[科普中国]-深水探测器

应用：

它能感知远距离运动目标信号的强弱、航速、航向等特征，具有广泛的商业用途。

组成部分：该装备一般由总体机械平台、保险仪表系统、电子检控系统、引信控制系统及定深控制器等部分构成

引信系统：其引信系统由探测、识别、定位引信等组成，具备远程目标（舰船）探测、识别、定位及目标攻击点预测等功能，其工作引信一般为被动声引信，它通过安置在其平台外表面的换能器基阵敏感物理场信号，经前置放大处理、信号调理、滤波、采集控制等电路处理后，由值更电路进行目标基本判别，当达到门限后，启动信号处理电路，判断是否属于目标类型，并给出相应的攻击区域及攻击命令。以往考核其是否达到性能指标主要通过大量的外场目标/非目标通过特性试验进行，通过其内部记录装置收集引信处理数据，并依靠特定分析程序统计目标探测、识别、定位及打击概率，再结合实航目标轨迹进行比对来综合评估其性能。这在产品研制过程中将花费大量的人力、物力、财力，并伴随较大风险（主要指布放、打捞作业及丢雷风险），另外实航试验往往是在较好海况下进行的，

目标及环境特性并不具备普遍性，对产品性能进行真实评估还需结合仿真验证来进行，而且主要是通过产品半实物仿真来考核。由于深水探测器是在相对静态环境下感知目标变化的，不处理和输出位置、姿态等运动信息，其信息输出不具备闭环反馈特征，故其半实物仿真为开环结构仿真，其仿真的可信程度决定于仿真信号源在联合时域及频域范围内的准确程度及仿真模拟器精度。就深水探测器声引信半实物仿真而言，其关键技术在于信号源建模及半实物仿真实现方面

深水探测器声引信敏感元件一般以换能器基阵方式排列在外表面，其中探测引信敏感元件由3～6个等间隔阵元组成的垂直线列阵构成，采用极性相关原理探测远距离目标；识别引信通过单个敏感元件对信号频段再分配及模糊隶属度方式进行目标分类识别；定位引信敏感元件由3～5个等角度阵元组成的超短基线水平圆阵构成，采用广义互相关的时延估计理论定位空间目标。

深水探测器声引信信号源仿真结果分析深水探测器声引信敏感元件一般以换能器基阵方式排列在外表面，其中探测引信敏感元件由3～6个等间隔阵元组成的垂直线列阵构成，采用极性相关原理探测远距离目标；识别引信通过单个敏感元件对信号频段再分配及模糊隶属度方式进行目标分类识别；定位引信敏感元件由3～5个等角度阵元组成的超短基线水平圆阵构成，采用广义互相关的时延估计理论定位空间目标。

深水探测器声引信半实物仿真进行深水探测器声引信半实物仿真所需的信号源模型设计思路，它是进行声引信半实物仿真的前提，从仿真信号源的输出形式与声引信装置连接方式分析，可以分为机械耦合对接阵方式的场信号声引信半实物仿真和仿真信号源电信号注入方式的声引信半实物仿真。由于深水探测器引信正常处理的信号频段范围为10～10kHz，它属于低频宽带范畴，目前由于国内设计手段和工艺水平的欠缺和不足，还没有相应频段的发射换能器供选择，不能复现信号源输出的噪声频带，也就无法考核声引信设计性能，而采用对接阵方式的场信号包络调制输出在此频段范围也不甚理想，还不适宜作深水探测器声引信半实物仿真，幸好深水探测器声引信接收器在此频段范围响应较为平坦，这样为电信号注入式半实物仿真提供了可能，以下就电信号注入式半实物仿真方式介绍研究方案及仿真结果。1

自动检测系统以往深水探测器自动检测系统由主控系统机和检测接口机组成，前者主要承担人机界面、时序控制、数学模型设计等内容，通过笔记本电脑及自制应用软件实现；后者主要承担典型信号源、通信接口、信号调理、外围控制电路及供电电源模块设计等内容，通过单片机系统电路及相关数字电路和模拟电路实现。这种传统设计模式使得上下位机间指令、控制信号采用并口传输模式、数据通信采用串口传输模式，采样电路、电源模块、信号源输出、开关继电器切换等等均在同一块板卡上实现，其通用性、电磁兼容设计及可靠性等方面难以得到保证，往往采用大量的软件容错、冗余及硬件抗干扰措施来弥补系统总体设计上的不足。

检测点设计深水探测器自动检测系统主要完成装备电子检控、引信控制装置及定深控制器等分系统的检查，从检测点覆盖的类型来看，主要有直流电压（0～30V）、交流电压（0～10V）、方波周期采样（4Hz）、工作时间、串口等类型，对于超过10V的直流电压，需要通过信号调理衰减到10V范围内，对于串口还需进行相应的电平转换（TTL～RS-232）。由于三大分系统在物理过程上不可能同时进行检查，所以很多检测点可以共用相同的模拟通道，这样可以最大限度地减少对采集板卡通道数量的要求，在实践中，考虑用2块PXI-6259多功能采集板卡进行检测点的采集，同时兼顾扩展，由于某些被测点直流电压上限超过采集卡输入范围（0～10V），为统一硬件检测点设计结构，均将采样点作了信号调理，将输出到采样板卡的电压限幅到其有效范围内，实际设计时取得分压系数为3.6。对于直流信号，经一定数量的循环采样后，通过中值平滑滤波作为采样有效值；对于交流信号，经一定数量的循环采样后，取其均方根值作为采样有效值；对于周期方波信号，首先设定定时采样频率（如50ms），分别记录每个周期内两次上升沿或下降沿发生时刻，得出周期时间，然后采样一定数量的周期信号求其均值作为有效值；对于工作时间，首先设定定时采样频率（如50ms），然后记录工作起止时间得出有效值；对于串口类型，通过激励或直接接收的方式，统计在一定时间内是否得到需要的信号来判断是否有效

信号源设计信号源设计是深水探测器自动检测系统最关键的设计，为了验证装备使用性能，必须能够模拟装备使用环境的典型信号特征，在该装备使用环境中，必须模拟的有目标运动信号、水下遥控指令信号及满足装备引信控制装置所需的水压变化信号等。通常目标运动信号是由具有连续谱的宽带噪声和具有非连续谱（线谱）的单频噪声混合而成，而且是一类特殊随机过程信号，它除了具有一定的功率谱结构以外，可以认为幅度是呈高斯分布的。随机信号理论指出，服从高斯分布的随机信号通过线性系统后，输出信号具有相同的分布。因此构造一个线性系统，具有与要求的目标辐射噪声频谱形状相同的频率响应，输入具有恒定功率谱的高斯白噪声，使之通过该线性系统，即可得到与要求的目标辐射噪声功率谱形状相同的有色噪声。依据以上的基本思路，通过构造一个有限冲击响应数字滤波器来实现以上功能。其具体算法是：首先根据要求的幅度频率响应向量形式进行插值，然后进行傅立叶反变换得到理想滤波器的单位脉冲响应，最后利用窗函数对理想滤波器的单位脉冲响应进行截短处理，由此得到FIR数字滤波器的系数。通过计算，我们分别得到目标运动信号模型曲线、通过特性曲线及功率谱特性曲线，如图3～5所示，在物理实现时，将具有一定时延特征的时域模型一次性写入三块PXI-5421板卡中，并通过同步产生机制控制在帧时间内（50ms）通过信号源板卡同步产生具有一定相差或时延的有色噪声信号，限幅在0～2V间，并通过功率放大电路及经指定频带消声处理的扬声器实现场信号转换，从而可以最终加载至装备敏感元件上，。对于遥控指令信号，由于它是通过不同低频单频信号组成的码元通过不同延时来实现遥控噪声源，在实践中，笔者通过不同标准频率的正弦信号（其谱成份为单频）进行顺序组合来实现遥控指令噪声，它也是通过一块PXI-5421实现的。至于引信控制装置所需的变化水压信号源，通过分析其动作机理过程，采用PXI-6259中的D/A功能模块实现。2