張平+吳鋒+王謙+丁晟

摘 要：針對兩棲裝備上登陸艦面臨的自動化程度較低、無法全天候?qū)嵤┑膯栴}，為提高惡劣海況和黑夜中的登艦作業(yè)能力，設(shè)計了一種兩棲裝備入艦引導(dǎo)系統(tǒng)。通過水下探測器接收到登陸艦發(fā)射的超聲定位脈沖信號，獲得當(dāng)前車輛的實際位置，發(fā)出車輛的位置和偏離航線信息，實現(xiàn)駕駛員盲視駕駛。針對系統(tǒng)兩個不同頻率的基站，提出了兩種不同的換能器帶寬技術(shù)方案。通過對發(fā)射模塊的指向性仿真，用換能器組成發(fā)射基陣。在此基礎(chǔ)上，完成車載信號模塊的硬件設(shè)計，并對三路寬帶脈沖信號進行仿真，驗證了導(dǎo)航算法的原理可行性。最后通過海上實車實驗，進一步驗證了算法的可行性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：兩棲裝備；登陸艦；引導(dǎo)系統(tǒng)；換能器

中圖分類號：TP391 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.10.010

渡海戰(zhàn)爭必定涉及到兩棲作戰(zhàn)的裝備輸送問題。目前，兩棲裝備的主要裝載方式是通過登陸艦在海上裝載。搶灘登陸前，必須由登陸艦將裝備運到敵方陣地前沿海域，然后讓裝備下水，遂行登陸作戰(zhàn)任務(wù)。為了提高部隊的機動性能，兩棲裝備的登艦常常需要在夜間進行，并常常伴有風(fēng)浪和洋流的影響。因此，兩棲裝備上登陸艦是一項技術(shù)難度很大的工作。而作為海上裝載最重要環(huán)節(jié)的登艦過程，基本上靠車長指揮駕駛員通過目視判斷登艦，自動化程度較低，亟需通過技術(shù)手段提高登艦的可靠性和效率。

本文從瀕海訓(xùn)練過程中發(fā)現(xiàn)的兩棲裝備碰撞損壞問題出發(fā)，總結(jié)得出目前存在以下幾個重要問題：①裝備靠人工導(dǎo)航登艦，登艦的方位容易偏離正確的行駛線路，發(fā)生戰(zhàn)車和登艦跳板鋼纜的碰撞事故，造成登陸艦艙門和車輛不同程度的損壞，如圖1所示。據(jù)統(tǒng)計，某部5年海訓(xùn)下海裝備故障統(tǒng)計，裝備上下登陸艦碰撞率在50%～60%之間，造成了開展海訓(xùn)演習(xí)大項任務(wù)后大量兩棲裝備需要維修。②如果碰撞嚴(yán)重，可能會撞壞兩棲裝備浮箱，影響裝備下水后的浮力，甚至撞壞登陸艦登艦跳板的牽引鋼纜，使艦艇不能登艦。在登陸作戰(zhàn)時，這樣的事故將大大降低裝備完好率，甚至影響戰(zhàn)局的成敗。③由于人工目視登艦，在裝備不能完全對準(zhǔn)艦艇艙門時，只能重新駛離艙門，重新開始下一輪登艦操作，影響作戰(zhàn)預(yù)備時間，降低作戰(zhàn)效率。④在風(fēng)浪較大的時候，僅靠人工目視指揮根本無法執(zhí)行登艦操作。⑤由于缺乏盲視登艦設(shè)備，目前登艦操作一般只能在白天進行，不符合實戰(zhàn)化訓(xùn)練的要求。因此，亟需研究一種性能可靠，適用于全天候復(fù)雜海況，類似于艦載飛機的盲降導(dǎo)航系統(tǒng)，應(yīng)用于兩棲裝備的高精度入艦導(dǎo)航，用來引導(dǎo)裝備以正確的航線和航行姿態(tài)登艦，減少裝備與登陸艦艙門的碰撞機率。

本課題的研究成果可以直接應(yīng)用于功能用途相近的裝備上，其主要意義如下：①提高惡劣海況下的兩棲裝備登艦?zāi)芰?，解決以往惡劣海況無法登艦的問題；②解決了夜間登艦的問題，使兩棲裝備的登艦從白天擴展到全天候登艦；③縮短了常規(guī)戰(zhàn)前預(yù)備時間，提高部隊快速反應(yīng)能力；④減少每年瀕海訓(xùn)練階段兩棲裝備的損壞率，降低日常維護費用。

從國內(nèi)外公開發(fā)行的資料和各種網(wǎng)上信息來看，目前沒有直接應(yīng)用于兩棲裝備入艦導(dǎo)航的專用系統(tǒng)。但從單純的導(dǎo)航和盲降、盲駛技術(shù)來分析，目前普遍使用的導(dǎo)航（引導(dǎo)）技術(shù)包括：GPS全球定位導(dǎo)航技術(shù)、基于GPRS和CDMA的定位導(dǎo)航技術(shù)、電磁感應(yīng)制導(dǎo)技術(shù)、磁制導(dǎo)技術(shù)、光學(xué)制導(dǎo)技術(shù)、艦載飛機著陸導(dǎo)航系統(tǒng)和汽車倒車引導(dǎo)系統(tǒng)。通過對從上述幾種導(dǎo)航技術(shù)的比較可以得出，這些常用的這些導(dǎo)航和引導(dǎo)技術(shù)都有各自應(yīng)用的領(lǐng)域，但對于兩棲裝備入艦導(dǎo)航并不適合。因此，必須從兩棲裝備的特點出發(fā)，設(shè)計一種性能可靠、精度高、適合海上作業(yè)的入艦引導(dǎo)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 基本功能及技術(shù)指標(biāo)

入艦引導(dǎo)系統(tǒng)工作示意圖如圖2所示，在半徑為200 m，發(fā)射角為120°的扇形工作區(qū)間里，各種兩棲裝備隨車安裝的導(dǎo)航系統(tǒng)通過水下探測器接收到登陸艦發(fā)射的超聲定位脈沖信號，通過車載終端的分析和計算，獲得當(dāng)前車輛的實際位置，通過駕駛員前的顯示屏，發(fā)出車輛的位置和偏離航線情況，實現(xiàn)盲視駕駛，提高惡劣海況和黑夜中的登艦作業(yè)能力。

因此，兩棲裝備入艦引導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：①解算裝備的運動參數(shù)。利用水聲定位與導(dǎo)航技術(shù)，解算裝備的運動參數(shù)，比如裝備與艦門中心線的偏離參數(shù)。②基于實時場景圖像的登艦引導(dǎo)。通過實時顯示裝備的當(dāng)前方位與艦門中心線偏離圖像信息，引導(dǎo)裝備向艦門的中心線航行并登艦。

系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)為：①50 m以外的測向誤差小于1°；②50 m以內(nèi)的測向誤差小于0.5°，測距誤差小于10%；③最大聲納導(dǎo)航范圍為150 m；④最大圖像引導(dǎo)范圍為300 m。

高精度導(dǎo)航系統(tǒng)主要由艦載設(shè)備、水下設(shè)備和車載設(shè)備所構(gòu)成。其中，艦載設(shè)備包括超聲信號源和調(diào)制器、發(fā)射機、射頻同步信號發(fā)射機和艦載電源；水下設(shè)備由發(fā)射換能器和接收換能器組、進艙電纜、水密接線盒等部件組成；車載設(shè)備主要由接收機、同步信號接收器、信號處理單元、嵌入式系統(tǒng)、車載觸摸屏和車載電源所組成。系統(tǒng)方案設(shè)計框圖如圖3所示。

1.2 分系統(tǒng)功能描述

各子系統(tǒng)功能描述如下。

1.2.1 信號發(fā)生及調(diào)制子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)產(chǎn)生的超聲信號與一般的測距系統(tǒng)不同，根據(jù)系統(tǒng)精度和響應(yīng)速度的要求，選擇一種調(diào)制的脈沖超聲波作為本系統(tǒng)的基站信標(biāo)。由于系統(tǒng)有兩個基站，所以分A、B兩套信號標(biāo)識系統(tǒng)，用不同的發(fā)射頻率進行同步發(fā)射，在接收機端分別用水聽器和接收器進行區(qū)分，獲得兩個基站的信號。

1.2.2 射頻同步信號發(fā)射器和接收器

同步控制器有兩個作用：①控制兩路信標(biāo)發(fā)生器在同一時間發(fā)射超聲波脈沖；②啟動接收電路計數(shù)器，接收電路先后接收到的兩路超聲波脈沖形成與距離成正比寬度的脈沖信號。其可分為一個發(fā)射模塊和三個接收模塊。

1.2.3 發(fā)射機

根據(jù)超聲頻率和換能器的不同以及作業(yè)范圍的大小，選擇設(shè)計高性能的超聲波信號發(fā)射機。本系統(tǒng)選擇的發(fā)射機功率在400 W左右。

1.2.4 發(fā)射換能器

超聲波換能器一般有磁致伸縮換能器和壓電晶體換能器兩類。屬于磁致伸縮換能器的有鎳片換能器和鐵氧體換能器。鎳片換能器的工藝復(fù)雜，價格昂貴，所以至今很少使用；鐵氧體換能器的電聲轉(zhuǎn)換效率比較低，一般使用1～2年后效率下降，甚至幾乎喪失電聲轉(zhuǎn)換能力。目前，廣泛使用壓電晶體換能器。這種換能器電聲轉(zhuǎn)換效率高，原材料價格便宜，制作方便，也不容易老化。常用的材料有石英晶體、鐵酸鋇（BaTiO）和錯欽酸鉛（PbTiZrO，簡稱PZT）。

1.2.5 水聽器

可以采用增壓型水聽器桿的方式來實現(xiàn)。增壓型水聽器桿是由多片壓電陶瓷PZT薄圓片按一定間距，同軸安裝在由兩個半圓拼合而成的長圓柱金屬桿內(nèi)。其形狀為長圓柱，也被稱為桿型水聽器。由于該水聽器的一階諧振頻率較高，特別適用于作為小信號的寬帶發(fā)射換能器或作為寬帶接收傳感器使用。

1.2.6 接收機和信號預(yù)處理單元

包括前置低噪聲放大電路、濾波電路和信號整形電路。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2 換能器方案論證

發(fā)射換能器的寬帶技術(shù)、發(fā)射機之間寬帶匹配技術(shù)以及接收基陣的減振、降噪技術(shù)是本課題的技術(shù)難點。目前，國內(nèi)市面上銷售的低功耗超聲波探頭，一般不能用于探測長距離。美國AIRMAR 公司生產(chǎn)的Airducer AR30 超聲波傳感器的作用距離很遠(yuǎn)，但價格較貴。目前作用距離近百米（空氣中）的換能器，一般工作頻率不高，為十幾千赫茲，功耗和體積較大，發(fā)散角較小，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)多為壓電晶體型，可承受大電壓，對電流要求不高。本系統(tǒng)中使用的長距離超聲測距傳感器也屬于壓電晶體型，考慮到超聲測距傳感器的性能、安裝尺寸和現(xiàn)場測試等問題，所選換能器的工作頻率范圍通常在10～20 kHz之間，同時增大換能器的輸出能量，可以制成較大作用距離的超聲波傳感器。為了獲得較好的聲場，發(fā)射換能器所發(fā)出的聲信號要具有理想的發(fā)射參數(shù)。為了實現(xiàn)換能器的寬帶工作，同時減小發(fā)射基元的研制風(fēng)險，將對多種方案同時研究，選取最佳方案來實現(xiàn)本課題的發(fā)射換能器。本系統(tǒng)有兩個基站，頻率不同，所以要求換能器有帶寬要求。

2.1 方案一：用匹配層換能器作為發(fā)射基元

一種方案是采用匹配層換能器來作為發(fā)射基元，如圖5所示。匹配層技術(shù)主要是在換能器輻射面與水介質(zhì)之間增加一層或數(shù)層具有一定聲特性阻抗的材料。粘貼匹配層材料對于換能器相當(dāng)于增加了參與振動的部件，或者說增加了負(fù)載質(zhì)量，換能器的基頻就會降低。由于匹配層材料的聲特性阻抗小于換能器上任意部件的特性阻抗，它的第二諧振頻率（厚度振動頻率）同樣降低，這就形成兩個靠近的諧振峰，從而拓寬了工作頻帶。這兩個諧振峰的大小和間距取決于匹配層的厚度、聲速、密度，也與換能器本身的特性有關(guān)，如圖6、圖7所示。

2.2 方案二：用特定的寬帶換能器

另一種方案是采用縱向振動與換能器前蓋板彎曲振動的相復(fù)合的寬帶換能器，如圖8所示。這類換能器的工作頻帶中有兩個模態(tài)參與振動：一個是換能器的縱向振動模態(tài)，另一個是換能器前蓋板的彎曲振動模態(tài)。換能器的實測電壓發(fā)送響應(yīng)和換能器的實測指向性如圖9和圖10所示。

3 發(fā)射基陣設(shè)計與仿真

發(fā)射基陣由48個發(fā)射模塊所組成，每個模塊包含有18個發(fā)射換能器，波束寬度為1°，其示意圖如圖11所示，發(fā)射基陣在縱向方向上的指向性如圖12所示。

為了使發(fā)射基陣具有比較大的波束偏轉(zhuǎn)角，單個發(fā)射換能器在水平維上必須具有足夠?qū)挼闹赶蛐裕磫蝹€發(fā)射換能器在水平維上的尺寸a≤λ/2。單個換能器的指向性如圖13所示。

兩個發(fā)射模塊在0°、-30°-60°和-75°時的橫向波束如圖14所示：

在兩個發(fā)射模塊中，在不同的相位延遲角下，所對應(yīng)的波束轉(zhuǎn)動角、指向性指數(shù)和指向性指數(shù)下降量如表1所示。

當(dāng)基陣進行大角度旋轉(zhuǎn)時，基元上的相位延遲角與實際波束轉(zhuǎn)動角之間會存在一定的偏離，我們稱之為主波束偏離。其產(chǎn)生的主要原因是基陣最終的方向性是由基陣因子（無方向性點元所構(gòu)成基陣的方向性）和基元方向性的乘積而成的，即：

當(dāng)θ=θ0時，基陣因子Ax（θ，θ0）=1，達(dá)到最大值；當(dāng)θ稍小于θ0時，盡管Ax（θ，θ0）略為減小，而基元方向性E（θ）卻有較大的增加，總的結(jié)果使作為E（θ）和Ax（θ，θ0）乘積的P（θ，θ0）有所增加，且在θ1處使P（θ，θ0）達(dá)到最大。此時，主波束偏離角為Δθ=θ1-θ0，基陣因子越小時，主波束偏離角就越??；基元因子越大，主波束偏離角也越小。這個現(xiàn)象在大角度掃描的基陣中都會出現(xiàn)的。

為了防止在大角度旋轉(zhuǎn)時出現(xiàn)比較大的旁瓣，對發(fā)射陣中的基元采取幅度加權(quán)。加權(quán)方案是采用線性衰減，其加權(quán)系數(shù)與基元的位置坐標(biāo)如圖15所示。

4 車載信號模塊設(shè)計

當(dāng)兩棲裝備入艦引導(dǎo)系統(tǒng)正常工作時，隨著兩棲車輛由遠(yuǎn)及近航行，車載換能器的輸出信號幅度會逐漸增大，信號最大幅度與最小幅度的比值達(dá)到50倍以上。如果放大器的放大倍數(shù)固定，很可能引起信號限幅現(xiàn)象。因此，在作A/D采樣前，必須動態(tài)調(diào)整信號放大器的倍數(shù)。這主要通過自動增益控制（AGC）模塊來實現(xiàn)。在車輛航行時，螺旋槳、結(jié)構(gòu)件的振動噪聲比較大。為了降低處理頻段之外的干擾對有用信號的影響，在前置信號調(diào)理器內(nèi)增加了有源帶通濾波器，很好地濾除了低頻和高頻聲干擾成分。

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計了車載信號模塊的硬件原理圖，如圖17所示。圖17中換能器端的前置放大、電路板1上的帶通濾波和TVG均屬于信號調(diào)理器，主要實現(xiàn)模擬信號的濾波、放大等功能。電路板1上A/D采集和大容量數(shù)據(jù)緩沖區(qū)用于采集模擬信號。電路板2上的信號發(fā)生器和功率放大模塊用于發(fā)射避障脈沖。工控機用于接收和處理數(shù)字信號、送顯處理結(jié)果，控制系統(tǒng)的運行等。

4.1 信號處理

兩棲裝備入艦引導(dǎo)系統(tǒng)的核心是實時估計裝備的對中偏角和距離。作數(shù)字處理信號時，先截取PCW信號，估計出裝備運動引起的多譜勒頻移，并對多譜勒頻移作補償，計算多組拷貝信號，然后對降采樣后的基帶信號作匹配濾波，計算三路寬帶脈沖信號到達(dá)車載接收換能器的時刻點，再計算它們的時延，最后利用球面波傳播模型計算出坦克對中偏角和距離，信號處理流程如圖18所示。

目標(biāo)的距離估計精度受制于發(fā)射基陣物理孔徑的大小。這是由于目標(biāo)距離越遠(yuǎn)，聲信號的球面波傳播模型越來越接近平面波模型，對中偏角的估計精度降低很少，但距離估計誤差越來越大。

4.2 模型仿真

對4.1中所述的球面波傳播模型進行計算機仿真，發(fā)射陣孔徑設(shè)置為8 m（即陣元間距為4 m），接收端在正橫方向（即0?方向），目標(biāo)的距離由遠(yuǎn)及近逐漸改變，利用球面波模型模擬出不同距離下的聲信號，再迭加各向同性、空間均勻的海洋環(huán)境噪聲，對此模擬信號作信號處理，估計目標(biāo)距離。多次作模擬，橫坐標(biāo)表示設(shè)定的距離，縱坐標(biāo)表示信號處理的估計結(jié)果。結(jié)果如圖19所示。

從圖19可以看出，隨著目標(biāo)距離的增大，估計出的距離越來越發(fā)散，即距離估計誤差在增大。這些仿真并沒有考慮多路徑傳播、多譜勒頻移、發(fā)射換能器的安裝位置誤差等因素，實際的距離估計誤差大于仿真值。

實際發(fā)射換能器陣的基陣孔徑約5.3 m，遠(yuǎn)處目標(biāo)的距離估計誤差非常大。根據(jù)海洋原理驗證實驗的處理結(jié)果和實際登艦引導(dǎo)的需求，初步選擇50 m作為一個門限。連續(xù)多批估計距離小于此值時，就認(rèn)為裝備已經(jīng)前進至50 m內(nèi)。此時，將繪制出距離-方向歷程圖，即裝備的近距離航跡圖。由于距離估計誤差較小，航跡圖比較連續(xù)，便于引導(dǎo)駕駛員登艦。否則，僅繪制方向歷程圖。

三路寬帶脈沖信號傳播時，所經(jīng)過的海洋信道接近，它們的多路徑傳播特征很相似，圖20表示復(fù)雜環(huán)境下的一組多路徑結(jié)構(gòu)圖，各個脈沖信號的多路徑特征有很多相似性，通過作譜相關(guān)處理就可以準(zhǔn)確估計出通道間的時延，從而準(zhǔn)確估計出裝備的距離和方向。

為了補償目標(biāo)相對運動引起的多譜勒頻移，先根據(jù)PCW信號粗算多譜勒頻移，再以此多譜勒頻移作為中心頻率，劃分一個可能的頻移區(qū)間。根據(jù)寬帶信號的多譜勒容限，生成覆蓋該頻移范圍的多個拷貝信號，分別與接收的寬帶導(dǎo)航信號作匹配濾波，如圖21所示。匹配濾波后的相關(guān)峰越高，說明多譜勒補償越好，最后選擇相關(guān)峰最高的相關(guān)譜作后續(xù)處理。

由于信號處理方案充分考慮到海洋聲道的復(fù)雜性并采取了必要措施，從幾次實驗結(jié)果可以看出導(dǎo)航算法在原理上的可行性。實際對中偏角估計精度遠(yuǎn)高于技術(shù)指標(biāo)，距離估計精度能夠滿足技術(shù)指標(biāo)。

5 海上實驗

為進一步驗證入艦引導(dǎo)方案，我們在真實海洋環(huán)境進行實車實驗。實驗內(nèi)容主要包括：①通過靜態(tài)試驗.驗證引導(dǎo)算法在淺水波導(dǎo)條件下的性能，比較分析各個寬帶脈沖的多路徑傳播現(xiàn)象，驗證提高時延估計精度的譜相關(guān)計術(shù)。②作動態(tài)試驗。在接收端運動的情況下，分析多譜勒頻移對估計精度的影響，對拷貝信號作多譜勒頻移補償，驗證運動狀態(tài)下導(dǎo)航算法的可行性及性能。靜態(tài)實驗結(jié)果及軟件界面見圖22。

通過本次實驗，可得到如下結(jié)論：①在水聲情況比較復(fù)雜的海洋環(huán)境，表現(xiàn)出明顯的多路徑傳播現(xiàn)象，如圖23所示。采用譜相關(guān)處理，能夠大大提高導(dǎo)航算法的可靠性和穩(wěn)定性。②目標(biāo)相對運動引起的多譜勒頻移，會大大降低匹配濾波器的相關(guān)性，從而降低時延差估計精度。對拷貝信號作多譜勒頻移補償后，

引導(dǎo)算法的性能接近靜止?fàn)顟B(tài)下的性能。因此，無論是在靜止還是在運動狀態(tài)下，兩棲裝備入艦引導(dǎo)算法是可行的，性能可靠、穩(wěn)定。作多譜勒補償和譜相關(guān)處理后的一組動態(tài)實驗結(jié)果如圖24所示。

6 小結(jié)

本系統(tǒng)以水下聲波作為導(dǎo)航信號的載波，循環(huán)發(fā)送導(dǎo)航信號，不受電子干擾的影響，能實現(xiàn)全天候工作，尤其可以引導(dǎo)駕駛員晚上登艦，并以圖形、數(shù)字和語音的形式將裝備的當(dāng)前位置信息提示給駕駛員，引導(dǎo)兩棲裝備從海上順利登艦，大大降低了裝備碰撞登陸艦的概率，解決了裝備登艦過程中的近距離引導(dǎo)難題。

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〔編輯：胡雪飛〕