CN115406479A - 一种船载球艏水声设备的声兼容实船量化试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船载球艏水声设备的声兼容实船量化试验方法，属于舰船声兼容性设计技术领域，本发明将球艏水声设备用作干扰源和受干扰设备时分别进行试验，其中当球艏水声设备作为干扰源时，通过制定舰船航速再制定基于四域联合特性的发射工况，根据不同域具体设置不同的参数；当球艏水声设备作为受干扰设备时，制定舰船航速，选择球艏水声设备性能指标对应的航速与干扰源设备正常工作航速之间的较小值；再判断球艏水声设备接收通道是否饱和以及判断球艏水声设备探测性能是否受干扰。本发明方法可以针对舰载球艏水声设备的前端接收通道在实船上仅基阵后端可设置测点的情况，实现球艏水声设备可与其它水声设备兼容使用的目的。

Description

一种船载球艏水声设备的声兼容实船量化试验方法

技术领域

本发明属于舰船声兼容性设计技术领域，具体涉及一种船载球艏水声设备的声兼容实船量化试验方法。

背景技术

水面船为应对潜艇、鱼雷、UUV、蛙人等多种水下威胁，需具备对潜探测、鱼雷探测及对抗、UUV及蛙人探测以及水声导航等多种水声功能，因此通常装备多部主动水声设备，从而使各主动水声设备之间可能产生相互干扰，导致相关设备的效能不能正常发挥，即“声兼容”问题。球艏水声设备是水面舰艇重要的主动水声基阵，主要用于对潜主动探测，安装于水面舰的球鼻艏中；该基阵与其它船载水声设备之间的“声兼容”情况，即球艏水声设备是否对其它船载水声设备产生干扰，以及其它船载水声设备工作时，是否对球艏水声设备产生干扰等，关系到水面舰艇的对潜探测能力能否正常发挥；因此除设计阶段的理论分析、湖上试验外，水面舰艇建造完成后，需要通过实船试验明确球艏水声设备与其它船载水声设备之间的声兼容情况。

现有技术通常通过在显控台观察干扰现象判断声干扰的方法，容易产生干扰判断不准确，基于其制定的声兼容管理控制措施或声兼容使用建议不合理等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种船载球艏水声设备的声兼容实船量化试验方法，可以针对舰载球艏水声设备的前端接收通道在实船上仅基阵后端可设置测点的情况，实现球艏水声设备可与其它水声设备兼容使用的目的。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明一种船载球艏水声设备的声兼容实船量化试验方法，将球艏水声设备用作干扰源和受干扰设备时分别进行试验，其中当球艏水声设备作为干扰源时，所述试验方法包括以下步骤：

1)、制定舰船航速

试验中舰船航速为受干扰设备的性能指标对应的航速；

2)、制定基于四域联合特性的发射工况

球艏水声设备的每个发射工况包括时域、频域、能域、空域四个方面，根据不同域具体设置不同的参数；

当球艏水声设备作为受干扰设备时，所述试验方法包括以下步骤：

1)、制定舰船航速

试验中舰船航速选择球艏水声设备性能指标对应的航速与干扰源设备正常工作航速之间的较小值；

2)、判断球艏水声设备接收通道是否饱和；

3)、判断球艏水声设备探测性能是否受干扰。

进一步，四域参数的具体设置方法及原则如下：

a、时域，所述时域的设置包括发射脉宽和量程设置，其中发射脉宽至少包括小于受干扰设备积分时间和大干受干扰设备积分时间两种情况；量程设置为满足发射脉宽要求情况下的最小量程；

b、频域，所述频域为发射频率，

受干扰设备低于球艏水声设备工作频段时，球艏水声设备首先发射最低频率，若对受干扰设备不产生干扰，则不开展其它发射频率对受干扰设备的干扰试验；若产生干扰，再将球艏水声设备的发射频率自低向高调整，直到对受干扰设备不产生干扰，或直到球艏水声设备调整到最高发射频率；

受干扰设备高于球艏水声设备工作频段时，球艏水声设备的发射频率包括最低频率、最高频率以及谐波在受干扰设备工作频段内的频率；

受干扰设备与球艏水声设备工作频段存在重叠时，球艏水声设备首先发射与受干扰设备频段重叠及与其临近的频率，若不产生干扰，可不再调整球艏水声设备的发射频率，若产生干扰，则将球艏水声设备的发射频率逐渐调高或调低，增加球艏水声设备发射频率与接收水声设备工作频率的频率间隔至不产生干扰，或至球艏水声设备的临界频率；

c、空域，

所述空域包括球艏水声设备的主波束方位，包含以球艏水声设备的视界范围为约束进行设定和以旁瓣方位两为约束进行设定；

以视界范围为约束：球艏水声设备发射主波束方位包括球艏水声设备可探测视界范围的临界角方位、保精度视界范围的临界角度方位和舰船的艏向；

以旁瓣为约束：球艏水声设备发射主波束方位应满足其第一旁瓣、第二旁瓣指向受干扰设备的方位；

d、能域方面，

所述能域方面包括设定球艏水声设备的发射功率，包括全功率，若对受干扰设备不产生干扰，则不需设置更小功率，若产生干扰，功率按照球艏水声设备的设计逐级调小，至受干扰水声设备不产生干扰，或至球艏水声设备发射的最小功率。

进一步，基于基阵换能器后端数据判断球艏水声设备接收通道是否饱和，主要步骤如下：

a、选取用于判断前端接收通道是否饱和的换能器，

水平维度：包括球艏水声设备可探测视界范围临界角度方位、保性能视界范围临界角度方位、0°方向、180°方向和90°方向等各方位对应换能器；

垂直维度：为所选水平方位对应的上、中、下三个换能器；

b、采集所选取换能器后端时域信号，

干扰源发射时，利用多通道数据采集器采集所选换能器后端输出干扰的时域波形，采集器的通道数与所选换能器数量相同，采样频率为球艏水声设备高频截止频率4倍以上；

c、判断球艏水声设备前端接收通道是否饱和，

结合球艏水声设备前端接收通道各环节幅频响应特性计算干扰在各级输出的时域波形，具体计算方法如式(1)～式(4)所示：

a₁(t)＝IFFT(FFT(i(t))*A1(f)) (1)

f₁(t)＝IFFT(FFT(a₁(t))*Filter1(f)) (2)

a₂(t)＝IFFT(FFT(f₁(t))*A2(f)) (3)

f2(t)＝IFFT(FFT(a₂(t))*Filter2(f)) (4)

其中i(t)表示用多通道数据采集器在某一个换能器后端采集干扰的时域波形，A1(f)、Filter1(f)、A2(f)、Filter2(f)分别表示一级放大、一级滤波、二级放大、二级滤波的幅频响应特性，a₁(t)、f₁(t)、a₂(t)、f₂(t)分别表示利用换能器后端采集干扰的时域波形i(t)，FFT(.)表示快速傅里叶变换，将时域波形转化为频谱；IFFT(.)表示逆傅里叶变换，将频谱转换为时域波形；

通过将a₁(t)、f₁(t)、a₂(t)、f₂(t)的峰峰值与对应放大、滤波的限幅电压进行比对，判断该环节是否产生饱和，当时域波形的峰峰值大于限幅电压时，判断为产生饱和，反之，则判断为不产生饱和。。

进一步，基于波束域数据判断球艏水声设备探测性能是否受干扰，干扰判据如式(5)所示：

C＝NL+DI+10lgB (5)

其中，NL表示球艏水声设备满足最大作用距离指标要求的背景噪声值，DI表示球艏水声设备的指向性指数，B表示球艏水声设备的处理带宽，当干扰强度超过干扰判据C时，判断为产生干扰，否则为不产生干扰。

本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种水面船球艏水声设备的声兼容实船量化试验方法，通过利用球艏水声设备换能器基阵后端数据以及波束域数据，量化与球艏水声设备相关的声兼容情况，包括球艏水声设备作为干扰源时，判断球艏水声设备是否对其它船载水声设备产生的干扰，以及球艏水声设备作为受干扰设备时，判断其它船载水声设备是否对球艏水声设备产生干扰；解决以往仅通过观察干扰画面导致的干扰判断不准确，基于其制定的声兼容管理控制措施或声兼容使用建议不合理等问题。

本发明方法可以准确量化球艏水声设备与其它水声装备之间的声兼容状态，以支持后续确定声兼容管理控制措施和管理控制限值等，实现球艏水声设备可与其它水声设备兼容使用的目的。

本发明的其他优点、目标和特征将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上对本领域技术人员而言是显而易见的，或者本领域技术人员可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为球艏水声设备视界图；

图2为球艏水声设备基阵垂直维度换能器示意图；

图3为球艏水声设备发射的典型波束图；

图4为球艏水声设备前端接收通道流程框图；

图5为球艏水声设备数字信号处理流程框图。

具体实施方式

如图1～5所示，本发明一种船载球艏水声设备的声兼容实船量化试验方法，将球艏水声设备用作干扰源和受干扰设备时分别进行试验，其中当球艏水声设备作为干扰源时，所述试验方法包括以下步骤：

1)、制定舰船航速

试验中舰船航速为受干扰设备的性能指标对应的航速；

2)、制定基于四域联合特性的发射工况

球艏水声设备的每个发射工况包括时域、频域、能域、空域四个方面，根据不同域具体设置不同的参数；

a、时域，所述时域的设置包括发射脉宽和量程设置，其中发射脉宽至少包括小于受干扰设备积分时间和大干受干扰设备积分时间两种情况；量程设置为满足发射脉宽要求情况下的最小量程；

b、频域，所述频域为发射频率，

受干扰设备低于球艏水声设备工作频段时，球艏水声设备首先发射最低频率，若对受干扰设备不产生干扰，则不开展其它发射频率对受干扰设备的干扰试验；若产生干扰，再将球艏水声设备的发射频率自低向高调整，直到对受干扰设备不产生干扰，或直到球艏水声设备调整到最高发射频率；

受干扰设备高于球艏水声设备工作频段时，球艏水声设备的发射频率包括最低频率、最高频率以及谐波在受干扰设备工作频段内的频率；

受干扰设备与球艏水声设备工作频段存在重叠时，球艏水声设备首先发射与受干扰设备频段重叠及与其临近的频率，若不产生干扰，可不再调整球艏水声设备的发射频率，若产生干扰，则将球艏水声设备的发射频率逐渐调高或调低，增加球艏水声设备发射频率与接收水声设备工作频率的频率间隔至不产生干扰，或至球艏水声设备的临界频率；

c、空域，

所述空域包括球艏水声设备的主波束方位，包含以球艏水声设备的视界范围为约束进行设定和以旁瓣方位两为约束进行设定；

以视界范围为约束：球艏水声设备发射主波束方位包括球艏水声设备可探测视界范围的临界角方位、保精度视界范围的临界角度方位和舰船的艏向；图3为球艏水声设备发射的典型波束图；

以旁瓣为约束：球艏水声设备发射主波束方位应满足其第一旁瓣、第二旁瓣指向受干扰设备的方位；

d、能域方面，

所述能域方面包括设定球艏水声设备的发射功率，包括全功率，若对受干扰设备不产生干扰，则不需设置更小功率，若产生干扰，功率按照球艏水声设备的设计逐级调小，至受干扰水声设备不产生干扰，或至球艏水声设备发射的最小功率。

当球艏水声设备作为受干扰设备时，所述试验方法包括以下步骤：

1)、制定舰船航速

试验中舰船航速选择球艏水声设备性能指标对应的航速与干扰源设备正常工作航速之间的较小值；

2)、判断球艏水声设备接收通道是否饱和；

基于基阵换能器后端数据判断球艏水声设备接收通道是否饱和，主要步骤如下：

a、选取用于判断前端接收通道是否饱和的换能器，

水平维度：包括球艏水声设备可探测视界范围临界角度方位、保性能视界范围临界角度方位、0°方向(艏向)、180°方向(艉向)和90°方向等各方位对应换能器，详见附图1；

垂直维度：为所选水平方位对应的上、中、下三个换能器，详见附图2；

b、采集所选取换能器后端时域信号，

干扰源发射时，利用多通道数据采集器采集所选换能器后端输出干扰的时域波形，采集器的通道数与所选换能器数量相同，采样频率为球艏水声设备高频截止频率4倍以上；

c、判断球艏水声设备前端接收通道是否饱和，

结合球艏水声设备前端接收通道各环节幅频响应特性计算干扰在各级输出的时域波形，具体计算方法如式(1)～式(4)所示：

a₁(t)＝IFFT(FFT(i(t))*A1(f)) (1)

f₁(t)＝IFFT(FFT(a₁(t))*Filter1(f)) (2)

a₂(t)＝IFFT(FFT(f₁(t))*A2(f)) (3)

f2(t)＝IFFT(FFT(a₂(t))*Filter2(f)) (4)

其中i(t)表示用多通道数据采集器在某一个换能器后端采集干扰的时域波形，A1(f)、Filter1(f)、A2(f)、Filter2(f)分别表示一级放大、一级滤波、二级放大、二级滤波的幅频响应特性，a₁(t)、f₁(t)、a₂(t)、f₂(t)分别表示利用换能器后端采集干扰的时域波形i(t)，FFT(.)表示快速傅里叶变换，将时域波形转化为频谱；IFFT(.)表示逆傅里叶变换，将频谱转换为时域波形；

通过将a₁(t)、f₁(t)、a₂(t)、f₂(t)的峰峰值与对应放大、滤波的限幅电压进行比对，判断该环节是否产生饱和，当时域波形的峰峰值大于限幅电压时，判断为产生饱和，反之，则判断为不产生饱和。

3)、判断球艏水声设备探测性能是否受干扰。球艏水声设备数字信号处理流程图如附图4所示，基于波束域数据判断球艏水声设备探测性能是否受干扰，干扰判据如式(5)所示：

C＝NL+DI+10lgB (5)

其中，NL表示球艏水声设备满足最大作用距离指标要求的背景噪声值，DI表示球艏水声设备的指向性指数，B表示球艏水声设备的处理带宽，当干扰强度超过干扰判据C时，判断为产生干扰，否则为不产生干扰，其中图5为球艏水声设备数字信号处理流程框图。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种船载球艏水声设备的声兼容实船量化试验方法，其特征在于，将球艏水声设备用作干扰源和受干扰设备时分别进行试验，其中当球艏水声设备作为干扰源时，所述试验方法包括以下步骤：

1)、制定舰船航速

试验中舰船航速为受干扰设备的性能指标对应的航速；

2)、制定基于四域联合特性的发射工况

球艏水声设备的每个发射工况包括时域、频域、能域、空域四个方面，根据不同域具体设置不同的参数；

当球艏水声设备作为受干扰设备时，所述试验方法包括以下步骤：

1)、制定舰船航速

试验中舰船航速选择球艏水声设备性能指标对应的航速与干扰源设备正常工作航速之间的较小值；

2)、判断球艏水声设备接收通道是否饱和；

3)、判断球艏水声设备探测性能是否受干扰。

2.根据权利要求1所述的一种船载球艏水声设备的声兼容实船量化试验方法，其特征在于，四域参数的具体设置方法及原则如下：

a、时域，所述时域的设置包括发射脉宽和量程设置，其中发射脉宽至少包括小于受干扰设备积分时间和大干受干扰设备积分时间两种情况；量程设置为满足发射脉宽要求情况下的最小量程；

b、频域，所述频域为发射频率，

受干扰设备低于球艏水声设备工作频段时，球艏水声设备首先发射最低频率，若对受干扰设备不产生干扰，则不开展其它发射频率对受干扰设备的干扰试验；若产生干扰，再将球艏水声设备的发射频率自低向高调整，直到对受干扰设备不产生干扰，或直到球艏水声设备调整到最高发射频率；

受干扰设备高于球艏水声设备工作频段时，球艏水声设备的发射频率包括最低频率、最高频率以及谐波在受干扰设备工作频段内的频率；

受干扰设备与球艏水声设备工作频段存在重叠时，球艏水声设备首先发射与受干扰设备频段重叠及与其临近的频率，若不产生干扰，可不再调整球艏水声设备的发射频率，若产生干扰，则将球艏水声设备的发射频率逐渐调高或调低，增加球艏水声设备发射频率与接收水声设备工作频率的频率间隔至不产生干扰，或至球艏水声设备的临界频率；

c、空域，

所述空域包括球艏水声设备的主波束方位，包含以球艏水声设备的视界范围为约束进行设定和以旁瓣方位两为约束进行设定；

以视界范围为约束：球艏水声设备发射主波束方位包括球艏水声设备可探测视界范围的临界角方位、保精度视界范围的临界角度方位和舰船的艏向；

以旁瓣为约束：球艏水声设备发射主波束方位应满足其第一旁瓣、第二旁瓣指向受干扰设备的方位；

d、能域方面，

所述能域方面包括设定球艏水声设备的发射功率，包括全功率，若对受干扰设备不产生干扰，则不需设置更小功率，若产生干扰，功率按照球艏水声设备的设计逐级调小，至受干扰水声设备不产生干扰，或至球艏水声设备发射的最小功率。

3.根据权利要求2所述的一种船载球艏水声设备的声兼容实船量化试验方法，其特征在于，基于基阵换能器后端数据判断球艏水声设备接收通道是否饱和，主要步骤如下：

a、选取用于判断前端接收通道是否饱和的换能器，

水平维度：包括球艏水声设备可探测视界范围临界角度方位、保性能视界范围临界角度方位、0°方向、180°方向和90°方向等各方位对应换能器；

垂直维度：为所选水平方位对应的上、中、下三个换能器；

b、采集所选取换能器后端时域信号，

干扰源发射时，利用多通道数据采集器采集所选换能器后端输出干扰的时域波形，采集器的通道数与所选换能器数量相同，采样频率为球艏水声设备高频截止频率4倍以上；

c、判断球艏水声设备前端接收通道是否饱和，

结合球艏水声设备前端接收通道各环节幅频响应特性计算干扰在各级输出的时域波形，具体计算方法如式(1)～式(4)所示：

a₁(t)＝IFFT(FFT(i(t))*A1(f)) (1)

f₁(t)＝IFFT(FFT(a₁(t))*Filter1(f)) (2)

a₂(t)＝IFFT(FFT(f₁(t))*A2(f)) (3)

f2(t)＝IFFT(FFT(a₂(t))*Filter2(f)) (4)

其中i(t)表示用多通道数据采集器在某一个换能器后端采集干扰的时域波形，A1(f)、Filter1(f)、A2(f)、Filter2(f)分别表示一级放大、一级滤波、二级放大、二级滤波的幅频响应特性，a₁(t)、f₁(t)、a₂(t)、f₂(t)分别表示利用换能器后端采集干扰的时域波形i(t)，FFT(.)表示快速傅里叶变换，将时域波形转化为频谱；IFFT(.)表示逆傅里叶变换，将频谱转换为时域波形；

通过将a₁(t)、f₁(t)、a₂(t)、f₂(t)的峰峰值与对应放大、滤波的限幅电压进行比对，判断该环节是否产生饱和，当时域波形的峰峰值大于限幅电压时，判断为产生饱和，反之，则判断为不产生饱和。

4.根据权利要求3所述的一种船载球艏水声设备的声兼容实船量化试验方法，其特征在于，基于波束域数据判断球艏水声设备探测性能是否受干扰，干扰判据如式(5)所示：

C＝NL+DI+10lgB (5)

其中，NL表示球艏水声设备满足最大作用距离指标要求的背景噪声值，DI表示球艏水声设备的指向性指数，B表示球艏水声设备的处理带宽，当干扰强度超过干扰判据C时，判断为产生干扰，否则为不产生干扰。

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