基于回波的单路探测双波发射动态控制方法

谭菊琴，李文鹏，陈荷娟

（南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094）

0 引言

主动超声探测技术是现代水中弹药近炸引信常用的技术之一，它依据目标返回的回波和目标声辐射特性实现目标精确定位，是实施精确打击的一种有效手段。当引信由弹药系统直接投送到目标区域，理想情况下，引信主动式声近感装置只需发射一种周期固定的恒定载频（constant frequency，简称CF）脉冲信号，因信号简单，通过判断回波有无就可实现“发现”目标的功能。当前，多数超声目标探测器已经具备这种“发现”功能。但是，对于水中弹药近炸引信来说，实际工作环境复杂，存在各种干扰（如海洋环境、舰船噪声、邻弹干扰等），实际上，从回波不能识别是探测器自身发射信号经目标反射的回波，还是其他物体（非攻击目标）反射的回波，从而会带来引信的误判断和误动作。解决这一问题的根本途径是要抑制干扰，提高引信对目标信息的获取水平。

关于引信主动探测的定位与目标识别研究中，多数研究集中于发射波形设计［1－3］和接收信号处理方法［4］。如文献［1—2］研究了窄带条件下调制信号探测性能，文献［3］研究了宽带条件下调制信号探测性能。上世纪九十年代末，南京理工大学陈荷娟、石建，提出了区分邻弹和目标的多普勒频偏控制方法［4］。为提高抗邻弹干扰，文献［5］在此研究基础上，提出了双门控制方法，解决了多普勒频偏法不能确认收到的回波是自身发射信号经目标反射的回波，还是其他探测器经目标反射的回波的问题。但是，现阶段主动声近炸引信的发射系统是采用单体制固定发射周期进行信号发射控制的，这种探测机制易丢失目标。因此，本文提出基于回波的单路超声探测双波发射控制策略。

1 双门控制法的控制特征

双门控制法的控制特征如图1所示。图1中s（t）是发射信号；r（t）是回波信号；g（t）是回波信号经接收电路处理后的输出信号，即控制器输入信号，g（t）＝0表示未收到回波，否则，g（t）＝1；d（t）为双门控制信号；τp1为信号脉宽；B为第一个控制门的最大门宽，τh为其延迟开门时间；Bk为第二个控制门的最大门宽；T是探测周期，从控制器开始工作到下一次开启时所经历的时间，T＝T1＋T2。为降低近距离体积混响，提高抗干扰的能力，只允许控制门内接收信号。

图1 双门控制法Fig.1 Double－gate control method

见图1，若t＝τm1，且第一个控制门d（t）＝1（τh＜t＜ （τh＋B））时，r（t）中出现信号CF／，即r（t）≠0，对应g（t）≠0，说明有物体出现，则在t＝τ1＝τm1＋τp1（假设为理想信道）时，立即使d（t）由“1”变为“0”，停止接收r（t）信号。为了确认信号CF′的性质，在关闭第一个控制门时，发射第2个CF信号。接着，在上次出现CF′信号前Bk／2时，开启第二个控制门，此时，d（t）由“0”变为“1”。若在τk1＜t＜ （τk1＋Bk）内，没有出现回波CF′，如图1（a），则说明第1次接收到的回波是非目标信号，可认为是干扰信号。如果第一个控制门内出现的是目标回波信号，只要t＜（1／2）T，在接下来的第二个控制门就会再次接收到回波CF′，见图1（b）。因此，第一个控制门具有发现目标的功能，故称作“发现门”；第二个控制门具有确认目标的功能，故称作“确认门”。从图中可知，门宽B、Bk受回波控制，且门宽B上限值不超过（T－τh）。

图1（a）所示s1（t）、g1（t）表达式为：

式中，uCF（t）为矩形包络CF恒频脉冲信号，f0是载波频率，rect（·）为矩形函数；n为整数：1，2，…，N。

图1（b）所示s2（t）、g2（t）表达式为

虽然，双门控制法简单、有抗干扰能力，但是，探测周期T固定，会影响探测器的响应。另外，它针对的是单波信号的发射控制，该探测体制无法获取更多目标特征信息。

蝙蝠不同的捕食行为具有特定捕食策略，它在捕食猎物时，按搜索、捕捉和结束三个阶段，实施捕食行为，其发射波形可根据捕食行为、目标距离自适应地调整。已经发现，有一种发射CF－FM波形的蝙蝠，它们在搜索阶段发射长周期含CF成份的超声波，一旦发现目标，立即改发含FM成份的超声波，以求获得目标精细信息，对目标进行识别；随着与目标的接近，还会逐渐减少脉宽、发射周期，保持对目标的追踪［6－7］。

2 基于回波单路探测的双波发射动态控制方法

本文在双门控制信号基础上，借鉴蝙蝠回声定位信号的发射控制策略，提出一种新的控制策略，旨在最大探测距离内，基于回波信息控制恒频、调频两种超声波形发射的自动切换。

2.1 仿蝙蝠超声探测的双波发射动态控制原理

仿蝙蝠超声探测双波发射动态控制系统结构框图如图2所示，它主要由信号发生器、发射控制电路、发射电路、接收处理电路和水声换能器组成。发射控制电路在电源控制下启动，控制信号发生器产生CF脉冲信号，经发射电路，由水声换能器1向水中发射超声波，探测器开始搜索目标。延时一段时间后，关闭发射系统，打开接收处理电路。若在信号发送接收最大探测周期Tmax内，换能器2未接收到r（t）信号（即r（t）＝0），或经判断无目标存在，则继续发CF超声波。若目标存在，且Tmax＞T＞Tmin（Tmin对应最小探测距离）时，发FM 超声波；T≤Tmin，立即输出起爆信号。

图2 双波发射控制系统结构框图Fig.2 Structure diagram of dual－wave emission control system

2.2 基于回波单路探测双波发射动态控制策略

控制策略如图3所示，设m（t）是控制信号；E（t）为起爆控制信号，若E（t）＝0表示不输出起爆指令，E（t）＝1表示输出起爆指令。

策略一：如图3（a）所示，打开“发现门”直至t＝Tmax，r1（t）＝0，做出“无目标”决策，不输出起爆指令，即E（t）＝0。在下一个探测周期，继续发射CF脉冲信号搜寻目标。此时，对应的发射信号s1（t）表达式为

策略二：见图3（b），r1（t）＝CF′，做出“有物体”决策，同时发射第2个CF脉冲信号，延时T1－Bk／2［5］，打开“确认门”允许接收r2（t）信号，直至“确认门”达到最大门宽Bk，r2（t）＝0，做出“无目标”决策，令E（t）＝0。在下一个探测周期，继续发射CF脉冲信号。此时，s2（t）为

策略三：见图3（c），若r1（t）＝CF′，且在“确认门”的门宽为Bk1（Bk1＜Bk）时，有r2（t）＝CF′，T2＞Tmin，则做出“有目标”决策，令E（t）＝0，同时改发FM脉冲信号。延时T2－Bk／2，打开第三个门（称“跟踪门”），跟踪目标。“跟踪门”内r3（t）＝0，说明无跟踪目标，做出“无目标”决策，令E（t）＝0，同时改发CF信号，重新搜寻目标。此时，s3（t）为

式中，uFM（t）是矩形包络三角LFM脉冲信号，表达式为：

式中，u1（t）＝ejπMt2（0＜t＜τp2／2），u2（t）＝ 1／u1（t）（τp2／2＜t＜τp2），M＝B／τp2调频斜率，B 为带宽。

策略四：见图3（d），“跟踪门”内r3（t）＝FM′，且T3＞Tmin，做出“有跟踪目标”决策，令E（t）＝0，继续发射FM 信号。此时，s4（t）为

策略五：见图3（e），当“跟踪门”内r3（t）＝FM′，但T3≤Tmin，确认攻击“目标”存在，输出起爆指令，即E（t）＝1。

图3 基于回波单路探测双波发射动态控制方法Fig.3 Control method for echo－based single－channel dual－wave emission system

3 仿真验证

设计了6个计时器，各计时器可用符号“Ji”（i＝1，…，6）表示，J1、J2、J3、J4、J5、J6分别为：信号脉宽计时器，时延计时器，信号发送接收周期计时器，“发现门”门宽计时器，“确认门”门宽计时器，“跟踪门”门宽计时器。

信号发射动态控制方法的实现，本质上就是对这6个计时器时序设计。按照上面的控制规则设置14个状态，分别是：S0、S1、…、S13，控制器的状态转换如表1所示。

表1 控制器状态表Table.1 Controller of status table

按照顺序控制原则，控制器的有限状态机状态转换图如图4所示。

图4 状态转换图Fig.4 State diagram

根据深弹引信的近炸作用要求，适当的选取延迟开门时间τh＝2.6ms，CF的脉宽τp1＝2ms、FM的脉宽τp2＝1ms，确认、跟踪门的最大门宽Bkmax＝3ms，信号发送接收最小周期Tmin＝19ms，最大周期Tmax＝30ms。设定：in＿pulse为回波g（t）信号输出端；WAVE＿OUT为对应的发射信号输出端；exposion为起爆控制信号输出端；open＿door为“发现门”；open1＿door为“确认、跟踪门”。

在Quartus II设计平台中设计了基于FPGA的控制器，并利用Modelsim对控制器进行时序仿真，仿真结果如图5所示。

图5 单路探测双波发射动态控制仿真Fig.5 Simulation for dynamical control of single－channel dual－wave signal emission system

图5（a）是策略一仿真波形，显示的是在open＿door＝1，Tmax＝30ms，没有收到in＿pulse信号对应的exposion及发射信号波形。

图5（b）是策略二仿真波形。open1＿door＝1，Bkmax＝3ms时，仍未收到in＿pulse信号对应的exposion及发射信号波形。

图5（c）是策略三仿真波形。显示的是目标存在，但是在跟踪目标过程中，将目标跟丢对应的exposion及发射信号波形。

图5（d）是策略四、五仿真波形。若控制门内连续两次收到in＿pulse，WAVE＿OUT就会输出脉宽为1ms的FM脉冲；若收到两次in＿pulse信号的时间间隔Ti≤Tmin，控制器则输出起爆控制信号，此时，WAVE＿OUT输出为“0”，exposion输出1。

从图5中还可看出，在控制门关闭时，即使有in＿pulse信号输入，也不会使控制器误动作，见图5（b）。

仿真结果表明，在发射环境开始后的近距目标探测中，对于单路探测系统（用单发－单收2个换能器，或者收发共用一个换能器）来说，如果发射含有CF、FM两种调制信号的超声波信号，可以在设定的探测周期内，完成发现、确认目标，并迅速做出决策，实时控制信号发射器调整发射信号和输出起爆指令。

4 结论

本文给出了用于引信水下超声目标探测系统的基于回波的单路探测双波发射动态控制方法。该方法借鉴蝙蝠回声定位信号的发射控制策略，设计了控制策略。发射控制系统可根据接收到的回波信息自动的选择信号发射策略，控制信号的发射时机及信号形式。仿真表明：该方法控制简单、决策迅速，实现了快速发现、确认目标回波信号的能力，提高了系统抗干扰的能力。为引信目标探测器的定位、跟踪功能提供技术支持。设计中接收的回波信息是经过处理的，对于回波信号的处理不是本文研究的内容，不在此熬述。

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