一种小型水下运动目标定位系统的设计

　　1　引言

　　水下目标定位是利用声传感器阵列和电子装置接收目标信号,通过计算声信号到达不同声传感器阵元的时间延迟,来估计目标位置的一种技术。水声定位系统可分为合作目标、声传感器阵列、信号处理和数据处理等部分。合作目标即是被测量的目标,它能发射用于测量的合作信号;声传感器阵列在空间布设成一定的几何形状,对合作信号进行取样,获得目标的原始数据;信号处理部分把接收到的采样信号,转变成能反映目标声场特征的有用信号,形成观测数据,基本的观测量有:相位、时延、频率、多谱勒频移以及目标方位等;数据处理部分是把观测量变换成目标的位置参数:方位、距离、航向、速度等[1]。为了对火箭末制导深弹的水下运动情况进行观测,文中提出了一种小型水下目标运动轨迹测试方案,通过采用高精度的时延估计方法,阵的尺寸可以控制在1m以内。该测试系统由接收系统和发射系统两大部分组成。接收系统安装在固定水域或小船下方,发射系统安装在水下目标尾部。系统采用正交十字形水听器阵,接收水下目标发射的合作信号,并根据基阵参数和信号到达时间估计深弹水下的运动轨迹参数。测量的数据送往PC机,经过坐标转换后,在屏幕上实时的显示出水下目标的运动曲线。

　　2　系统工作原理

　　测试系统由发射系统和接收系统两大部分组成。发射系统主要由波形生成电路、调制器、功率放大器和发射换能器等部分组成。波形发生电路通过从EEPROM中读取波形数据,然后经过D/A转换,可以比较灵活的获得所需要的合作信号波形。所有电子电路和换能器均安装在水下目标尾部,发射换能器均匀的布放在深弹尾部外壳的圆周上,以发射接收机所需的合作信号。

　　接收系统主要由十字阵、前置预处理、信号处理和计算机组成。由十字阵接收来的四路弱信号经过滤波、放大、动态范围控制等前置预处理后,送往信号处理部分。信号处理主要完成水下目标特征的提取及目标参数的解算,目标参数包括:目标的入射角、方位角及目标与阵之间的斜距。涉及的运算有快速FFT、时延估计、参数解算等。计算机通过串口接收信号处理后的结果,并在应用软件中以图形的形式显示出水下目标的运动轨迹。发射和接收系统的原理图如图1所示。

　　为了同步测距,在测试开始之前,需要把两部分系统的时钟进行校准,即发射系统能在时钟控制下定时、准确的发射合作信号;而接收系统能在时钟控制下定时、准确的产生一个中断信号,表明测距计时开始。通过电缆把两部分系统连接在一起,上电后,在校准程序控制下,待两部分的时钟同步并稳定后,再将其分开,各自独立工作。两部分系统的时钟是用单片机内部定时器实现的,因而单片机的外部晶振要有较高的频率稳定度,以保证定时器计时的准确性。