CN115549813A - 一种通信水声设备的声兼容湖上试验方法 - Google Patents

一种通信水声设备的声兼容湖上试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种通信水声设备的声兼容湖上试验方法，属于舰船声兼容性技术领域，首先构建湖上试验环境；将通信水声设备、干扰源水声设备、背景噪声模拟器以及配试设备经趸船上的可移动试验平台吊放于水中；制定干扰源水声设备的发射工况，然后判断通信水声设备前端接收通道是否产生饱和；量化判断通信水声设备数字信号处理的受干扰情况；判断判断通信水声设备通信效果的受干扰情况；通道饱和、干扰原因分析及抗干扰措施设计，最后验证所采取抗干扰措施的有效性。本方法通过量化通信水声设备的受干扰情况、明确对通信效果的干扰情况、分析干扰原因、研究有效的抗干扰措施并验证其有效性，以实现实船情况下通信水声设备与相关设备的兼容使用。

Description

一种通信水声设备的声兼容湖上试验方法
技术领域
本发明属于舰船声兼容性技术领域，具体涉及一种通信水声设备的声兼容湖上试验方法。
背景技术
通信水声设备主要用于水面舰艇和潜艇之间或潜艇与潜艇之间的通信。通信水声设备是利用声波进行水下通信联络的水声设备，也被称为水声通信机。通信水声设备由换能器基阵、发射机和接收机组成。主要装备在潜艇和水面舰艇上，用于相互间的语音通信或电报通信，有的还可进行敌我识别和合作测距等功能。水面船为应对传统和新型等多种水下威胁，需具备对潜艇、鱼雷、UUV、蛙人、水雷等探测、水声通信、敌我识别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。由于水声设备可用的工作频段较窄，主要集中在20Hz～20kHz，使各水声设备之间可能产生相互干扰，导致相关设备的不能正常工作、性能下降，即“声兼容”问题。
采用传统的理论计算方法，可以定性分析其它水声设备对通信水声设备的干扰情况，但难以准确量化，更难以准确评估声干扰对通信水声设备通信效果的影响，而若待水面船建造完成后，才通过实船开展其它水声设备对通信水声设备的声兼容试验，又将存在实船水声设备装备已完成封装，部分数据无法按需获取，致使无法准确判断声干扰情况、明确干扰原因、以及无法采取有效的抗干扰措施，致使通信水声设备无法进行正常通信、错失重要通信信息等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种通信水声设备的声兼容湖上试验方法，可以解决上述技术问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明一种通信水声设备的声兼容湖上试验方法，包括以下步骤：
步骤一：构建湖上试验环境；将通信水声设备、干扰源水声设备、背景噪声模拟器以及配试设备均布放于趸船，经趸船上的可移动试验平台吊放于水中；
步骤二：制定干扰源水声设备的发射工况，发射工况主要包括发射脉宽、发射量程、发射频率、发射主波束方位以及发射功率；
步骤三：判断通信水声设备前端接收通道是否产生饱和；
步骤四：量化判断通信水声设备数字信号处理的受干扰情况；
步骤五：判断判断通信水声设备通信效果的受干扰情况；
步骤六：通道饱和、干扰原因分析及抗干扰措施设计；
步骤七：重复步骤三至步骤五验证所采取抗干扰措施的有效性。
进一步，步骤一中，通信水声设备和干扰源水声设备的间距D满足远场关系，取按照通信水声设备的相关参数和按照干扰源水声设备的相关参数计算的远场判据的较大者，远场判据D0的计算方法如式(1)所示，其中λ表示波长、L为换能器基阵的尺寸；
D0≥min(10L，L2/λ) (1)
通信水声设备和干扰源水声设备的基阵深度除满足其可全功率发射的最小水压外，深度关系与试验中的间距和拟在实船上安装的间距、深度成相同比例，通信水声设备和干扰源水声设备拟在实船上安装的深度分别h1、h2，间距为d，试验中深度分别为H1、H2，满足如下关系：
Figure BDA0003851407390000021
配试设备用于产生与通信水声设备进行通信的水声信号，配试设备的深度为10m～20m，可移动试验船与通信水声设备的间距大于200m；配试设备发射信号的声源级为：在通信水声设备处接收到配试通信信号强度与通信水声设备实际使用达到最大作用距离时接收到的通信信号强度相同，即满足湖上构建试验环境中通信水声设备的信噪比与实船使用中最大作用距离处的信噪比相同。
进一步，步骤二中，干扰源水声设备的发射工况主要包括如下参数：
a、发射脉宽：包括干扰源水声设备的最大、最小脉宽及介于二者之间的3～4种脉宽；
b、发射量程：满足发射脉宽要求情况下的最小量程；
c、发射频率：包括干扰源水声设备的各个发射频率及其对应各种波形；
d、发射主波束方位：在此设计阶段，干扰源水声设备拟安装实船时，可探测视界范围的临界角方位、与通信水声设备相对方位差最大的方位，以及介于二者之间的3～4个方位；
e、发射功率：包括全功率、最小功率，若均对通信水声设备产生干扰或均不产生干扰，则不需增加介于二者之间的功率，否则按照干扰源水声设备的设计情况，需增加介于二者之间档位的功率。
进一步，步骤三中，在通信水声设备换能器基阵后端及容易产生饱和的环节后端设置测点，通信水声设备在一级放大后端、自动增益控制后端位置处设置测点；干扰源水声设备发射时，利用数据采集器同时采集各测点时域波形数据，采样频率为通信水声设备高频截止频率和干扰源水声设备发射频率中大者的4倍以上；i1(t)、i2(t)、i3(t)分别为在换能器基阵后端、一级放大后端、自动增益控制后端的时域数据，通过比较各测点采集数据时域波形i1(t)、i2(t)、i3(t)的峰峰值与各级放大、滤波的限幅电压判断通道是否产生饱和，若大于限幅电压、波形削顶等判断为产生饱和，小于限幅电压判断为不产生饱和；
进一步，步骤四中，利用采集器在换能器后采集的时域波形数据i1(t)进行干扰判断，当在通信水声设备工作频段内的干扰谱级IL大于通信水声设备实现最大作用距离对背景噪声的谱级要求时，判断产生干扰，反之判断为不产生干扰，其中，FFT(.)表示快速傅里叶变换，将时域波形转化为频谱；
IL＝FFT(i1(t)) (3)。
进一步，步骤五中，具体步骤如下：
(1)启动背景噪声模拟器，使其始终保持发射，模拟噪声的频段与通信水声设备工作频段相同，谱级与通信水声设备实现最大作用距离指标对背景噪声的谱级需求相同；
(2)启动配试设备，试验期间配试设备持续发射配试通信信号，发射信号声源级的设定方法为：在通信水声设备处接收到配试通信信号的强度与通信水声设备实现最大作用距离时接收到的通信信号强度相同，且在通信水声设备处接收到配试设备发送的电话、电报等声音清晰、正确；
(3)通信水声设备设置为电话或电报接收工作方式，配试设备发射电话或电报配试信号，干扰源水声设备按照步骤二中制定的工况依次发射，在通信水声设备处收听、记录干扰现象，若基本无干扰声音且通信内容清晰，判断为无干扰；若收听到干扰声音但通信内容清晰，判断为一般干扰；若听到干扰声音较大但基本可分辨通信内容，判断为中等干扰；若收听到干扰声音较大且基本不能分辨通信内容，判断为严重干扰；
进一步，步骤六中，通过分析通信水声设备前端接收通道中首次产生饱和处及其之前采集时域波形的频谱分析通道饱和原因、研究抗干扰措施；
(3)对于带外干扰，即在频谱图中干扰源水声设备发射主频频段的频谱较强，则干扰源水声设备的主频是通信水声设备产生饱和的主要原因，抗干扰措施为在产生饱和的环节之前增设抗干扰滤波器，以衰减干扰源水声设备的主频干扰，滤波器的通带与通信水声设备工作频段相同，阻带的衰减量应使通道不产生饱和，且使自动控制后，即i3(t)的频谱中干扰源主频频段谱级小于通信水声设备工作频段内谱级6dB以上；
对于同频干扰，通过降低干扰源水声设备在通信水声设备工作频段内的频谱强度降低对通信水声设备的干扰。
本发明的有益效果在于：
本发明一种通信水声设备的声兼容湖上试验方法，通过在设计阶段利用通信水声设备和相关水声设备开展声兼容湖上试验，量化通信水声设备的受干扰情况、明确对通信效果的干扰情况、分析干扰原因、研究有效的抗干扰措施并验证其有效性，以实现实船情况下通信水声设备与相关设备的兼容使用。
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为本发明声兼容湖上试验环境示意图；
图2为本发明通信水声设备典型前端接收通道及测点示意图；
图3为采取抗干扰措施前换能器后采集时域波形i1(t)及其频谱；
图4为采取抗干扰措施前一级放大后采集时域波形i2(t)及其频谱；
图5为采取抗干扰措施前自动控制后采集时域波形i3(t)及其频谱；
图6为通信水声设备典型前端接收通道增设抗干扰滤波后示意图；
图7为采取抗干扰措施后换能器后采集时域波形i1(t)及其频谱；
图8为采取抗干扰措施后一级放大后采集时域波形i2(t)及其频谱；
图9为采取抗干扰措施前自动控制后采集时域波形i3(t)及其频谱。
具体实施方式
本发明提供一种适用于水面船通信水声设备的声兼容湖上试验方法，具体步骤如下：
步骤一：构建湖上试验环境；
声兼容湖上试验环境俯视图如附图1所示，通信水声设备和干扰源水声设备均布放于趸船，经趸船上的可移动试验平台吊放于湖中，两设备的间距D满足远场关系，取按照通信水声设备的相关参数和按照干扰源水声设备的相关参数计算的远场判据的较大者。远场判据D0的计算方法如式(1)所示，其中λ表示波长、L为换能器基阵的尺寸。
D0≥min(10L，L2/λ) (1)
通信水声设备和干扰源水声设备的基阵深度除满足其可全功率发射的最小水压外，深度关系与试验中的间距和拟在实船上安装的间距、深度成相同比例，假定通信水声设备和干扰源水声设备拟在实船上安装的深度分别h1、h2，间距为d，试验中深度分别为H1、H2，则需满足如下关系：
Figure BDA0003851407390000051
背景噪声模拟器经可移动试验平台吊放于湖中，其与通信水声设备间距为1m。
配试设备经可移动试验船吊放于湖中，用于产生与通信水声设备进行通信的水声信号，深度约10m～20m，可移动试验船与通信水声设备的间距大于200m以上；配试设备发射信号的声源级为：在通信水声设备处接收到配试通信信号强度与通信水声设备实际使用达到最大作用距离时接收到的通信信号强度相同，即满足湖上构建试验环境中通信水声设备的信噪比与实船使用中最大作用距离处的信噪比相同。
步骤二：制定干扰源水声设备的发射工况；
干扰源水声设备的发射工况主要包括如下参数：
a、发射脉宽：包括干扰源水声设备的最大、最小脉宽及介于二者之间的3～4种脉宽；
b、发射量程：满足发射脉宽要求情况下的最小量程；
c、发射频率：包括干扰源水声设备的各个发射频率及其对应各种波形；
d、发射主波束方位：在此设计阶段，干扰源水声设备拟安装实船时，可探测视界范围的临界角方位、与通信水声设备相对方位差最大的方位，以及介于二者之间的3～4个方位；
e、发射功率：包括全功率、最小功率，若均对通信水声设备产生干扰或均不产生干扰，则不需增加介于二者之间的功率，否则按照干扰源水声设备的设计情况，需增加介于二者之间档位的功率。
步骤三：判断通信水声设备前端接收通道是否产生饱和；
在通信水声设备换能器基阵后端及容易产生饱和的环节后端设置测点，通信水声设备典型前端接收通道流程框图如附图2所示，在一级放大后端、自动增益控制后端等位置处设置测点；干扰源水声设备发射时，利用数据采集器同时采集各测点时域波形数据，采样频率为通信水声设备高频截止频率和干扰源水声设备发射频率中大者的4倍以上。
通过比较各测点采集数据时域波形i1(t)、i2(t)、i3(t)的峰峰值与各级放大、滤波的限幅电压判断通道是否产生饱和，若大于限幅电压、波形削顶等判断为产生饱和，如附图4所示，小于限幅电压判断为不产生饱和，如附图8所示。
步骤四：量化判断通信水声设备数字信号处理的受干扰情况；
利用采集器在换能器后采集的时域波形数据i1(t)进行干扰判断，当在通信水声设备工作频段内的干扰谱级IL，如式(3)所示，大干通信水声设备实现最大作用距离对背景噪声的谱级要求时，判断产生干扰，反之判断为不产生干扰。
IL＝FFT(i1(t)) (3)
步骤五：判断判断通信水声设备通信效果的受干扰情况；
具体步骤如下：
(1)启动背景噪声模拟器，在本项试验过程中，使其始终保持发射，模拟噪声的频段与通信水声设备工作频段相同、谱级与通信水声设备实现最大作用距离指标对背景噪声的谱级需求相同。
(2)启动配试设备，试验期间配试设备持续发射配试通信信号，发射信号声源级的设定方法为：在通信水声设备处接收到配试通信信号的强度与通信水声设备实现最大作用距离时接收到的通信信号强度相同，且在通信水声设备处接收到配试设备发送的电话、电报等声音清晰、正确。
(3)通信水声设备设置为电话或电报接收工作方式，配试设备发射电话或电报配试信号，干扰源水声设备按照步骤二中制定的工况依次发射，在通信水声设备处收听、记录干扰现象，若基本无干扰声音且通信内容清晰，判断为无干扰；若收听到干扰声音但通信内容清晰，判断为一般干扰；若听到干扰声音较大但基本可分辨通信内容，判断为中等干扰；若收听到干扰声音较大且基本不能分辨通信内容，判断为严重干扰。
步骤六：通道饱和、干扰原因分析及抗干扰措施设计；
通过分析通信水声设备前端接收通道中首次产生饱和处及其之前采集时域波形的频谱分析通道饱和原因、研究抗干扰措施。
(1)对于带外干扰，即在频谱图中干扰源水声设备发射主频频段的频谱较强，如附图3所示，则干扰源水声设备的主频是通信水声设备产生饱和的主要原因，抗干扰措施为在产生饱和的环节之前增设抗干扰滤波器，以衰减干扰源水声设备的主频干扰，如附图6所示。滤波器的通带与通信水声设备工作频段相同，阻带的衰减量应使通道不产生饱和，如附图8、9所示；且使自动控制后，即i3(t)的频谱中干扰源主频频段谱级小于通信水声设备工作频段内谱级6dB以上，如附图9所示。
(2)对于同频干扰，则需通过降低干扰源水声设备在通信水声设备工作频段内的频谱强度降低对通信水声设备的干扰。
重复步骤三～五验证所采取抗干扰措施的有效性。
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 (7)

1.一种通信水声设备的声兼容湖上试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：构建湖上试验环境；将通信水声设备、干扰源水声设备、背景噪声模拟器以及配试设备均布放于趸船，经趸船上的可移动试验平台吊放于水中；
步骤二：制定干扰源水声设备的发射工况，发射工况主要包括发射脉宽、发射量程、发射频率、发射主波束方位以及发射功率；
步骤三：判断通信水声设备前端接收通道是否产生饱和；
步骤四：量化判断通信水声设备数字信号处理的受干扰情况；
步骤五：判断判断通信水声设备通信效果的受干扰情况；
步骤六：通道饱和、干扰原因分析及抗干扰措施设计；
步骤七：重复步骤三至步骤五验证所采取抗干扰措施的有效性。
2.根据权利要求1所述的一种通信水声设备的声兼容湖上试验方法，其特征在于，步骤一中，通信水声设备和干扰源水声设备的间距D满足远场关系，取按照通信水声设备的相关参数和按照干扰源水声设备的相关参数计算的远场判据的较大者，远场判据D0的计算方法如式(1)所示，其中λ表示波长、L为换能器基阵的尺寸；
D0≥min(10L，L2/λ) (1)
通信水声设备和干扰源水声设备的基阵深度除满足其可全功率发射的最小水压外，深度关系与试验中的间距和拟在实船上安装的间距、深度成相同比例，通信水声设备和干扰源水声设备拟在实船上安装的深度分别h1、h2，间距为d，试验中深度分别为H1、H2，满足如下关系：
Figure FDA0003851407380000011
配试设备用于产生与通信水声设备进行通信的水声信号，配试设备的深度为10m～20m，可移动试验船与通信水声设备的间距大于200m；配试设备发射信号的声源级为：在通信水声设备处接收到配试通信信号强度与通信水声设备实际使用达到最大作用距离时接收到的通信信号强度相同，即满足湖上构建试验环境中通信水声设备的信噪比与实船使用中最大作用距离处的信噪比相同。
3.根据权利要求1所述的一种通信水声设备的声兼容湖上试验方法，其特征在于，步骤二中，干扰源水声设备的发射工况主要包括如下参数：
a、发射脉宽：包括干扰源水声设备的最大、最小脉宽及介于二者之间的3-4种脉宽；
b、发射量程：满足发射脉宽要求情况下的最小量程；
c、发射频率：包括干扰源水声设备的各个发射频率及其对应各种波形；
d、发射主波束方位：在此设计阶段，干扰源水声设备拟安装实船时，可探测视界范围的临界角方位、与通信水声设备相对方位差最大的方位，以及介于二者之间的3-4个方位；
e、发射功率：包括全功率、最小功率，若均对通信水声设备产生干扰或均不产生干扰，则不需增加介于二者之间的功率，否则按照干扰源水声设备的设计情况，需增加介于二者之间档位的功率。
4.根据权利要求1所述的一种通信水声设备的声兼容湖上试验方法，其特征在于，步骤三中，在通信水声设备换能器基阵后端及容易产生饱和的环节后端设置测点，通信水声设备在一级放大后端、自动增益控制后端位置处设置测点；干扰源水声设备发射时，利用数据采集器同时采集各测点时域波形数据，采样频率为通信水声设备高频截止频率和干扰源水声设备发射频率中大者的4倍以上；i1(t)、i2(t)、i3(t)分别为在换能器基阵后端、一级放大后端、自动增益控制后端的时域数据，通过比较各测点采集数据时域波形i1(t)、i2(t)、i3(t)的峰峰值与各级放大、滤波的限幅电压判断通道是否产生饱和，若大于限幅电压、波形削顶等判断为产生饱和，小于限幅电压判断为不产生饱和。
5.根据权利要求1所述的一种通信水声设备的声兼容湖上试验方法，其特征在于，步骤四中，利用采集器在换能器后采集的时域波形数据i1(t)进行干扰判断，当在通信水声设备工作频段内的干扰谱级IL大于通信水声设备实现最大作用距离对背景噪声的谱级要求时，判断产生干扰，反之判断为不产生干扰，其中，FFT(.)表示快速傅里叶变换，将时域波形转化为频谱；
IL＝FFT(i1(t)) (3)。
6.根据权利要求1所述的一种通信水声设备的声兼容湖上试验方法，其特征在于，步骤五中，具体步骤如下：
(1)启动背景噪声模拟器，使其始终保持发射，模拟噪声的频段与通信水声设备工作频段相同，谱级与通信水声设备实现最大作用距离指标对背景噪声的谱级需求相同；
(2)启动配试设备，试验期间配试设备持续发射配试通信信号，发射信号声源级的设定方法为：在通信水声设备处接收到配试通信信号的强度与通信水声设备实现最大作用距离时接收到的通信信号强度相同，且在通信水声设备处接收到配试设备发送的电话、电报等声音清晰、正确；
(3)通信水声设备设置为电话或电报接收工作方式，配试设备发射电话或电报配试信号，干扰源水声设备按照步骤二中制定的工况依次发射，在通信水声设备处收听、记录干扰现象，若基本无干扰声音且通信内容清晰，判断为无干扰；若收听到干扰声音但通信内容清晰，判断为一般干扰；若听到干扰声音较大但基本可分辨通信内容，判断为中等干扰；若收听到干扰声音较大且基本不能分辨通信内容，判断为严重干扰。
7.根据权利要求1所述的一种通信水声设备的声兼容湖上试验方法，其特征在于，步骤六中，通过分析通信水声设备前端接收通道中首次产生饱和处及其之前采集时域波形的频谱分析通道饱和原因、研究抗干扰措施；
(1)对于带外干扰，即在频谱图中干扰源水声设备发射主频频段的频谱较强，则干扰源水声设备的主频是通信水声设备产生饱和的主要原因，抗干扰措施为在产生饱和的环节之前增设抗干扰滤波器，以衰减干扰源水声设备的主频干扰，滤波器的通带与通信水声设备工作频段相同，阻带的衰减量应使通道不产生饱和，且使自动控制后，即i3(t)的频谱中干扰源主频频段谱级小于通信水声设备工作频段内谱级6dB以上；
(2)对于同频干扰，通过降低干扰源水声设备在通信水声设备工作频段内的频谱强度降低对通信水声设备的干扰。
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