一种舰壳声纳通用系泊测试系统的设计∗

（海军七〇二厂 上海 200434）

1 引言

声纳是利用水下声信息进行目标探测、识别、定位、导航和通信的电子设备［1］。舰艇声纳技术在现代战争中发挥着越来越重要的作用［1～2］，随着海军的战略转型及实战化需要，舰艇部队加大了常态化的远航与实战训练，声纳装备的长时间高负荷的运行，对其可靠性提出了更高的要求，同时也对实时状态的完好性提出了新的要求［3］。但声纳普遍存在着在线状态下综合技术指标测试的困难，舰艇声纳作战部门很难及时、全面和准确的掌握声纳综合技战术性能的问题［5］。而能否在线实时掌握声纳功能和技术指标不仅对于提高指挥员与操作员的用装安全感与用装信心非常重要，对舰艇的航行安全也非常重要。目前，现役的水面舰艇和潜艇在线状态下声纳装备的检测与检查，只能依据声纳自检系统对干端（段）部分进行基础检测，而对湿端的状态监测却无有效手段［6～7］。由于缺少有效的水下目标信号源及信号处理系统，对声纳装备整体工作性能检查只能通过舰间的相互配合完成检测等功能，而在航舰艇间的协调配合周期会要很长，所需付出的时间、经济上的代价都会很大，所有舰艇的舰壳声纳都用这样的方式进行检查显然不太现实。因此，研制一套舰壳声纳在线状态下进行综合功能检测与评估的系统，将会弥补这一缺项。

2 总体构思

本测试系统拟实现对目前多型在役的舰壳声纳系泊状态下整机的主要技术参数的测量。根据现役的舰壳声纳模拟仿真不同工作状态下的工作信号、目标回波或噪声信号，完成对舰壳声纳的主动、被动和通信功能方面的功能测试及工作状态的自动评估。通过显控台的控制系统协调水下移动平台、超短基线定位和测试声纳之间的协同工作和数据共享，实现测试全过程、各信号和结果的可视性。

图1 测试系统基本原理图

测试系统基本原理如图1所示:在距离被测声纳r m，舰艏方位θ处放置一测试用声纳，用于发射目标模拟信号，接收被测声纳发射信号，从而完成被测声纳的各项功能测试。

2.1 发射系统功能检测

2.1.1 发射信号检查

用测试声纳的水听器采集被测声纳的发射信号，并将采集的信号发送至数据综合处理分析分系统，由评估分系统分析其信号形式，检查信号中心频率、脉冲宽度、信号带宽、脉冲重复频率等是否满足发射要求。

2.1.2 目标搜索和跟踪

用测试声纳接收被测声纳信号，接收到信号后进行目标回波模拟，根据模拟目标的距离，进行相应的信号延时和幅度衰减，应答式地发送回被测基阵，被测声纳可以进行方位更换，模拟目标的方位移动。通过模拟数据及测试声纳显控台读出的的数据进行比较分析，评估目标搜索和跟踪能力。

2.1.3 基阵发射指向性

当舰艇处于自由声场条件时，还可以利用测试声纳对基阵的发射指向性进行测量［7］。将测试声纳沿着以基阵声中心为原点，在满足基阵远场条件下，以r为半径的圆弧的不同方位上进行发射信号采集，并根据测量结果绘制出基阵发射指向性。由测试声纳换能器带来的指向性误差可以进行补偿。

2.2 接收系统功能检测

2.2.1 噪声目标检测检查

将测试声纳放置于被测声纳工作发射信号覆盖方位内，产生目标模拟信号，其信噪比确保可稳定可靠观察目标。在设备规范规定的观察范围内随机设置多个目标方位，在每个方位上多次测量，统计计算误差的均方根值。通过声纳显控台读出的测量值与测试声纳模拟的数值之件的差值进行性能评估。

2.2.2 工作频带检测

测试方法与噪声目标检测类似，多点多次测量。只是测试声纳发射的是不同频点的信号，在被测声纳的信号调理端进行信号幅度检查。由测试声纳发射系统带来的频率起伏也可以进行补偿。

2.3 通信功能检测

通过相互应答的方式来实现对通信功能的检查，对电话、电报和电传报等功能进行检查。

3 实现方案

3.1 系统组成

测试系统主要由水下测试分系统、超短基线定位系统、显控和信号处理系统三个部分组成，测试系统检测示意图如图2所示。

图2 测试系统组成示意图

水下测试分系统主要包含水下移动平台（含摄像头、水下LED、深度传感器等）、声纳水下移动测试分系统工作时全部位于水下，并搭载测试声纳、超短基线定位应答器等电子载荷，完成被测声纳的测试工作和水下空间定位。

水下移动平台系统原理框图如图3所示。

图3 水下移动平台原理框图

类似于人脑中负责运动的运动神经元以及运动神经网络。水下移动平台的控制系统是整个系统运动的核心部分，用于实时处理观测系统提供的运动姿态数据，并对各推进器输出功率进行实时调整，以实现平稳的运动姿态。包括运动控制软件、水下通信接口、传输脐带缆（含绞盘）、姿态定位系统和控制软件。

水下移动平台用于搭载观测系统的各种传感器，以及接收水下移动平台控制系统下达的推进器转动指令。水下载体采用框架式结构，包含水下移动平台框架、水密耐压壳体、供电电池、配重浮块等。

超短基线定位系统由超短基线基站和应答器两个部分组成；其中超短基线定位基站由固定绳索或支架悬挂在水面舰艇或潜艇的舷侧水下（如图2），应答器由水下移动平台进行搭载（如图2）。工作时由基站向应答器不断发送声脉冲信号，应答器在接收到该信号后立即应答相应的信号给基站。基站的水听器按照三角形或直角进行布阵并共面，该面同时也作为基准平面，通过计算应答器应答信号到基线之间的相位差进行应答器的方位估计，同时计算斜距，从而完成对应答器的水下定位。该定位结果既可是应答器相对于基站接收阵坐标系，当超短基线定位系统配置北斗或GPS定位装置后，也可将目标水下定位的结果换算成大地坐标系的坐标。

3.2 软件设计

测试系统的软件主要由显控主程序、运动控制程序、观测系统程序三大部分组成，三个程序间的数据交换通过接口通信模块完成。

显控主程序由如图4所示的测试参数设置模块、声纳响应人工录取模块、测试态势显示模块，接口通信模块、数据波形显示模块、测试记录与管理模块、信号处理模块和声纳功能评估模块模块8个模块组成。

图4 显控系统软件框图

运动控制程序由运动姿态自动控制程序和接口传输模块两部分组成。

观测系统程序则由图5所示的信号源程序、温深盐解析模块、图像解析模块、导航及姿态解析模块和接口传输模块5部分组成。

3.3 测试信号仿真

主动声纳工作时的目标回波信号，被动声纳检测时目标的辐射噪声是声纳检测目标的关键因素［9～10］，“目标”信号的仿真度越高，对系统在线情况下的性能的检测也就可信度越高［10］，因此，系统将针对不同型号的装备，产生不同类型的仿真信号，对应检测被测舰壳声纳的相应性能。

图5 观测系统软件框图

3.3.1 主动回波仿真

主动回波是本舰声纳发射经目标反射和双程传播到达声阵的脉冲序列信号［9～10］。主动回波信号具有明显的发射信号的特征，可以根据被测声纳具体发射信号的形式，通过迭代算法产生。改变迭代参数则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6所示。

图6 主动回波信号算法流程

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。

回波期间判断: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。

3.3.2 侦察脉冲仿真

侦察脉冲是目标舰声纳发射经单程传播到达声阵的脉冲信号。现代声纳已经广泛使用各种长、短单频脉冲，线性调频脉冲，双曲调频脉冲及组合脉冲等各种形式信号［2］。

侦察脉冲算法流程如图7所示。

图7 侦察脉冲信号算法流程

脉冲期计时:根据脉冲重复周期和脉冲宽度，按照设定的时间步长计算脉冲持续期和脉冲间歇期。

脉冲持续期判断:将脉冲接收计时与脉冲持续期和脉冲间歇期进行比较，判断该仿真时刻是否处在脉冲持续期间，确定是否进入脉冲运算模块。

脉冲波形参数计算:根据侦察脉冲的类型，脉冲中心频率及扫频宽度（调频脉冲）计算出侦察脉冲的三阶相位迭代量。

脉冲波形序列计算:利用相位迭代量进行迭代计算，在脉冲期间连续的给出脉冲的时间序列。

侦察目标接收级计算:按照侦察方式声纳方程，由输入的目标声源级和传播损失，同时计入基阵垂直增以后，算出声阵基元接收到的侦察目标接收级。

侦察幅度控制:对模拟器输出的的侦察脉冲序列进行幅度控制，使其具有指定的脉冲级。

3.3.3 舰船辐射噪声仿真

螺旋桨噪声、机械噪声和水动力噪声是舰船噪声的三大主要来源。一般情况下，螺旋桨空化噪声谱具有平稳的连续特性，机械噪声谱则主要显现为低频部分的离散线谱。因此舰船辐射噪声谱可以用式（1）来表示［12］：

其中GX(f)为服从高斯分布的连续谱，GL(f)为在低频段上的离散线谱，M(t)M(f)GX(f)是受到周期调制的时变功率谱，主要是由于螺旋桨叶片周期转动对辐射噪声产生了调制而形成。

而具体仿真时，各具体功率谱的形式，则根据被测声纳的具体信号处理方式而选用不同的模拟函数进行仿真。

4 结语

测试系统采用水下移动平台，搭载测试声纳，利用超短基线定位装置对水下测试声纳进行定位，通过测试声纳收发系统进行提供声源和接收信号处理，水面上显控处理机接收测试声纳的实时测试数据，评估被测舰壳声纳的性能指标。采用小型化、模块化设计，可以满足多型号舰壳声纳系泊条件下测试和检验需求。测试系统降低了以往舰壳声纳测试的兵力配合需求，将大大提高现役声纳装备在线检测和测试效率，让舰艇声纳部门能够随时全面的掌握舰壳声纳的综合性能。