一种新型水下双应答目标模拟器的设计与实现

李通旭，张效民，韩 冲，陈 瑜

（1.西北工业大学 航海学院, 陕西 西安 710072；2.浙江大学 城市学院 , 浙江 杭州 310015）

在水下自导系统[1-2]的开发过程中，需要一种设备模拟目标的回波，辅助完成自导系统的调试及实验参数设定。目标模拟器可代替目标舰艇，在一定条件下模拟舰艇的反射声信号和辐射噪声信号，用于考核鱼雷、声弹、深水炸弹等税种兵器性能的训练、试验用的声学靶标[3]。本文介绍了一种基于DSP及MCU的低功耗实时多用途水下目标模拟器[4-6]，该系统模拟目标的声学反射特性，接收主动探测信号并根据实验需求模拟潜艇目标的反射回波信号特征，可在有相邻干扰的情况下应答最多两个主动探测信号。该目标模拟器具有小型化，实时的特点，目标模拟器的参数可以通过上位机实时设定，大大提高了系统的灵活性。该目标模拟器已经成功用于水下自导系统的开发，经过消声水池的实验和湖试的验证，性能满足实际需求。

1 总体设计

目标模拟器的电子系统主要由宽带模拟前端、数字处理及功率放大器三部分构成，系统结构如图1所示。其中宽带模拟器前端负责对原始信号进行调理，包括信号滤波、放大和检波。信号处理模块主要负责信号的检测及参数解算。换能器模块负责声信号与电信号之间的转换。磁罗盘用于模拟器水中姿态测定，水压传感器用于水深的测定。

图1 目标模拟器系统构成图Fig. 1 Structure diagram of target simulator system

1.1 模拟信号预处理模块

由于宽带模拟前端接收到的信号十分微弱，并且起伏很大，这就需要对输入信号进行调理放大，滤除频带外的噪声，以便于后续的数字处理。如图2所示模拟信号预处理模块主要包括前置放大、AGC控制、放大检波四部分。根据接收换能器的林密度及最大使用水深，其技术指标如下：

1)接收机灵敏度：S=0.8 mV；2)接收机固定增益：K=75 dB；3)接收机AGC压缩比：C= -30 dB,输入信号变化≥35 dB，输出信号变化≤8 dB；4)接收机通带宽度：ΔB0=10 kHz（15 ～25 kHz），通带平稳度≤1 dB;5)接收机阻

图2 模拟接收通道原理框图Fig. 2 Structure diagram of receiving channel

带衰减：≥ 30 d B（ 10 ～15 k Hz , 25 ～35 k Hz）；6)接收机功耗：±5 V供电，功耗：I≤30 mA。

1.2 数字信号处理模块

数字处理模块用于对探测信号的实现在线分析以及应答回波信号数据流的生成，其原理框图见图3。高速A/D采用THS1206，该型芯片为四通道同步采样AD，最高采样率可达2MSPS。DSP选用了目前最先进的32位低功耗定点数字信号处理器TMS3205509A。MCU则选用了16位高性能单片机MSP430F5438，对主动探测信号的脉宽、到达时刻、频率及能量的估计由DSP与MCU并行处理完成。其中MCU0为系统管理模块，负责数据记录、模拟器工作模式管理、姿态数据采集、水压数据采集以及与岸上显控台的数据交互。MCU1、DSP1与MCU2、DSP2构成了两个独立的数字处理通道，分别完成对两个主动探测信号的不间断实时在线分析。

图3 数字处理模块框图Fig. 3 Structure diagram of digital processing module

2 软件设计

目标模拟器用于模拟目标的回波特征，因而必须可靠的判别出模拟器所接收到的主动探测脉冲信号的有无，并估计出脉冲信号的到达时刻（上升沿出现的时刻）、脉宽以及功率等3个参数。在此基础上，电子系统还必须根据目标模拟器当前的工作模式生成符合要求的应答回波信号。电子系统的软件可以分为探测脉冲检测和应答回波生成两大部分，其程序流程图分别如图4和图5所示。

图4 目标模拟器探测脉冲检测程序流程图Fig. 4 Flow chart of probe pulse detection program

图5 目标模拟器应答回波生成程序流程图Fig. 5 Flow chart of answering echo generation program

3 双主动探测脉冲信号的可靠检测及估计技术

假设目标模拟器所接收到的主动探测脉冲信号为信号1和信号2。信号1频率为15 kHz，信号2频率为16 kHz，信号时宽均为5 ms，信噪比0 dB，信号1的能量比信号2能量小约30 dB，系统采样频率为50 kHz，FFT分析样本点数为2 048点,得到的接收信号谱图如图6所示。

经过同样的255阶数字窄带滤波器后，作2 048点傅里叶变换，得到的谱图如图7所示。

由图6和图7对比分析可知，数字窄带滤波具有较高的处理增益，滤波后信号1能量比信号2能量高约24 dB，可实现信号能量相差较大情况下的可靠检测。

图6 接收信号谱图Fig. 6 Spectrum of receiving signal

图7 经窄带数字滤波后的谱图Fig. 7 Spectrum of narrowband digital filtering

4 结 论

水下目标模拟器原理样机调试完成后，在西北工业大学航海学院消声水池对原理样机系统进行了测试。经过湖试验证，该系统模拟目标信息完整、准确、功能可扩展，用户可以通过上位机实时监测模拟器的工作状态，并实现对模拟器目标参数的修改。该目标模拟器性能满足实际需求,已经成功应用于水下自导系统。

[1]杨秀庭,赵晓哲. 远程鱼雷目标主动声呐探测性能分析[J].兵工学报,2012,33(4):503-507.YANG Xiu-ting, ZHAO Xiu-zhe. Analysis of detecting performance of active sonar in long-rang torpedo[J]. ACTA Armamentarll, 2012,33(4):503-507.

[2]李志瞬. 鱼雷自信号与信息处理 [M]. 西安;西北工业大学出版社，2004.

[3] 陈晟,杨津骁,张洪华.基于DSP的水下目标模拟器[J].舰船科学技术,2011,33(11):97-99.CHEN Sheng,YANG Jin-xiao, ZHANG Hong-hua. Underwater target simulator based on DSP[J]. Ship Science and Technology,2011,33(11):97-99.

[4] 宋绪栋,刘鹏仲.一种水下多亮点目标模拟器的设计[J].声学技术,2012,31(2):188-192.SONG Xu-dong，LIU Peng-zhong. A design of underwater target simulator based on multi-highlight model[J]. Technical Acoustics,2012,31(2):188-192.

[5] Brill D, Gaunaurd G. Backscattering of sound pulse by elastics body underwater[J]. Appl. Acoustic, 1991,33:87-207.

[6] 郑琨,王英民,张争气.基于PCI的声纳目标模拟器设计[J].测控技术,2009,28(2):35-37.ZHENG Kun,WANG Ying-min,ZHANG Zheng-qi.Design of sonar target simulator based on PCI[J].Measurement&Control Technology,2009,28(2):35-37.