測定水下以及水面目標(biāo)的位置是聲納系統(tǒng)的重要任務(wù),目標(biāo)的位置由目標(biāo)的弦角(或方位角)和距離決定。聲納脈沖偵察模塊作為聲納偵察系統(tǒng)的一部分,擔(dān)負(fù)著測向和測距的任務(wù)。聲納脈沖偵察模塊通過測定三路信號的時(shí)延差以及時(shí)延差的差來測定目標(biāo)的方位和距離。

    隨著電子技術(shù)的發(fā)展,水聲設(shè)備也加速了更新?lián)Q代的步伐。水聲設(shè)備的發(fā)展方向應(yīng)該是現(xiàn)代化、小型化、智能化,一些原來用硬件實(shí)現(xiàn)的功能可以由軟件來完成,這為功能的更新和發(fā)展提供了極大的便利。正是順應(yīng)這一趨勢,作者結(jié)合實(shí)際進(jìn)行了聲納脈沖模塊的改造。如圖1所示,聲納脈沖偵察模塊可以分為兩大部分:模擬部分和數(shù)字部分。現(xiàn)只就聲納脈沖偵察模塊數(shù)字部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。下面介紹聲納脈沖偵察模塊的測向測距原理、硬件設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)。

    圖1聲納脈沖偵察模塊系統(tǒng)框圖

    1聲納脈沖偵察模塊測向測距原理

    目前,被動測距聲納主要有兩種類型:共形陣和拖曳式線列陣,它們都是直線陣。共形陣在艦艇殼體上配置三對(左、右舷側(cè)各三個)子陣。陣元的布放可分為對稱陣和非對稱陣。對稱陣的三個陣元在直線上等間距布放,非對稱陣的三個陣元的間距之比是1:2。對于三元陣來說,對稱陣和非對稱陣的測向、測距原理是相同的。由于陣型的差異,非對稱陣和對稱陣在測距計(jì)算、距離模糊的范圍、時(shí)延測量誤差對測距誤差的影響等方面也存在差異。

    下面以非對稱陣為例給出測向測距原理[1～2]。如圖2所示,設(shè)三元非對稱陣首中陣元的間距為d,目標(biāo)方位角為θ,目標(biāo)到各陣元的距離分別為r1、r2、r3,其中,r2為要測定的目標(biāo)距離r。

    圖2三元非對稱陣測向及測距模型

    在極坐標(biāo)系中,設(shè)目標(biāo)的坐標(biāo)為s(r,θ),三個陣元的坐標(biāo)分別為1:(d,0),2:(0,0),3:(2dπ),聲速為c,目標(biāo)信號到達(dá)各個陣元的時(shí)延差分別為τ12、τ23、τ13。其中,τ12表示陣元1、2接收信號的時(shí)間差,τ23表示陣元2、3接收信號的時(shí)間差,陣元1、3接收信號的時(shí)間差τ13為τ12和τ23兩者之和。稍加分析和推導(dǎo)可得到在遠(yuǎn)場的目標(biāo)方位的近似公式為:

    2設(shè)計(jì)需求分析

    2.1聲納脈沖偵察模塊的主要任務(wù)

    聲納脈沖偵察模塊需要完成的任務(wù)主要為:在搜索狀態(tài)下實(shí)時(shí)檢測聲納脈沖的到達(dá),并快速測量聲納脈沖的頻率和目標(biāo)的方位;在跟蹤狀態(tài)下,進(jìn)一步解算出目標(biāo)的距離以及聲納脈沖的重復(fù)周期,給出置信度。

    2.2輸入輸出接口

    聲納脈沖模塊的輸入信息包括:左右舷的艏、舯、艉共六路已放大濾波的陣元信號;存儲在eprom中的陣長、水聽器陣基線和艦艇的艏艉線之間的夾角和誤差修正表;實(shí)時(shí)測得的水中聲音的傳播速度;跟蹤命令。輸出信息包括:搜索狀態(tài)和跟蹤狀態(tài)顯示信息;解算出的頻率、方位、距離等數(shù)據(jù);故障自檢結(jié)果。

    2.3軟件對硬件的要求

    按照偵察模塊功能要求,系統(tǒng)軟件的工作主要由三個進(jìn)程構(gòu)成,如圖3所示。系統(tǒng)平時(shí)工作在實(shí)時(shí)檢測進(jìn)程;一旦檢測到聲納脈沖,系統(tǒng)就進(jìn)入數(shù)據(jù)存儲進(jìn)程,將由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)據(jù)存入存儲器;完成數(shù)據(jù)存儲之后進(jìn)入數(shù)據(jù)解算進(jìn)程,解算之后的結(jié)果輸出給顯控臺,然后重新進(jìn)入檢測進(jìn)程。上述過程將一直循環(huán)往復(fù)。

    圖3系統(tǒng)工作進(jìn)程圖

    2.3.1實(shí)時(shí)檢測計(jì)算量

    在實(shí)時(shí)檢測進(jìn)程中,外部六路陣元輸入信號由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行同步并行采樣。根據(jù)系統(tǒng)要求,每路采樣頻率為1mhz。數(shù)字