深水探測器

深水探測器是一種智慧型水中裝備，一般通過水下潛器布放於水中幾百至上千米範圍內，它能感知遠距離運動目標信號的強弱、 航速、航向等特徵，具有廣泛的商業用途。

基本介紹

• 中文名：深水探測器
• 外文名：depthsonde
• 適用範圍：海中數百米至數千米
• 功能：感知目標信號
• 核心元件：引信系統自動檢測系統
• 主要套用領域：科研 商業

套用

它能感知遠距離運動目標信號的強弱、航速、航向等特徵，具有廣泛的商業用途。

組成部分

該裝備一般由總體機械平台、保險儀表系統、電子檢控系統、引信控制系統及定深控制器等部分構成

引信系統

其引信系統由探測、識別、定位引信等組成，具備遠程目標（艦船）探測、識別、定位及目標攻擊點預測等功能，其工作引信一般為被動聲引信，它通過安置在其平台外表面的換能器基陣敏感物理場信號，經前置放大處理、信號調理、濾波、採集控制等電路處理後，由值更電路進行目標基本判別，當達到門限後，啟動信號處理電路，判斷是否屬於目標類型，並給出相應的攻擊區域及攻擊命令。以往考核其是否達到性能指標主要通過大量的外場目標/非目標通過特性試驗進行，通過其內部記錄裝置收集引信處理數據，並依靠特定分析程式統計目標探測、識別、定位及打擊機率，再結合實航目標軌跡進行比對來綜合評估其性能。這在產品研製過程中將花費大量的人力、物力、財力，並伴隨較大風險（主要指布放、打撈作業及丟雷風險），另外實航試驗往往是在較好海況下進行的，

目標及環境特性並不具備普遍性，對產品性能進行真實評估還需結合仿真驗證來進行，而且主要是通過產品半實物仿真來考核。由於深水探測器是在相對靜態環境下感知目標變化的，不處理和輸出位置、姿態等運動信息，其信息輸出不具備閉環反饋特徵，故其半實物仿真為開環結構仿真，其仿真的可信程度決定於仿真信號源在聯合時域及頻域範圍內的準確程度及仿真模擬器精度。就深水探測器聲引信半實物仿真而言，其關鍵技術在於信號源建模及半實物仿真實現方面

深水探測器聲引信敏感元件一般以換能器基陣方式排列在外表面，其中探測引信敏感元件由3～6個等間隔陣元組成的垂直線列陣構成，採用極性相關原理探測遠距離目標；識別引信通過單個敏感元件對信號頻段再分配及模糊隸屬度方式進行目標分類識別；定位引信敏感元件由3～5個等角度陣元組成的超短基線水平圓陣構成，採用廣義互相關的時延估計理論定位空間目標。

深水探測器聲引信信號源仿真結果分析

深水探測器聲引信敏感元件一般以換能器基陣方式排列在外表面，其中探測引信敏感元件由3～6個等間隔陣元組成的垂直線列陣構成，採用極性相關原理探測遠距離目標；識別引信通過單個敏感元件對信號頻段再分配及模糊隸屬度方式進行目標分類識別；定位引信敏感元件由3～5個等角度陣元組成的超短基線水平圓陣構成，採用廣義互相關的時延估計理論定位空間目標。

深水探測器聲引信半實物仿真

進行深水探測器聲引信半實物仿真所需的信號源模型設計思路，它是進行聲引信半實物仿真的前提，從仿真信號源的輸出形式與聲引信裝置連線方式分析，可以分為機械耦合對接陣方式的場信號聲引信半實物仿真和仿真信號源電信號注入方式的聲引信半實物仿真。由於深水探測器引信正常處理的信號頻段範圍為10～10kHz，它屬於低頻寬頻範疇，由於國內設計手段和工藝水平的欠缺和不足，還沒有相應頻段的發射換能器供選擇，不能復現信號源輸出的噪聲頻帶，也就無法考核聲引信設計性能，而採用對接陣方式的場信號包絡調製輸出在此頻段範圍也不甚理想，還不適宜作深水探測器聲引信半實物仿真，幸好深水探測器聲引信接收器在此頻段範圍回響較為平坦，這樣為電信號注入式半實物仿真提供了可能，以下就電信號注入式半實物仿真方式介紹研究方案及仿真結果。

以往深水探測器自動檢測系統由主控系統機和檢測接口機組成，前者主要承擔人機界面、時序控制、數學模型設計等內容，通過筆記本電腦及自製套用軟體實現；後者主要承擔典型信號源、通信接口、信號調理、外圍控制電路及供電電源模組設計等內容，通過單片機系統電路及相關數字電路和模擬電路實現。這種傳統設計模式使得上下位機間指令、控制信號採用並口傳輸模式、數據通信採用串口傳輸模式，採樣電路、電源模組、信號源輸出、開關繼電器切換等等均在同一塊板卡上實現，其通用性、電磁兼容設計及可靠性等方面難以得到保證，往往採用大量的軟體容錯、冗餘及硬體抗干擾措施來彌補系統總體設計上的不足。

深水探測器自動檢測系統主要完成裝備電子檢控、引信控制裝置及定深控制器等分系統的檢查，從檢測點覆蓋的類型來看，主要有直流電壓（0～30V）、交流電壓（0～10V）、方波周期採樣（4Hz）、工作時間、串口等類型，對於超過10V的直流電壓，需要通過信號調理衰減到10V範圍內，對於串口還需進行相應的電平轉換（TTL～RS-232）。由於三大分系統在物理過程上不可能同時進行檢查，所以很多檢測點可以共用相同的模擬通道，這樣可以最大限度地減少對採集板卡通道數量的要求，在實踐中，考慮用2塊PXI-6259多功能採集板卡進行檢測點的採集，同時兼顧擴展，由於某些被測點直流電壓上限超過採集卡輸入範圍（0～10V），為統一硬體檢測點設計結構，均將採樣點作了信號調理，將輸出到採樣板卡的電壓限幅到其有效範圍內，實際設計時取得分壓係數為3.6。對於直流信號，經一定數量的循環採樣後，通過中值平滑濾波作為採樣有效值；對於交流信號，經一定數量的循環採樣後，取其均方根值作為採樣有效值；對於周期方波信號，首先設定定時採樣頻率（如50ms），分別記錄每個周期內兩次上升沿或下降沿發生時刻，得出周期時間，然後採樣一定數量的周期信號求其均值作為有效值；對於工作時間，首先設定定時採樣頻率（如50ms），然後記錄工作起止時間得出有效值；對於串口類型，通過激勵或直接接收的方式，統計在一定時間內是否得到需要的信號來判斷是否有效

信號源設計是深水探測器自動檢測系統最關鍵的設計，為了驗證裝備使用性能，必須能夠模擬裝備使用環境的典型信號特徵，在該裝備使用環境中，必須模擬的有目標運動信號、水下遙控指令信號及滿足裝備引信控制裝置所需的水壓變化信號等。通常目標運動信號是由具有連續譜的寬頻噪聲和具有非連續譜（線譜）的單頻噪聲混合而成，而且是一類特殊隨機過程信號，它除了具有一定的功率譜結構以外，可以認為幅度是呈高斯分布的。隨機信號理論指出，服從高斯分布的隨機信號通過線性系統後，輸出信號具有相同的分布。因此構造一個線性系統，具有與要求的目標輻射噪聲頻譜形狀相同的頻率回響，輸入具有恆定功率譜的高斯白噪聲，使之通過該線性系統，即可得到與要求的目標輻射噪聲功率譜形狀相同的有色噪聲。依據以上的基本思路，通過構造一個有限衝擊回響數字濾波器來實現以上功能。其具體算法是：首先根據要求的幅度頻率回響向量形式進行插值，然後進行傅立葉反變換得到理想濾波器的單位脈衝回響，最後利用窗函式對理想濾波器的單位脈衝回響進行截短處理，由此得到FIR數字濾波器的係數。通過計算，我們分別得到目標運動信號模型曲線、通過特性曲線及功率譜特性曲線，在物理實現時，將具有一定時延特徵的時域模型一次性寫入三塊PXI-5421板卡中，並通過同步產生機制控制在幀時間內（50ms）通過信號源板卡同步產生具有一定相差或時延的有色噪聲信號，限幅在0～2V間，並通過功率放大電路及經指定頻帶消聲處理的揚聲器實現場信號轉換，從而可以最終載入至裝備敏感元件上，。對於遙控指令信號，由於它是通過不同低頻單頻信號組成的碼元通過不同延時來實現遙控噪聲源，在實踐中，筆者通過不同標準頻率的正弦信號（其譜成份為單頻）進行順序組合來實現遙控指令噪聲，它也是通過一塊PXI-5421實現的。至於引信控制裝置所需的變化水壓信號源，通過分析其動作機理過程，採用PXI-6259中的D/A功能模組實現。