趙 陽 范 劍

（安徽海軍蚌埠士官學(xué)校 蚌埠 233012）

1 引言

魚雷進(jìn)行實航試驗時，難以確切地獲得魚雷過靶的實際距離、方位等信息，對于魚雷引信動態(tài)性能測試缺乏有效的方法［1～3］，針對現(xiàn)代魚雷普遍裝備主動式磁引信這一現(xiàn)狀，本文從電磁波在海水中的傳播特性出發(fā)，開展了利用魚雷主動電磁引信輻射源作為被動信號源進(jìn)行水下探測與定位的研究，利用輻射信號相位特征量對魚雷進(jìn)行定位與跟蹤［4］，從而實現(xiàn)對魚雷導(dǎo)引精度和電磁引信工作性能等戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能進(jìn)行評估，同時，在魚雷電磁引信對抗方面具有重要的理論和實際的意義。

由于海水媒質(zhì)的電磁特性，電磁波在傳播過程中產(chǎn)生的傳播衰減與相位滯后，并具有強非線性［5～7］。文獻(xiàn)［1］中，提出了一種被動測距和定位的方法，但其可能導(dǎo)致迭代結(jié)果收斂于其它局部極小點，且前一時刻的估計值有比較大的誤差就可能影響后面的參數(shù)估計結(jié)果。本文基于電磁波在海水中傳播時產(chǎn)生的傳播衰減和傳播相移隨距離變化的對應(yīng)關(guān)系，利用運動載體搭載一個三軸磁傳感器，通過遺傳算法良好的全局搜索能力，實現(xiàn)對魚雷進(jìn)行定位與跟蹤。

2 電磁引信輻射場分布

魚雷主動電磁引信是現(xiàn)代魚雷常用的一種非觸發(fā)引信，主動電磁引信主要由發(fā)射天線（引信輻射器）、接收天線（引信接收器）、發(fā)射機和接收機等組成［2］，如圖1。其原理為電磁引信發(fā)射天線產(chǎn)生一定頻率和一定功率的沿魚雷縱軸對稱空間分布的交變磁場，當(dāng)魚雷在艦艇附近通過時，艦艇殼體在魚雷輻射場的激勵下產(chǎn)生渦流二次磁場，使魚雷輻射場發(fā)生畸變，破壞原輻射場沿魚雷縱軸的對稱分布，安裝在雷頭的接收天線感應(yīng)到這一信號，經(jīng)引信接收機放大、處理和識別，產(chǎn)生點火信號，從而引爆戰(zhàn)斗部［8～9，11］。

圖1 引信系統(tǒng)組成框圖

圖2 柱坐標(biāo)系中磁偶極子

在檢測點距離遠(yuǎn)大于發(fā)射天線尺寸情況下，其可以看作一個磁偶極子源，如圖2所示，根據(jù)文獻(xiàn)［3］可知，海水中交變磁偶極子電磁場的分布特性，其在直角坐標(biāo)系中磁場分量為

設(shè)P（x，y，z）點處磁場為H（x，y，z），則有：

式中，ax，ay，az為單位矢量。

3 傳感器接收電磁場信號分析

圖3 魚雷與傳感器相對運動示意圖

假定在傳感器運動過程中，可以始終保證其x′軸與運動方向一致，z′軸與魚雷引信坐標(biāo)系的z軸平行，豎直向上，傳感器接收到電磁場信號分別記為 H′x（t）、H′y（t）、H′z（t），將引信坐標(biāo)系中電磁磁場信號分量轉(zhuǎn)換到探測器坐標(biāo)系中，有：

圖4 磁場三分量幅值變化曲線

假定海水電導(dǎo)率σ＝4s／m，相對磁導(dǎo)率μr＝1，輻射源磁矩為M＝50A·m2，頻率為f＝500Hz（以上參數(shù)全文相同），取傳感器速度vB＝5m／s，夾角α＝π／6，魚雷速度為vT＝25m／s，z0＝20m，d0＝10m，其磁場三分量幅值與相位變化曲線如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知，在魚雷與傳感器相對運動過程中，在信號可探測的范圍內(nèi)，傳感器接收到的信號相位發(fā)生明顯變化，并且相互之間存在一定的制約關(guān)系。目前，相位測量技術(shù)成熟，測試精度高，在被測輻射信號頻率穩(wěn)定時，可以利用相位信息對魚雷進(jìn)行定位。

圖5 磁場三分量相位變化曲線

4 基于GA的魚雷引信定位算法

遺傳算法［4］是Holland J.H.在20世紀(jì)70年代受生物進(jìn)化論思想啟發(fā)而提出的一種基于自然選擇和群體遺傳機理搜索最優(yōu)解的概率算法，以自然選擇和遺傳理論為基礎(chǔ)，采用人工進(jìn)化方式對目標(biāo)空間進(jìn)行隨機優(yōu)化搜索，具有自組織、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)性與本質(zhì)的并行性，提供了一種求解非線性、多模型、多目標(biāo)等復(fù)雜優(yōu)化問題的通用框架。

在海水電磁參數(shù)已知的條件下，通過電磁場測量信號得到信號頻率，從而對電磁引信定位參數(shù)（d，α0，v0，z）進(jìn)行遺傳編碼，以模型精度為模型算法的適應(yīng)度值，通過魚雷與傳感器相對運動方程求解電磁引信輻射器位置參數(shù)與運動參數(shù)。

在Matlab 7.1的GA工具箱中，GA個體的適應(yīng)度值越低，其生存能力越強，因此以模型相對誤差來表達(dá)GA個體的適應(yīng)度，模型相對誤差值計算式為相對誤差值為遺傳算法適應(yīng)度值，其中，模型相對誤差值計算式為

圖6 GA定位算法計算流程

式中，φ′xi，φ′yi，φ′zi分別表示GA個體三分量相位計算值，φxi，φyi，φzi表示實際測量的三分量相位值。采用GA算法對磁定位參數(shù)（d，α0，v0，z）來進(jìn)行求解，求解過程見圖6。

表1列出了真值d＝10m，v0＝25m／s，z＝10m，α為取0～π等不同角度值時，魚雷完全通過傳感器時，GA重復(fù)計算200次，仿真計算結(jié)果如表1所示。

表1 GA離線計算統(tǒng)計結(jié)果

在不更改GA算法參數(shù)的情況下，改變vT，α，z0，都仍然可以得到與上面相似的結(jié)果。

取－2≤t≤0，重復(fù)GA計算200次，仿真結(jié)果如表2所示：

表2 GA在線計算統(tǒng)計結(jié)果

將表2與表1統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行比較，可以看出，在線計算過程中，獲得傳感器測量數(shù)據(jù)減少，在GA算法取相同的參數(shù)下，定位精度普遍降低，但對魚雷速度估計性能較好，而魚雷與傳感器相遇角在0°附近時，對正橫距d的估計誤差較大，在90°附近時，GA定位精度較低。以上結(jié)果表明：基于GA的算法能較為準(zhǔn)確地搜索到真值鄰域解。

在對合作目標(biāo)進(jìn)行離線定位時，可以通過對定位參數(shù)作更為嚴(yán)格的限制，增加計算次數(shù)，改善定位結(jié)果精度，在對于非合作目標(biāo)進(jìn)行在線定位時，可以根據(jù)對目標(biāo)的預(yù)測、其它類型傳感器數(shù)據(jù)等參考信息對目標(biāo)方位、運動參數(shù)進(jìn)行大致估計，縮小GA搜索空間，能有效防止其未成熟收斂，提高運算效率，同時對多個磁傳感器數(shù)據(jù)融合，改進(jìn)跟蹤與定位的精度。

從大量的仿真計算結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

在給定近程范圍內(nèi)，在被測輻射信號頻率穩(wěn)定的條件下，基于GA算法電磁引信相位定位方法穩(wěn)定、可靠，具有很好的“普適性”。

5 結(jié)語

通過對磁場數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用信號相位可以實現(xiàn)魚雷電磁引信的跟蹤與定位，具有較高的精度，在魚雷自航靶、自航式魚雷誘餌等方面應(yīng)用前景廣闊，進(jìn)一步研究魚雷電磁引信精確測距方法與工程應(yīng)用是可行而必要的。

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