水下目标轨迹测量处理系统的设计与实现∗

丁翠环 李孟学 韩 硕（.9388部队湛江540）（.93部队湛江540）

水下目标轨迹测量处理系统的设计与实现∗

丁翠环1李孟学2韩 硕1
（1.91388部队湛江524022）（2.92213部队湛江524022）

应用成熟的信号处理技术和单片机技术研制水下目标测量处理机，处理机具有目标测量和动态静态模拟仿真功能，处理机的所有参数能由计算机设置，计算机软件采用Visual C++编程，软件功能齐全，人机界面好，完成跟踪定位、事后处理、系统自检、模拟仿真等功能。

五目标跟踪定位；锁相跟踪信号处理技术

Class Num ber TB556

1 引言

提高水声测量设备作用距离，在信号能量一定情况下，唯一办法就是提高接收机处理信噪比。目前在这方面有很多技术，例如相关技术、LMS自适应线性累加技术、ALE线谱相关技术等，但这些技术较适合10MS以上脉冲信号处理，对于2MS以下脉冲信号来说好处不大，测量误差也较大。

我们吸收了水声信号处理中的新技术，研制出锁相跟踪处理器。这种处理器性能优越，构造简单，容易制成超小型电路板，应用这种处理器能使现有设备性能包括作用距离，测时精度有较大提高。用锁相跟踪处理器构成的多通道处理机最大特点就是无邻通道串漏现象。

2 系统主要功能

系统具有以下主要功能：五目标定位跟踪、轨迹显示和打印；目标数据回放及事后处理；动态和静态目标模拟仿真；同步帧率连续可变；目标信号频率连续可变；计算机设置处理机所有参数。

3 系统组成及工作原理

水下目标轨迹测量处理系统由四个水听器、水下目标测量处理机和计算机三部分组成。系统组成原理框图如图1所示。

水下目标测量处理机组成原理框图如图2，采用锁相跟踪信号处理技术进行信号检测，提高了信噪比，降低了检测域，克服了邻道窜漏，同时电路设计简单。将目标模拟仿真技术与处理技术结合起来制成的一体化结构，减小了系统体积，提高了系统性能，既能接收处理目标，又能完成仿真模拟功能，给系统测试、调试、检查、维修带来极大方便。

4 关键技术

4.1 锁相跟踪水声信号处理技术

4.1.1 锁相跟踪原理

锁相环路本质是一个相位负反馈误差控制系统，其最大特点是不用电感线圈，实现对输入信号频率和相位的自动跟踪。它跟踪固有频率的输入信号时没有误差，跟踪频率变化的输入信号时精度也相当高。它对输入信号似一个窄带跟踪滤波器，能够跟踪并检测淹没在噪声中的微弱信号。

4.1.2 锁相环路组成

锁相环路由签相器（PD）、环路滤波器（LPE）和压控振荡器（VC）三部分组成，框图如图3所示。

签相器是相位比较装置，它把输入信号Ui（t）与压控振荡器输出信号Uo（t）的相位进行比较，产生对应于两信号相位的误差电压。环路滤波器的作用是滤除误差电压Ud（t）中的高频成分和噪声，以保证环路所要求的性能，增加环路的稳定性。压控振荡器受环路滤波器输出的压控电压Uc（t）控制，使其频率向输入信号的频率靠拢，直至频差消失，环路锁定。

4.2 锁相跟踪处理器工作原理

4.2.1 锁相跟踪处理器组成

该处理机采用锁相跟踪信号处理技术进行信号检测，提高了信噪比，降低了检测域，克服了邻道窜漏，同时电路设计简单。将目标模拟仿真技术与处理技术结合起来制成的一体化结构，从而减小了系统体积，提高了系统性能，既能接收处理目标，又能完成仿真模拟功能，给系统测试、调试、检查、维修带来极大方便。原理框图如图4。

4.2.1.1 抗叠混滤波器

此滤波器采用美国MAXIM生产的MAX274设计，MAX274是由四个相互独立的级联二阶单元组成有源滤波器，每一单元都能构成带通和低通滤波响应特性。

4.2.1.2 时间增益控制

时间增益控制（TVG）目的在于抑制近程强信号对远程弱信号的影响，以减轻AGC的负担，同时在发射信号瞬时，有关断通道动能（TVG）设计要求按增益随指数上升原则。

4.2.1.3 噪声增益控制

噪声会影响锁相环的捕获时间，从而影响测时精度。我们取时间常数3~5s可保证平滑大起伏噪声，使噪声变的相对平稳。

4.2.1.4 自动混合环增益控制

对于窄脉冲信号，特别是双脉冲信号来说，信号增益控制非常重要，其性能好坏直接关系到测时精度，特别是第二个脉冲测时精度。对窄脉冲信号的增益控制通常方法是时间常数取在大约1 B左右的包络检波法，B为接收机带宽。

这种单纯的增益控制方法有三个缺点，一是输出信号前端有失真；二是抬高了信号之外的噪声电平；三是抬高了反射波增益，抗多途效应差。为了解决以上三个缺点，我们在增益控制方面采用自动混合环控制，自动混合环有三种控制方式，即：时间增益自动控制，噪声增益自动控制，脉冲信号增益自动控制。三种控制方式根据不同时间，不同环境既可单独使用，又可混合使用。这种增益控制方法提高了信噪比，即使在没有信号的情况下噪声输出控制在门限以下。

4.2.1.5 时间窗检测

由于海洋环境中有噪声及各种干扰，电路检测中有可能出现误动作，为消除这些因素，我们在锁相环后面增加一级时间检测，时间窗大小根据信号而定，在时间窗口之内信号检测有效并输出。

4.3 定位跟踪技术

高精度实时测定目标鱼雷的运动轨迹是鱼雷靶场定型试验中测量系统的最重要的任务，它考核鱼雷在水下的运动特性的指标。系统跟踪定位是采用同步测距和球面交汇的定位技术，经计算机实时解算，并经过数据滤波，事后分析处理等技术，优化实时测得的轨迹数据。

4.3.1 定位数学模型

系统采用四个水听器输入，任取三个参与解算，经优化处理，最终提高定位精度。数学模型表达如下：

其中：i=1，2，3，4，（xi，yi，zi）为水听器坐标。

双脉冲第一个脉冲为测时值ti，第二个脉冲为深度测量值，所以z方向为已知量。

4.3.2 跟踪滤波算法

对目标实时跟踪过程中，由于水文条件和水下噪声等的影响，总会使有时测量的斜距数据和目标到水听器之间的距离不相符，或者水听器测不到目标到它之间的斜距，且深度数据有时在干扰信号等的作用下也会有较大的偏差，或根本测量不到深度数据。用这些不良的数据去解算目标轨迹坐标就会使目标的轨迹产生跳变野值或断点（无解点）。但目标的运动是有规律（惯性）的，我们可根据目标的运动规律，用能反映目标运动规律的跟踪滤波算法，即可有效地剔除野值并合理地补充轨迹断点，这里采用比较成熟的α、β滤波算法来滤波和预报目标轨迹坐标。

4.4 计算机处理软件

计算机软件共包括五部分，即信号处理机监控处理软件、定位跟踪软件、模拟仿真软件、事后处理软件和系统自检软件。

●信号处理机监控处理软件。主要完成处理机参数设置、与计算机通信、动态模拟仿真、检查与修正等功能。

●定位跟踪软件。完成五目标的跟踪定位，改进型αβ实时数据滤波技术提高了系统的跟踪能力和轨迹测量精度。增强了在复杂的海洋环境下或信号测量设备工作状态不佳时所测得的数据的可信度。

●模拟仿真软件。完成了动态和静态模拟功能，增强了系统的实验室动态模拟演练的能力，有利于系统的软硬件检查和故障排除。仿真时在计算机上随意调整噪声和信号电平大小，模拟图有圆形、直线、蛇行轨迹和不规则轨迹，有效地检查系统的电联通情况，有利于系统的软硬件检查和故障排除。

●事后处理软件。完成数据处理，结果打印，轨迹回放，轨迹显示处理等功能，进一步提高定位精度。

●系统自检软件。完成系统对处理机的检测，一是功能测试和故障自检，二是各参数调整，并自动修正延时量，提高系统的智能化程度。

5 结语

水下目标测量处理机体积小，重量轻，性能可靠，功能齐全；计算机软件设计合理，操作方便，显示直观。经过测试计量、验收和实际使用，证明该系统操作简单、工作可靠。该系统构思新颖、设计合理、小型轻便、操作简单、可靠实用，智能化程度高，技术上有创新，性能指标超过国内同类系统，其技术达到国内该领域的领先水平。

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Design and Realization of Underwater Target Tracking M easure and Processing System

DING Cuihuan1L IM engxue2HAN Shuo1
（1.No.91388 TroopsofPLA，Zhanjiang 524022）（2.No.92213 Troopsof PLA，Zhanjiang 524022）

App lying mature signal processing technology and MCU technology,a underwater target measure processer is designed.The processer can accomplish targetmeasure，dynamic and static simulation emulator.All parameters of processer is set by computer.The computer software has been programmed by Visual C++.The software function is complete.Human computer interface is friendly.The software can accomplish tracking positioning，off-line processing，system self-checking，simulation emulatorand soon.

five targets tracking and positioning，phase-locked tracking signal processing technology

TB556 DO I：10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.011

2016年11月4日，

2016年12月27日

丁翠环，女，高级工程师，研究方向：水声测控。李孟学，男，工程师，研究方向：导航通信。韩硕，女，硕士研究生，工程师，研究方向：水声测控。