声纳系泊状态功能检查评估系统设计与实现

摘 要：针对舰艇声纳装备码头条件下功能和性能无法进行检查的问题，研制了声纳系泊状态功能检查与评估系统。以球鼻艏声纳为研究对象，依据声纳主要功能和实际测量需求，提出测量的主要内容；根据测量主要内容对测量系统进行总体设计；在此基础上完成了码头分系统、移动分系统和平台分系统的硬件和软件设计；讨论了舰船回波噪声和主动回波信号的产生方法和流程；研制完成了声纳系统状态功能检查与评估系统，实现码头现场对声纳的测量和评估功能。

关键词：声纳；系泊试验；基阵；功能检查；

充分、及时和全面的掌握声纳功能和技术状态对于声纳操作员甚至作战指挥员至关重要。然而在实际使用过程中，一般条件下声纳操作员和指挥员很难做到。只有处于航行状态下，在配合舰艇合作运动条件下，声纳装备的性能才能被充分全面掌握[1]。這种条件对于刚刚等级修理完成后需要完成航行试验的舰艇都是比较苛刻的，对于未进行等级修理的舰艇更加无法保证。随着服役声纳的种类和数量的快速增加，演训和护航等重大任务频次的增多，急需一型能够在舰艇等级修理完成后或者重大演训任务前，在码头系泊条件下完成声纳基本功能检查和性能评估的测量系统。

本文以舰艇球鼻艏声纳为测量研究对象，对评估系统的组成进行研究，研究评估系统的分系统的组成、功能，各分系统之间的数据通信模式，分系统主要软件模块和功能，最后对仿真信号产生的算法进行了详细讨论。

一、测量内容

根据球鼻艏声纳的主要功能和实际测量需求，确定测量系统的主要测量项目和内容：

（一）、发射系统测试

主要用于测量声纳发射系统发射的声信号是否满足该型声纳的技术指标要求[2，3]，包括发射信号的形式、频率参数、波形参数、声功率和方向性等。发射系统的测试需要在声纳工作发射信号覆盖方位内，空间布放一水听器采集发射系统发射的声信号，并将采集的信号发送至测量主系统，由测量主系统分析其信号形式是否满足发射要求。如果发射系统是全向的，可以采用声源与接收器的几何态势估算声源方向，在圆周上选取若干个方向测量发射响应，并给出响应曲线和发射指向性图。

（二）、接收系统测试

主要用于测量声纳接收系统功能和性能指标。包括接收系统接收信号的频段、波形、波束形成后的方位计算精度等。接收系统的测试需要在声纳接收信号覆盖方位内，空间布放一声源，该声源可以改变发射信号的频率、脉冲宽度、重复周期和信号形式，利用声纳显控台检查在各种模式下的接收功能；产生目标模拟信号，模拟目标的信号强度通过接收系统接收端的信噪比来确定。

（三）、声纳功能状态记录与评估

将各种工作模式的测试结果与技术要求种规定的指标进行比较，给出各种工作模式下的性能评价，建立评估体系模型，将测量得到结果存储作为后续测量的参考和评估依据。

二、系统设计

根据测量项目内容和基本的测试方法确定测量系统的总体设计。测量系统由码头分系统、移动分系统和平台分系统三大部分组成。如图1所示：

（一）、码头分系统

码头分系统完成对整个测试过程的调控、数据接收与存储、数据分析处理、测试性能评估以及对移动分系统的布放和回收等功能。码头分系统的主要组成部分有：显控一体机、网络交换机、地面视频监控系统、无人船控制系统、舰载监控系统、无线数传收发系统等组成。装载有显控软件的显控台一体机，通过网络交换机实现对，地面视频监控系统、无人船控制系统、舰载监控系统和无线数传收发系统的控制与数据交互，码头分系统的组成框图如图2所示：

（二）、移动分系统

移动分系统是评估系统的关键部分。该分系统位于一个可以由码头分系统遥控的无人航行器上，具备接收码头分系统控制指令、测试模拟信号的发射、声纳工作信号采集与发送等功能。测试时基本采用“走-停-测”模式完成在预定航线位置上的测量；在测量跟踪性能时采用“边走边发”的工作方式。

移动分系统的主要硬件包括：无人船体、电子舱、GPS接收机、无线数传天线、平台遥控天线、测深仪、支架、接收水听器和发射换能器等组成。平台分系统的结构组成示意图如图3所示。

其中电子舱分为两个部分：航行器控制组件与测试信号产生于数据采集组件。航行器航行控制由独立的嵌入式系统及其附属电路实现。测试信号的产生、发射接收信号的采集发送模块采用独立模块设计。信号产生发射与采集板的主要功能：一是接收上位机的换能器信号，控制功放的开启，输出给功放，最后在驱动换能器发声。二是采集水听器及测深仪的信号，发送给上位机软件。电子舱组成功能框图如图4所示：

（三）、平台分系统

平台分系统实现对声纳工作状态信息，待测声纳基阵处参考信号的实时采集，通过有线通信、直接电缆连接等方式与码头分系统组成测量系统是不可缺少的重要环节。平台分系统结构框图如图5所示：

对声纳工作状态信息的采集位于声纳舱，其数据传输需接网线与码头分系统交换机相连，待测潜艇球鼻艏处参考信号的采集位于外甲板基阵安装位置处，采用便携式采集模块进行采集，通过电缆与码头分系统连接并回传采集数据。电话通信装置位于声纳舱室，用于报送声纳操作与接收响应。

三、软件设计

整个评估系统的软件分为三个部分：码头分系统软件、移动分系统软件和平台分系统软件。

（一）、码头分系统软件

码头分系统软件由测控态势规划模块、测试数据处理与分析模块、声纳性能评估与预测模块组成。软件的组成框图如图7所示：

测控态势规划模块主要完成移动分系统测量点位的设计、被测声纳信息与测量水域信息的设置等功能。包含测控态势规划数据管理模块、测控态势规划模块与测控态势显示模块。

其数据传输需接网线与码头分系统交换机相连接，待测声纳基阵处的参考信号的采集位于外甲板基阵安装位置处，采用便携式采集模块进行采集，通过电缆与码头分系统连接并回传采集数据。电话通信装置位于声纳舱室，用于报送声纳操作与接收响应。

（二）、移动分系统软件

移动分系统软件主要包括：航行器移动控制模块、航行状态实时监测与校准模块、数据接收与分发模块、指令解析与控制模块、噪声信号产生模块、主动信号产生模块、侦察信号产生模块、辐射强度控制模块、采样控制与分析模块、数据分类编码模块、数据发送与校验模块等，具体关系如图7所示。

（三）、平台分系统软件

平台分系统软件主要用于控制、采集声纳反馈信息和潜艇基阵处参考水声信号等，主要包括：声纳反馈信息半自动采集模块、声纳显示信息采集模块和参考信号采集模块。

声纳反馈信息半自动采集模块根据测试功能，将声纳工作信息由操作员实时输入反馈信息，并通过无线网络发送至码头分系统进行声纳性能综合评估。

声纳显示信息采集模块利用摄像头实时采集声纳工作信息，并通过有线双网口网络发送至码头分系统实时显示。

参考信号采集模块与移动分系统工作的设置一致，实时采集基阵处声信号并发送至码头分系统进行处理。

四、测试信号设计

（一）、舰船辐射噪声仿真

对舰船噪声的仿真可归结为对随机信号相关特性或功率谱特性的仿真。在现代声纳检测和识别的过程中，利用了舰船噪声平稳连续谱、低频线谱和包迹谱（时变调制谱）的特性。舰船噪声时变功率谱可表示为[4]：

G（t，f）=GX（f）+GL （f）+M（t）M（f）GX （f）

其中GX（f）为平稳各态历经高斯过程的连续谱，GL （f）为在频率上离散分布线谱，M（t）M（f）GX （f）是谱级受到周期调制的时变功率谱。M（t）称为调制函数，代表连续谱所受到的周期时变调制；M（f）为调制深度谱，反映不同频率成份所具有的不同调制程度。

1、平稳连续谱

舰船噪声是螺旋桨空化及船体振动等因素所形成，它由平稳连续谱，时变调制谱和线谱三部份组成[ ]。平稳连续谱是舰船噪声中最主要的成份，采用以下二参数模型：

GX （ω）= a/[a2+〖（ω+ω0）2]+a/[a2+〖（ω-ω0）2]

在声纳工作频率内，平稳连续谱近似以每倍频程–6dB规律下降。基阵信号模拟器采用自回归谱拟合技术，通过改变自回归滤波器的参数获得具有指定谱状的舰艇噪声时间序列输出。

2、舰船噪声低频线谱

舰船线谱实质上是一组具有特定频率、幅度和初相的单频信号，可按照单频信号的方法分别产生然后再进行迭加。各单频信号的频率、幅度和初相应与指定值相符合。低频线谱的分布与舰船型号有关，也与舰船所处深度有关[6]，本评估系统的每个目标可产生三根具有指定频率，指定幅度，指定多普勒频率漂移的线谱信号时间序列。

3、舰船噪声包迹谱

舰船噪声包迹谱来源于螺旋桨对辐射噪声的包络调制，其结果使得噪声的包络出现一列具有谐频关系的线谱。包迹谱仿真可通过对舰船噪声的幅度调制来实现。改变调制脉冲的周期和调制脉冲三的结构可以获得不同包迹谱特性的噪声序列。

4、算法流程

自回归滤波系数计算：根据指定的舰船噪声信号功率谱形状，解算出相应的自回归滤波系数。

白噪声产生：采用混合乘同余法产生伪随机白噪声序列，作为自回归滤波器的激励噪声源。

包迹谱控制参数计算：把指定的主轴转速、螺旋桨叶片数，调制深度等螺旋桨特征参数，转换为对自回归谱拟合进行时变调制的控制参数。

时变调制控制：根据包迹谱特征，对自回归滤波运算实行时变调制控制，使输出的噪声具有指定包迹谱特征。

时变自回归滤波：用白噪声激励具有特定系数的自回归滤波器，进行舰船噪声谱拟合，实现舰船噪声连续谱的仿真。在时变调制的控制下，该滤波器成为一个时变滤波器，实现舰船噪声包迹谱的仿真。

低频线谱产生：根据指定的线谱频率，线谱幅度，线谱频率和幅度的飘移，通过迭代算法产生出一组低频线谱时间序列。

噪声信号谱级控制：根据接收噪声级对仿真的舰船噪声进行幅度控制，使得指定频率上模拟器输出的舰船噪声具有指定的谱级。

（二）、主动回波仿真

主动回波则是本舰声纳发射经目标反射和双程传播到达声阵的脉冲信号。与噪声类随机信号不同，主动回波信号都属于可以用显函数表示的确定性信号，都可以按函数表达式计算产生。本声纳评估系统采用迭代算法产生各种单、调频信号，速度快，精度高，通用性好。通过改变迭代参数即可产生出具有不同特性的单、调频脉冲信号。主动回波算法流程如图9所示。

回波计时：从发射同步信号出现的时刻开始，按照设定的时间步长进行主动接收计时。同时根据目标距离和回波脉冲宽度计算出回波出现的计时区间。

回波区间判断：将主动接收计时和回波出现的计时区间进行比较，判断该点仿真是否处在回波期间，确定是否进入回波运算模块。

回波波形参数计算：根据回波的类型，回波中心频率及扫频宽度（调频脉冲）计算出回波信号的三阶相位迭代量。

回波波形序列计算：利用相位迭代量进行迭代计算，在回波期间连续的给出回波时间序列。

回波幅度控制：根据目标回波级对仿真的回波的时间序列进行幅度控制，使得模拟器输出的目标回波具有指定的回波级。

五、结论

声纳系泊状态功能检查与评估系统先后完成了技术方案设计、系统软硬件技术研发、部队测试验证等环节，采用遥控式无人航行器搭载声发射与采集系统对舰艇声纳进行码头系泊条件下的功能测试与性能评估，完成了声纳目标信号仿真、水面无人航行器声纳性能测试目标仿真与控制等技术，实现了对于声纳各项功能性能进行测试与评估的功能。

参考文献：

[1]盛成明.舰载声纳发射机参数测试系统的设计与实现[J].中国修船.2011，52：49-50.

[2]鲍勃R J.水下电声测量[M].郑士杰，译.北京：国防工业出版社.1977：1-20.

[3]郑士杰，袁文俊，缪荣兴，等.水声计量测试技术[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1995：4-30.

[4]李启虎.声纳信号处理引论.[M].海洋出版社，2000.

[5]朱锡清，唐登海，孙红星等.船舶螺旋桨低频噪声研究[J].水动力学研究与进展，2000，15（1）：74-81

[6]孙红星，朱锡清.螺旋桨离散谱噪声计算研究[J].船舶力学，2003，7（4）：105-109

作者簡介：

唐锁夫（1974-），男，海军702厂工程师，研究生学历，主要研究方向声纳信号处理、声纳装备修理.