兩棲裝備入艦引導系統換能器關鍵技術研究

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、無法全天候實施的問題，為提高惡劣海況和黑夜中的登艦作業能力，設計了一種兩棲裝備入艦引導系統。通過水下探測器接收到登陸艦發射的超聲定位脈沖信號，獲得當前車輛的實際位置，發出車輛的位置和偏離航線信息，實現駕駛員盲視駕駛。針對系統兩個不同頻率的基站，提出了兩種不同的換能器帶寬技術方案。通過對發射模塊的指向性仿真，用換能器組成發射基陣。在此基礎上，完成車載信號模塊的硬件設計，并對三路寬帶脈沖信號進行仿真，驗證了導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定性。

關鍵詞：兩棲裝備；登陸艦；引導系統；換能器

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

渡海戰爭必定涉及到兩棲作戰的裝備輸送問題。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，遂行登陸作戰任務。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，并常常伴有風浪和洋流的影響。因此，兩棲裝備上登陸艦是一項技術難度很大的工作。而作為海上裝載最重要環節的登艦過程，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，亟需通過技術手段提高登艦的可靠性和效率。

本文從瀕海訓練過程中發現的兩棲裝備碰撞損壞問題出發，總結得出目前存在以下幾個重要問題：①裝備靠人工導航登艦，登艦的方位容易偏離正確的行駛線路，發生戰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。據統計，某部5年海訓下海裝備故障統計，裝備上下登陸艦碰撞率在50%～60%之間，造成了開展海訓演習大項任務后大量兩棲裝備需要維修。②如果碰撞嚴重，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。在登陸作戰時，這樣的事故將大大降低裝備完好率，甚至影響戰局的成敗。③由于人工目視登艦，在裝備不能完全對準艦艇艙門時，只能重新駛離艙門，重新開始下一輪登艦操作，影響作戰預備時間，降低作戰效率。④在風浪較大的時候，僅靠人工目視指揮根本無法執行登艦操作。⑤由于缺乏盲視登艦設備，目前登艦操作一般只能在白天進行，不符合實戰化訓練的要求。因此，亟需研究一種性能可靠，適用于全天候復雜海況，類似于艦載飛機的盲降導航系統，應用于兩棲裝備的高精度入艦導航，用來引導裝備以正確的航線和航行姿態登艦，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能力，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縮短了常規戰前預備時間，提高部隊快速反應能力；④減少每年瀕海訓練階段兩棲裝備的損壞率，降低日常維護費用。

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

1 系統設計

1.1 基本功能及技術指標

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

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

系統主要技術指標為：①50 m以外的測向誤差小于1°；②50 m以內的測向誤差小于0.5°，測距誤差小于10%；③最大聲納導航范圍為150 m；④最大圖像引導范圍為300 m。

高精度導航系統主要由艦載設備、水下設備和車載設備所構成。其中，艦載設備包括超聲信號源和調制器、發射機、射頻同步信號發射機和艦載電源；水下設備由發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、車載觸摸屏和車載電源所組成。系統方案設計框圖如圖3所示。

1.2 分系統功能描述

各子系統功能描述如下。

1.2.1 信號發生及調制子系統

該子系統產生的超聲信號與一般的測距系統不同，根據系統精度和響應速度的要求，選擇一種調制的脈沖超聲波作為本系統的基站信標。由于系統有兩個基站，所以分A、B兩套信號標識系統，用不同的發射頻率進行同步發射，在接收機端分別用水聽器和接收器進行區分，獲得兩個基站的信號。

1.2.2 射頻同步信號發射器和接收器

同步控制器有兩個作用：①控制兩路信標發生器在同一時間發射超聲波脈沖；②啟動接收電路計數器，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。其可分為一個發射模塊和三個接收模塊。

1.2.3 發射機

根據超聲頻率和換能器的不同以及作業范圍的大小，選擇設計高性能的超聲波信號發射機。本系統選擇的發射機功率在400 W左右。

1.2.4 發射換能器

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雜，價格昂貴，所以至今很少使用；鐵氧體換能器的電聲轉換效率比較低，一般使用1～2年后效率下降，甚至幾乎喪失電聲轉換能力。目前，廣泛使用壓電晶體換能器。這種換能器電聲轉換效率高，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。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。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。其結構如圖4所示。

2 換能器方案論證

發射換能器的寬帶技術、發射機之間寬帶匹配技術以及接收基陣的減振、降噪技術是本課題的技術難點。目前，國內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 公司生產的Airducer AR30 超聲波傳感器的作用距離很遠，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，發散角較小，其內部結構多為壓電晶體型，可承受大電壓，對電流要求不高。本系統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，發射換能器所發出的聲信號要具有理想的發射參數。為了實現換能器的寬帶工作，同時減小發射基元的研制風險，將對多種方案同時研究，選取最佳方案來實現本課題的發射換能器。本系統有兩個基站，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射基元

一種方案是采用匹配層換能器來作為發射基元，如圖5所示。匹配層技術主要是在換能器輻射面與水介質之間增加一層或數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于增加了參與振動的部件，或者說增加了負載質量，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，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參與振動：一個是換能器的縱向振動模態，另一個是換能器前蓋板的彎曲振動模態。換能器的實測電壓發送響應和換能器的實測指向性如圖9和圖10所示。

3 發射基陣設計與仿真

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

為了使發射基陣具有比較大的波束偏轉角，單個發射換能器在水平維上必須具有足夠寬的指向性，即單個發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。

兩個發射模塊在0°、-30°-60°和-75°時的橫向波束如圖14所示：

在兩個發射模塊中，在不同的相位延遲角下，所對應的波束轉動角、指向性指數和指向性指數下降量如表1所示。

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

當θ=θ0時，基陣因子Ax（θ，θ0）=1，達到最大值；當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。這個現象在大角度掃描的基陣中都會出現的。

為了防止在大角度旋轉時出現比較大的旁瓣，對發射陣中的基元采取幅度加權。加權方案是采用線性衰減，其加權系數與基元的位置坐標如圖15所示。

4 車載信號模塊設計

當兩棲裝備入艦引導系統正常工作時，隨著兩棲車輛由遠及近航行，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到50倍以上。如果放大器的放大倍數固定，很可能引起信號限幅現象。因此，在作A/D采樣前，必須動態調整信號放大器的倍數。這主要通過自動增益控制（AGC）模塊來實現。在車輛航行時，螺旋槳、結構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，在前置信號調理器內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。

根據系統的功能要求，設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均屬于信號調理器，主要實現模擬信號的濾波、放大等功能。電路板1上A/D采集和大容量數據緩沖區用于采集模擬信號。電路板2上的信號發生器和功率放大模塊用于發射避障脈沖。工控機用于接收和處理數字信號、送顯處理結果，控制系統的運行等。

4.1 信號處理

兩棲裝備入艦引導系統的核心是實時估計裝備的對中偏角和距離。作數字處理信號時，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。

目標的距離估計精度受制于發射基陣物理孔徑的大小。這是由于目標距離越遠，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，發射陣孔徑設置為8 m（即陣元間距為4 m），接收端在正橫方向（即0?方向），目標的距離由遠及近逐漸改變，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、空間均勻的海洋環境噪聲，對此模擬信號作信號處理，估計目標距離。多次作模擬，橫坐標表示設定的距離，縱坐標表示信號處理的估計結果。結果如圖19所示。

從圖19可以看出，隨著目標距離的增大，估計出的距離越來越發散，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。

實際發射換能器陣的基陣孔徑約5.3 m，遠處目標的距離估計誤差非常大。根據海洋原理驗證實驗的處理結果和實際登艦引導的需求，初步選擇50 m作為一個門限。連續多批估計距離小于此值時，就認為裝備已經前進至50 m內。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，便于引導駕駛員登艦。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表示復雜環境下的一組多路徑結構圖，各個脈沖信號的多路徑特征有很多相似性，通過作譜相關處理就可以準確估計出通道間的時延，從而準確估計出裝備的距離和方向。

為了補償目標相對運動引起的多譜勒頻移，先根據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間。根據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航信號作匹配濾波，如圖21所示。匹配濾波后的相關峰越高，說明多譜勒補償越好，最后選擇相關峰最高的相關譜作后續處理。

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

5 海上實驗

為進一步驗證入艦引導方案，我們在真實海洋環境進行實車實驗。實驗內容主要包括：①通過靜態試驗.驗證引導算法在淺水波導條件下的性能，比較分析各個寬帶脈沖的多路徑傳播現象，驗證提高時延估計精度的譜相關計術。②作動態試驗。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，驗證運動狀態下導航算法的可行性及性能。靜態實驗結果及軟件界面見圖22。

通過本次實驗，可得到如下結論：①在水聲情況比較復雜的海洋環境，表現出明顯的多路徑傳播現象，如圖23所示。采用譜相關處理，能夠大大提高導航算法的可靠性和穩定性。②目標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，

引導算法的性能接近靜止狀態下的性能。因此，無論是在靜止還是在運動狀態下，兩棲裝備入艦引導算法是可行的，性能可靠、穩定。作多譜勒補償和譜相關處理后的一組動態實驗結果如圖24所示。

6 小結

本系統以水下聲波作為導航信號的載波，循環發送導航信號，不受電子干擾的影響，能實現全天候工作，尤其可以引導駕駛員晚上登艦，并以圖形、數字和語音的形式將裝備的當前位置信息提示給駕駛員，引導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難題。

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〔編輯：胡雪飛〕