一种深远海低频大功率水声应答系统及其实现方法与流程

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1.本发明涉及声纳试验技术领域，具体涉及一种深远海低频大功率水声应答系统及其实现方法。


背景技术：

2.随着声纳装备发展向着低频、大功率、多功能逐步推进，装备性能的验证往往需要在实际海洋环境、实际目标的配合下完成。考虑到不同环境条件的复杂性，大尺度目标由于其自身隐蔽性要求高，较难长时间配合水面装备性能验证，难以摸清声纳装备的性能边界与使用效能。由此，急需一种水声应答系统，可在实际海洋环境下，通过接收声纳装备发射的直达波，模拟不同反射特性、具备运动要素特性的潜艇(或鱼雷等)目标声反射回波，或模拟发射具有特定频谱特征的潜艇(或鱼雷等)目标辐射噪声，满足声纳设备探测性能验证需求，支撑日益增加的边界性能科研试验需求。
3.常规的方法是采用与实际探测对象反射强度相符的特质球体作为被探测目标，试验船拖带目标球体模拟实际目标，游速抵近声纳设备的水下基阵，在显控台上实时显示目标状态信息，从而来验证声纳设备目标探测性能。现有技术虽然解决了声纳设备目标探测试验技术经济问题，但无疑增加了试验实施的复杂度，面对高等级海况、深远海等复杂环境条件，配合球体难以控制深度、姿态及运动要素，无法支撑科研试验的实施。现有的水声应答器虽然很成熟，但是功能单一，存在近距离虚警高、远距离无法应答的显著问题。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是，提供一种深远海低频大功率水声应答系统及其实现方法，该系统具备自动应答、程控应答、手动应答和潜艇辐射噪声模拟等四种工作方式，模拟不同反射特性、具备航速特性的潜艇目标声反射回波，模拟发射特定频谱特性的潜艇辐射噪声，综合实现了深远海复杂环境应答、直达波脉冲级的实时解算、数据实时存储、数据回放等功能。
5.本发明的技术解决方案是，提供一种深远海低频大功率水声应答系统,包括接收换能器、发射换能器、综合处理模块、功率放大模块和显示操作模块，接收换能器通过水密线缆与综合处理模块连接，发射换能器通过水密线缆与功率放大器连接，综合处理模块与功率放大模块通过信号连接；
6.综合处理模块由通道切换开关、信号调理采集模块、信号处理子模块、信号生成发射控制子模块和电源模块组成，声信号进入综合处理模块后先通过通道切换开关进行单路或双路接收换能器并联切换；然后进入信号调理采集模块进行信号调理和采集；以及通过信号处理子模块对采集的数据进行解包和相关处理后实时计算出应答信号参数和脉冲信号级，并打包存储此段信号到缓存中；然后通过信号生成发射控制子模块生成应答信号。可选用高灵敏度接收换能器，提高第一级声电转换的强度。信号调理采集模块采用全差分仪表放大器降低接收电路噪声，利用高阶带通滤波器提高接收信号的选频特性，采用宽范围
程控放大器提高接收信号的动态范围。通过信号调理采集模块将接收数据实时送入主控处理模块完成信号解算、匹配滤波、信号生成和数据送显等运算处理。
7.作为优选，功率放大模块包括发射模块和二次匹配模块。
8.作为优选，发射模块包括发射模块1、发射模块2和发射模块3。发射换能器及功率放大模块组成发射功能系统，采用多组线性功放模块串联
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输出二次匹配方式，实现低频大功率高源级的信号应答。
9.本系统具备自动应答、程控应答、手动应答和潜艇辐射噪声模拟等四种工作方式，可模拟不同反射特性、具备航速特性的潜艇目标声反射回波，可模拟发射特定频谱特性的潜艇辐射噪声，集成深远海复杂环境应答、直达波脉冲级的实时解算、数据实时存储、数据回放等功能于一体，满足高精度、高稳定性、高效率目标模拟需求，最大程度让模拟目标回波接近真实目标特性。它具有高精度、高稳定性、高效率、全自动应答的特点，有效解决了常规的方法在复杂环境下无法实施和传统水声应答器近距离虚警高，远距离无法应答的问题。
10.本发明还提供一种深远海低频大功率水声应答系统的实现方法，包括
11.s1，接收数据实时获取，所述接收收据实时获取包括以下步骤，
12.s1.1，接收换能器通过水密连接器水密电缆接入干端综合处理模块；
13.s1.2，声信号进入综合处理模块后首先通过通道切换开关进行单路或双路接收换能器并联切换，进入信号调理采集模块的第一级低噪声差分仪表放大器进行第一级放大，再进入第二级程控放大器对信号进行放大或者缩小，提高信号输入的动态范围；
14.s1.3，再进入第二级程控放大器输出后进入高阶带通滤波器进行滤波，获取带内信号滤除带外信号，提高信噪比；
15.s1.4，滤波后的带内单端信号通过一级单端转差分低噪声仪表放大器进一步提高抗干扰能力后送入高精度差分adc,进行模数转换；
16.s1.5，信号调理采集模块将模数转换的数据进行打包实时送到网络数据组；
17.s2,接收数据实时处理,所述接收数据实时处理包括以下步骤，
18.s2.1，信号处理子模块接收网络数据组中的实时采集的数据，并对其进行解包处理；
19.s2.2，对解包后的声数据实时存储到大容量emmc存储器中并同步进行高阶fir滤波、加窗处理、fft计算、匹配滤波、相关匹配计算和门限计算等处理；
20.s2.3，信号处理子模块通过上述相关处理后，实时计算出应答信号参数和脉冲信号级，并打包存储此段信号到缓存中；
21.s2.4，将相关计算的数据通过网络进行实时送显；
22.s2.5，操作者根据送显的数据进行应答模式、应答触发门限、接收/发射mgc和目标速度模拟和应答发射时延等相关参数进行设置；
23.s2.6，各项参数设置完成后，设备进入工作模式，当选择自动应答方式时无需人为干预，全程由信号处理子模块自动完成信号解算、结果输出，并把接收的整段信号打包发送到信号生成发射控制子模块，数据传输完成后根据设置的应答强度参数自动启动发射，当选择程控应答方式时无需人为干预，全程由信号处理子模块自动完成信号解算、结果输出和应答发射启动包络等送入信号生成发射控制子模块，信号生成发射控制子模块根据收到
解算出来的参数自动生成对应的应答信号，再根据发射启动包络进行发射输出。当选择手动应答方式时，需要人工干预，人工需手动设置参数和启动发射进行应答；
24.s3，应答信号生成及控制,所述应答信号生成及控制包括以下步骤，
25.s3.1，当选择自动应答方式时无需人为干预，信号生成发射控制子模块实时接收信号处理子模块发送过来的整段原始信号数据，数据传输完成后根据设置的应答强度参数自动启动发射，将数据打包送到高精度dac数据缓冲区，当选择程控应答方式时无需人为干预，信号生成发射控制子模块根据收到解算出来的参数自动生成对应的应答信号再根据设置的应答强度参数自动启动发射，将数据打包送到高精度dac数据缓冲区，当选择手动应答方式时，需要人工干预，信号生成发射控制子模块根据人工手动设置参数进行生成信号然后由人工启动发射进行应答，将数据打包送到高精度dac数据缓冲区，当选择潜艇辐射噪声模拟方式时，信号生成发射控制子模块根据设置参数进行自动产生连续的对应潜艇辐射噪声模拟宽带噪声信号持续将数据打包送到高精度dac数据缓冲区；
26.s3.2，将高精度dac数据缓冲区的信号数据按照一定采样率进行数模转换后进行低通滤波隔离输出送入到功率放大模块进行发射激励发射换能器输出完成应答信号发射，并将发射参数状态实时送显。
27.采用以上方案后与现有技术相比，本发明具有以下优点：
28.首次创新提出并实现深远海复杂环境5级高海况下60公里可靠应答，前级采用高阶硬件滤波器，后级采用高阶fir数字滤波实现高信噪比采集，可实时解算直达波脉冲级、应答20khz以内任意信号形式、应答源级100db～200db范围内任意可调误差精度小于1db，同时支持数据存储和数据回放，具备接收换能器(发射换能器)布放深度检测能力，解决了常规的特质球体及现有的水声应答器无法可靠完成复杂环境下的远距离应答的问题，为声纳设备边界性能验证提供了重要技术支撑。
附图说明：
29.图1为应答系统功能模块图；
30.图2为应答系统工作流程图；
31.图3为应答系统结构外形图；
32.图4为应答系统显示操作界面。
具体实施方式：
33.下面结合附图就具体实施方式对本发明作进一步说明：
34.参照图1、3所示，本发明实施例包括接收数据实时获取、接收数据实时处理、应答信号产生及其发射控制一共三部分。具体的，包括接收换能器、发射换能器、综合处理模块、功率放大模块和显示操作模块，接收换能器通过水密线缆与综合处理模块连接，发射换能器通过水密线缆与功率放大器连接，综合处理模块与功率放大模块通过信号连接；
35.综合处理模块由通道切换开关、信号调理采集模块、信号处理子模块、信号生成发射控制子模块和电源模块组成，声信号进入综合处理模块后先通过通道切换开关进行单路或双路接收换能器并联切换；然后进入信号调理采集模块进行信号调理和采集；以及通过信号处理子模块对采集的数据进行解包和相关处理后实时计算出应答信号参数和脉冲信
号级，并打包存储此段信号到缓存中；然后通过信号生成发射控制子模块生成应答信号。功率放大模块包括发射模块和二次匹配模块，并且发射模块包括发射模块1、发射模块2和发射模块3。
36.其工作流程如图2所示，具体包括以下步骤：
37.1)将水下接收换能器和发射换能器安装到水下结构架上，连接好对应的发射和接收水密电缆，检查好绝缘后，通过水文吊或人工布放到水中指定深度后，干端设备开机(包括：综合处理模块、功率放大模块和显示操作模块)；
38.2)在图4所示的应答系统显示操作界面中，通过时域波形、频域显示和能量时间瀑布图显示区判断接收信号幅度是否正常；
39.3)可通过接收发射参数设置区对接收信号进行程控mgc设置，直至信号幅度大小合适为止；
40.4)接收信号正常后，再检查发射信号是否正常，切换到手动应答方式，通过接收发射参数设置区对发射信号进行手动参数设置，然后手动启动发射，频率、脉宽、幅度切换几次观察水下换能器发射频率和声源级是否正常切换；
41.5)接收和发射通道均正常后选择所需的应答工作方式，开始实时接收声纳发送过来的直达波，前两个周期先通过观察信号质量和幅度大小设置合适触发门限和相关应答参数(如；延时应答、声源级大小、频率偏移(仅支持程控应答和手动应答模式)等等)；
42.6)设置好门限和相关应答参数后，本应答系统将进入自动应答/程控应答模式无需人工参与进行实时应答并实时记录相关解算结果和原始阵元信号；
43.7)当选择潜艇辐射噪声模拟工作方式时，根据需求选择对应噪声曲线后可一键快速进入噪声发射模式，发射起动后设备进入连续噪声发射模式。切换模式后自动退出当前工作方式进入新的工作方式。
44.本实施例构建的一种深远海低频大功率水声应答系统，实现了主动信号应答、脉冲信号级实时解算、目标距离/速度/强度模拟、潜艇辐射噪声模拟、解算结果和原始数据实时存储和试验过程真实回放。
45.以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。凡是利用本发明说明书所做的等效结构或等效流程变换，均包括在本发明的专利保护范围之内。