声环境。系统以基于PXI总线的虚拟仪器为硬件基础[4～5],利用海洋声传播模型,构建声引信工作的模拟海洋水声环境。通过声对接技术实现真实鱼雷声引信与仿真试验系统的声连接。仿真试验系统在接收到鱼雷声引信发射信号以后,根据设定的初始条件和边界条件,给出各种干扰信号或者包含各种干扰信号的回波信号,声引信根据接收信号判断有无目标存在及目标距离是否达到触发门限值。

3 系统组成及工作原理

系统原理框图如图1所示。系统的工作原理为：系统启动时,先确定是工作在反潜工况还是反舰工况,仿真系统采集一次声引信发射信号,对该信号进行分析,得到其中心频率和带宽,同时根据初始和和边界条件以及混响模型产生相应的混响信号时间序列,将混响与各种其他干扰信号一起通过PXI总线写入波形采集和回放模块,系统根据鱼雷与目标当前的距离,产生相应的延时和衰减值,将干扰回波进行DA转换以后叠加输出,通过对接换能器将电信号转换成声信号被鱼雷声引信换能器接收,鱼雷声引信根据该信号判断与目标的距离,从而控制引信动作。引信动作的起爆电压信号通过边界条件以及混响模型产生相应的混响信号时间序列,将混响与各种其他干扰信号一起通过PXI总线写入波形采集和回放模块,系统根据鱼雷与目标当前的距离,产生相应的延时和衰减值,将干扰信号经过分压处理,反馈给仿真系统,仿真系统根据当前仿真的状态和引信动作信息,对引信是否合格给出结论。

图1 仿真试验原理图

4 系统各部分的设计探讨

4.1 声对接装置

声对接装置主要由基座、对接换能器和透声橡胶组成。对接装置要求实现对接换能器与声引信换能器准确机械耦合并有一定的均匀压力;透声橡胶必须均匀无杂质,且声阻抗与海水一致。声对接装置及其与PXI机箱的连接关系如图2所示。

图2 声对接装置示意图

4.2 DDS组件

DDS技术[6]是一种新兴的直接数字频率合成技术,具有频率分辨率高、频率切换速度快、切换相位连续、输出信号相位噪声低、可编程、全数字化易于集成、体积小、重量轻等优点,因而在各领域得到广泛应用。本系统采用Analog Devices公司的AD9850[7]。该芯片具有如下特点：采用+3.3V或+5V供电;125M的时钟频率;32位频率控制字;5位相位控制字。能产生频率为0.029Hz～62.5 MHz的正弦或方波信号,并能附加11.25°、22.5°、45°、90°、180°以及他们之间任意组合的相位。能在-40℃～85℃的温度范围内可靠工作。采用3.3V供电时功耗仅为155mW。DDS结构原理图如图3所示。

4.3 接口技术

本地控制逻辑与PCI总线进行数据传输,必须设计接口。目前设计接口普遍采用接口芯片加上CPLD实现[8～9]。本系统采用S5920[10]实现接口设计。S5920是AMCC公司推出的一种PCI总线接口芯片,它可被视作S5933的子集。与之相比,S5920减少了总主控的功能,但其它性能与之相仿或有所增强,但价格降低了很多。因此,在无需进行总线主控的场合,使用S5920具有更高的性价比。S5920的主要特点如下：符合PCI2.2标准的总线目标/受控设备;具有最高132M字节/秒的传输速率;具有可编程的预取和等待状态;带有4个集成32位读写FIFO的直通通道;外加总线可工作于主动或被动状态;具有直接操作的信箱数据锁存/中断引脚和直接操作的PCI和外加总线中断引脚;支持即插即用;支持串行nvRAM(非易失性RAM)和可选的外部BIOS;采用160脚PQFP封装。

图3 DDS结构原理图

4.4 AD/DA转换技术

本系统采用ADS831[11]及AD9709[12]实现AD/DA转换。ADS831采用+5V单电源供电,内含一个8位编码器,高带宽跟踪保持器以及高精确的内部参考源。也可由用户设置使用外部参考源。最高采样频率为80MHz。

AD9709是一个高速双通道8位CMOS数模转换器。它在一个48脚的LQFP封装里集成了两个高质量的T xDAC+核心,一个参考电压源以及数字接口。主要特点如下：双通道,8位DA转换,最高125MSPS的采样率,采用3V或5V单电源供电,功耗仅为380mW。

5 仿真试验系统软件设计

本系统软件设计采用LabVIEW图形化编程语言,软件完成采集数据的分析、回波信号的产生以及试验流程的控制。试验流程图如图4所示。

图4 仿真试验流程图

系统工作时,软件对声引信发射信号进行采集,得到发射信号脉宽,并对其进行频谱分析,得出发射信号中心频率。在一定的频率范围内按照给定的频率间隔发射声信号,采集声引信系统的输出信号,从而分析得出接收通道的工作频率。在模拟目标距离范围内,通过模拟连续两个或三个回波脉冲、间隔一个或两个周期的回波脉冲,观察引信的动作和抗干扰能力。引信延迟时间通过软件记录回波信号给出到引信动作的时间得到。

6 结语

本文针对目前国内尚无鱼雷主动声引信仿真试验系统的现状,首先介绍了鱼雷主动声引信的工作原理和仿真试验方法;从模拟声引信工作的海洋水声环境入手,对构建鱼雷主动声引信仿真试验系统进行探讨,给出了系统组成和工作原理以及系统各部分的硬件设计和仿真试验流程,对鱼雷主动声引信仿真试验技术研究有一定的指导意义。决定系统仿真试验结果可信度的关键因素是海洋声传播模型的可信度,系统如何更真实地反映各种初始和边界条件对声引信声信号传播的影响,最终给出更真实的模拟声信号,进一步提高仿真试验结果的可信度,尚待进一步研究。虚拟仪器和声对接技术在国内外已得到广泛应用,本文给出的仿真试验方法在理论和实践上都是可行的。

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