嚴(yán)爭(zhēng)通, 肖素娟, 崔戶山, 施曉海, 樊書宏, 陳亞林

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基于跳頻探測(cè)體制的魚雷電磁引信技術(shù)

嚴(yán)爭(zhēng)通1,2, 肖素娟1, 崔戶山1, 施曉海1, 樊書宏1, 陳亞林1

(1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075; 2. 水下信息與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安, 710075)

為了提高魚雷主動(dòng)電磁引信的抗干擾能力, 把跳頻技術(shù)應(yīng)用于魚雷主動(dòng)電磁引信中, 提出了基于高速數(shù)字信號(hào)處理和直接數(shù)字頻率合成的跳頻引信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案, 闡述了跳頻引信的工作原理, 重點(diǎn)研究了跳頻信號(hào)的產(chǎn)生及回波信號(hào)的處理, 并對(duì)跳頻引信的抗干擾性能進(jìn)行了理論和仿真分析。仿真結(jié)果表明, 寬頻帶跳頻工作體制有利于提高魚雷主動(dòng)電磁引信的抗干擾能力, 可為魚雷主動(dòng)電磁引信設(shè)計(jì)提供新的技術(shù)途徑。

魚雷; 跳頻技術(shù); 主動(dòng)電磁引信; 抗干擾

0 引言

在現(xiàn)代海戰(zhàn)條件下, 魚雷引信工作的環(huán)境日益復(fù)雜, 面臨的干擾越來(lái)越嚴(yán)重, 不僅會(huì)遇到自然干擾, 還將面對(duì)各種形式的人工干擾, 這就要求魚雷引信不僅要有良好的探測(cè)性能, 而且要有良好的抗干擾和對(duì)抗能力。

基于雷達(dá)探測(cè)原理的主動(dòng)電磁引信經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展, 在魚雷上得到了廣泛的應(yīng)用。但是傳統(tǒng)的電磁引信采用單頻形式的探測(cè)信號(hào), 易被敵方進(jìn)行頻率截獲和實(shí)施干擾, 不能滿足魚雷引信抗干擾和對(duì)抗的需求。探測(cè)信號(hào)體制不僅決定了系統(tǒng)的信號(hào)處理方法, 而且直接影響系統(tǒng)的抗干擾和對(duì)抗性能。將跳頻信號(hào)作為魚雷主動(dòng)電磁引信的探測(cè)信號(hào), 是提高引信抗干擾和對(duì)抗能力的重要技術(shù)途徑。跳頻信號(hào)通過(guò)頻率跳變的方式可以避開某些頻點(diǎn)上的自然干擾或人工干擾, 而頻率的跳變規(guī)律受隨機(jī)編碼的控制, 不易被敵方截獲。由于跳頻信號(hào)每個(gè)頻點(diǎn)的目標(biāo)信息來(lái)自于同一個(gè)目標(biāo), 因此具有很大的相關(guān)性, 但是表現(xiàn)形式有所差別, 利用這些信息本質(zhì)上的相關(guān)性和形式上的差異, 在單個(gè)頻點(diǎn)無(wú)法利用的一些目標(biāo)信息可以通過(guò)互相關(guān)等處理得到應(yīng)用, 從而進(jìn)一步提高引信系統(tǒng)的引爆控制性能。

本文提出一種基于高速數(shù)字信號(hào)處理和直接數(shù)字頻率合成方法的跳頻引信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案, 闡述了跳頻引信的工作原理, 重點(diǎn)研究了跳頻信號(hào)的產(chǎn)生及跳頻引信回波信號(hào)的處理方法, 對(duì)跳頻引信的抗干擾性能進(jìn)行了理論和仿真分析, 研究結(jié)果為魚雷電磁引信設(shè)計(jì)提供了新的技術(shù)思路。

1 基于跳頻技術(shù)的魚雷主動(dòng)電磁引信

1.1 跳頻技術(shù)

傳統(tǒng)的無(wú)線電通信常采用定頻的工作方式, 為了增加保密性和抗干擾性能, 跳頻技術(shù)在通信領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。上世紀(jì)90年代, 跳頻技術(shù)也成功應(yīng)用于炮彈引信, 如南非1992年投產(chǎn)的M9157A1、第5代近炸引信M9121、意大利生產(chǎn)的FB395等[1], 使用跳頻技術(shù)的炮彈引信可以有效對(duì)抗戰(zhàn)場(chǎng)上的各種有源干擾。

一般的跳頻通信系統(tǒng)見(jiàn)圖1, 跳頻技術(shù)與定頻技術(shù)的不同在于多了一個(gè)偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器用來(lái)控制頻率合成器的本振頻率, 該頻率隨序列的改變而改變, 且相同的序列也隨之在接收端輸出, 本地頻率合成器產(chǎn)生的頻率碼與預(yù)期接收的信號(hào)頻率保持同步變化, 最后跳頻信號(hào)被轉(zhuǎn)化為固頻信號(hào), 在一系列解調(diào)之后恢復(fù)到原信息碼[2]。跳頻技術(shù)相對(duì)于定頻技術(shù), 具有更好的抗干擾性和穩(wěn)定性, 能很好地避免信息截獲[3]。

圖1 跳頻通信系統(tǒng)

1.2 基于跳頻技術(shù)的魚雷主動(dòng)電磁引信系統(tǒng)

結(jié)合跳頻技術(shù)和魚雷主動(dòng)電磁引信的結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 提出一種基于數(shù)字化技術(shù)的跳頻引信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案, 如圖2所示。

圖2 基于數(shù)字化技術(shù)的跳頻引信設(shè)計(jì)方案

在同步系統(tǒng)的控制下, 偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生和跳頻頻率一一對(duì)應(yīng)的偽隨機(jī)序列。每個(gè)時(shí)序下, 產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)序列作為選頻碼, 用來(lái)控制頻率合成器產(chǎn)生跳頻信號(hào), 將跳頻信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)經(jīng)功率放大和發(fā)射匹配后, 激勵(lì)發(fā)射天線向魚雷周圍海水介質(zhì)中輻射交變的電磁場(chǎng)。當(dāng)魚雷在目標(biāo)艦船附近通過(guò)時(shí), 引信探測(cè)電磁場(chǎng)在金屬目標(biāo)殼體表面感應(yīng)渦流, 該渦流二次場(chǎng)使引信輻射的物理場(chǎng)發(fā)生畸變, 這一變化的物理場(chǎng)被接收天線感應(yīng)后變成電信號(hào), 由信號(hào)處理電路進(jìn)行放大、濾波處理和目標(biāo)特征提取與識(shí)別, 滿足條件時(shí)輸出起爆信號(hào)[4]。

2 跳頻信號(hào)產(chǎn)生

跳頻器是跳頻系統(tǒng)的核心部件, 由它產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間按一定規(guī)律但表現(xiàn)近似于隨機(jī)變化的振蕩信號(hào)。跳頻器主要由偽隨機(jī)碼序列產(chǎn)生器和頻率合成器組成。

2.1 跳頻序列設(shè)計(jì)

圖3 m序列的原理圖

2.2 頻率合成器

頻率合成器通過(guò)參考標(biāo)準(zhǔn)頻率產(chǎn)生多個(gè)輸出頻率, 運(yùn)用在跳頻系統(tǒng)的頻率合成器除一般要求外, 還需保證頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間足夠短。直接數(shù)字頻率合成(direct digital frequency synthesizer, DDFS)采用數(shù)字化技術(shù), 通過(guò)控制頻率控制字直接產(chǎn)生所需的各種不同頻率信號(hào), 工作原理見(jiàn)圖4。DDS (DDFS的簡(jiǎn)稱)主要由參考時(shí)鐘、相位累加器、正弦查找表、D/A 轉(zhuǎn)換器和濾波器等組成。使用數(shù)字信號(hào)處理(digital signal processing, DSP)器后, 可用波形存儲(chǔ)器替代正弦查找表, 方便地產(chǎn)生各種所需波形。

圖4 直接數(shù)字頻率合成工作原理圖

2.3 跳頻信號(hào)仿真

結(jié)合魚雷電磁引信的工作特點(diǎn), 設(shè)置跳頻發(fā)射信號(hào)中心頻率0= 1 kHz, 帶寬=200 Hz, 跳頻頻率數(shù)5, 頻率間隔Δ=50 Hz, 跳頻速率1 hop/s, 信號(hào)頻率=900~1 100Hz,信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度為=10 s, 采樣率=5 000 Hz, 得到跳頻信號(hào)時(shí)域和頻域圖形分別如圖5和圖6所示。

從頻域上看, 跳頻信號(hào)的頻譜在寬頻帶上以等間隔隨機(jī)跳變, 譜峰較多且隨機(jī)變化, 敵方不易捕獲信號(hào)的頻率來(lái)進(jìn)行干擾。

圖5 跳頻信號(hào)時(shí)域圖

圖6 跳頻信號(hào)頻域圖

跳頻發(fā)射信號(hào)的時(shí)頻圖如圖7所示, 從中可以看出, 跳頻信號(hào)在時(shí)間和頻率上的跳變規(guī)律。

圖7 跳頻信號(hào)時(shí)頻圖

3 信號(hào)處理方法

跳頻回波信號(hào)的處理主要是對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)與參數(shù)估計(jì), 滿足條件時(shí)輸出起爆信號(hào)。

信號(hào)的檢測(cè)主要有相關(guān)檢測(cè)和離散傅里葉變換(discrete Fourier transform, DFT)方法。其中相關(guān)檢測(cè)是一種時(shí)域信息的檢測(cè)方法, 主要是對(duì)信號(hào)和噪聲進(jìn)行相關(guān)性分析, 利用信號(hào)與噪聲不同的統(tǒng)計(jì)特性, 通過(guò)自相關(guān)和互相關(guān)運(yùn)算, 達(dá)到抑制噪聲、檢測(cè)信號(hào)的目的。白噪聲中信號(hào)的最佳檢測(cè)方法是匹配濾波, 而相關(guān)檢測(cè)在數(shù)學(xué)上正好等效于匹配濾波[6]。 DFT方法是一種頻域信息的檢測(cè)方法, 對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換, 從頻譜圖中的對(duì)應(yīng)譜線得到信號(hào)的幅度作為檢測(cè)結(jié)果。DFT對(duì)回波信號(hào)的相位不敏感, 且可很好地抑制噪聲。

回波信號(hào)的參數(shù)估計(jì)主要是進(jìn)行鑒頻、鑒相及鑒幅等處理。對(duì)經(jīng)過(guò)放大濾波的回波信號(hào)先進(jìn)行采樣, 然后做滑動(dòng)DFT, 實(shí)現(xiàn)鑒頻和幅度的檢測(cè), 然后計(jì)算回波信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的相位差, 最后判定回波信號(hào)的持續(xù)時(shí)間超過(guò)一定寬度。只有同時(shí)滿足以上3個(gè)條件才認(rèn)為回波信號(hào)已經(jīng)達(dá)到。對(duì)于其他頻率、相位及幅度的回波信號(hào)都將被視為干擾信號(hào)。

陳博等提出的多頻點(diǎn)信息分路-融合算法[7], 是一種比較適合跳頻引信的信號(hào)處理方法。跳頻引信在不同時(shí)刻向目標(biāo)發(fā)射多路不同頻率的電磁波, 接收天線接收回波信號(hào)后, 通過(guò)同步系統(tǒng)采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)將各頻點(diǎn)回波信號(hào)分開, 對(duì)各頻點(diǎn)回波信號(hào)分別進(jìn)行檢波采樣, 得到多路幅度受調(diào)制的信號(hào), 經(jīng)過(guò)濾波和包絡(luò)檢波獲得對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)上的包絡(luò)信號(hào), 對(duì)各頻點(diǎn)包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行等周期采樣處理后, 將各個(gè)結(jié)果送入融合中心進(jìn)行加權(quán)平均, 根據(jù)融合結(jié)果控制引信。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于各頻點(diǎn)回波信號(hào)間互不影響, 即使一路或多路信號(hào)被干擾, 未被干擾的支路仍能作正確判決, 從而改善引信的抗干擾性能。

下面從信號(hào)檢測(cè)方面, 以匹配濾波為例來(lái)分析跳頻信號(hào)的抗干擾性能。設(shè)跳頻發(fā)射信號(hào)中心頻率0=1 kHz, 帶寬=200 Hz, 跳頻頻率數(shù)為5, 頻率間隔Δ=50 Hz, 信號(hào)頻率=900~1 100 Hz, 信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度為=0.05 s, 每段信號(hào)持續(xù)時(shí)間為0.01 s, 采樣率=24 000 Hz。采用匹配濾波的歸一化相關(guān)檢測(cè)結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知, 目標(biāo)信號(hào)值為1, 最大干擾值為0.228 4, 則信號(hào)分辨力為1/0.228 4= 4.38。

圖8 采用匹配濾波的跳頻信號(hào)檢測(cè)結(jié)果

4 抗干擾性能仿真與分析

為了研究跳頻信號(hào)的抗干擾性能, 僅從信號(hào)的相關(guān)檢測(cè)方面進(jìn)行跳頻引信和單頻引信的仿真及對(duì)比分析, 包括抗單線譜干擾和多線譜干擾2個(gè)方面, 仿真得到的相關(guān)檢測(cè)結(jié)果均為歸一化結(jié)果。

4.1 單頻引信抗干擾性能仿真

設(shè)置單頻引信工作頻率為1 kHz, 幅度為3 V, 信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度為0.05 s, 采樣率為24 000 Hz。

1) 加入帶內(nèi)單一頻率, 且與信號(hào)時(shí)間一樣長(zhǎng)的同相干擾, 干擾信號(hào)幅度1 V, 干擾頻率980 Hz,歸一化相關(guān)檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖9 單頻引信抗單頻干擾的檢測(cè)結(jié)果

由圖9可知, 目標(biāo)信號(hào)值為1, 最大干擾值為0.636, 則信號(hào)分辨力為1/0.636= 1.57。

2) 加入帶內(nèi)和帶外多個(gè)頻率, 且與信號(hào)時(shí)間一樣長(zhǎng)的同相干擾, 干擾信號(hào)幅度1 V, 干擾頻率為800 Hz, 900 Hz, 1 000 Hz, 1 100 Hz, 1 200 Hz, 歸一化相關(guān)檢測(cè)結(jié)果如圖10所示。

圖10 單頻引信抗多頻干擾的檢測(cè)結(jié)果

由圖10可知, 目標(biāo)信號(hào)值為1, 最大干擾值為0.812 6, 則信號(hào)分辨力為1/0.812 6=1.23。

4.2 跳頻引信抗干擾性能仿真

設(shè)跳頻發(fā)射信號(hào)中心頻率0=1 kHz, 帶寬= 200 Hz, 跳頻頻率數(shù)為5, 頻率間隔Δ=50 Hz, 信號(hào)頻率=900~1 100 Hz, 信號(hào)時(shí)長(zhǎng)= 0.05 s, 每段信號(hào)持續(xù)時(shí)間為0.01 s, 采樣率Fs= 24 000 Hz。

1) 在跳頻信號(hào)中加入帶內(nèi)單一頻率, 且與信號(hào)時(shí)間一樣長(zhǎng)的同相干擾, 干擾信號(hào)幅度1 V, 干擾頻率1 kHz, 歸一化相關(guān)檢測(cè)結(jié)果如圖11所示。

圖11 跳頻引信抗單頻干擾的檢測(cè)結(jié)果

由圖11可知, 目標(biāo)信號(hào)值為1, 最大干擾值為0.294 1, 則信號(hào)分辨力為1/0.294 1= 3.40。

2) 在跳頻信號(hào)中加入帶內(nèi)和帶外多個(gè)頻率, 且與信號(hào)時(shí)間一樣長(zhǎng)的同相干擾, 干擾信號(hào)幅度均為1 V, 干擾頻率分別為800 Hz, 900 Hz, 1 000 Hz, 1 100Hz, 1 200Hz,歸一化相關(guān)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖12。

圖12 跳頻引信抗多頻干擾的檢測(cè)結(jié)果

由圖12可知, 目標(biāo)信號(hào)值為1, 最大干擾值為0.388 8, 則信號(hào)分辨力為1/0.388 8= 2.57。

4.3 仿真結(jié)果及分析

通過(guò)上述仿真研究, 可得出跳頻信號(hào)與單頻信號(hào)的抗干擾性能仿真對(duì)比結(jié)果, 參見(jiàn)表1。

表1 抗干擾性能仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果及表1可得以下結(jié)論:

1) 有帶內(nèi)線譜干擾的條件下, 單頻信號(hào)的檢測(cè)分辨力較低, 不超過(guò)2.0;

2) 隨著帶內(nèi)線譜的增多, 單頻信號(hào)和跳頻信號(hào)的檢測(cè)分辨力都減弱;

3) 在相同的干擾下, 跳頻信號(hào)的檢測(cè)分辨力高于單頻信號(hào);

4) 跳頻信號(hào)相對(duì)單頻信號(hào), 抗干擾能力有提高, 并且具備一定的對(duì)抗能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

跳頻技術(shù)擴(kuò)展了信號(hào)頻率, 增大了系統(tǒng)帶寬。從頻域上看, 跳頻引信擁有多個(gè)不同頻率的信道, 這些信道傳輸?shù)男盘?hào)是同一目標(biāo)反射的信號(hào), 因而具有很大的相關(guān)性, 但由于頻率的差異, 又不完全相同[7]。從信息抗干擾準(zhǔn)則的角度而言, 利用多頻點(diǎn)目標(biāo)回波信號(hào)和有源干擾信號(hào)不同的相關(guān)特性可以識(shí)別目標(biāo)、抑制干擾, 從而提高系統(tǒng)的抗干擾性能[8]。

采用跳頻技術(shù)后的魚雷主動(dòng)電磁引信, 只有當(dāng)干擾頻率正好處于當(dāng)前的頻點(diǎn)時(shí)才能起到干擾作用。跳頻頻帶越寬, 跳頻頻率數(shù)目越多, 抗干擾能力越強(qiáng)[9]。寬頻帶跳頻信號(hào)使目標(biāo)回波攜帶更多的目標(biāo)信息量, 有利于目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)特征提取和對(duì)抗能力的提高, 使引信引爆控制精度的提高成為可能。跳頻引信的不足之處在于頻帶較寬時(shí), 發(fā)射回路的匹配問(wèn)題難以解決, 故針對(duì)發(fā)射均衡技術(shù)的研究有待進(jìn)一步展開。

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(責(zé)任編輯: 楊力軍)

Electromagnetic Fuze Technology for Torpedo Based on Frequency Hopping Detecting System

YAN Zheng-tong,XIAO Su-juan, CUI Hu-shan, SHI Xiao-hai,FAN Shu-hong,CHEN Ya-lin

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710075, China)

To improve the anti-jamming performance of torpedo active electromagnetic fuze, the frequency hopping technology is applied to the design of torpedo active electromagnetic fuze. Accordingly, a frequency hopping fuze system based on the high-speed digital signal processing and direct digital frequency synthesizer(DDFS) is proposed. The principle of the fuze system is elaborated with focus on the generation of the frequency hopping signal and the processing of the echo signal. And the anti-jamming performance of frequency hopping fuze is analyzed in theory and simulation. Simulation results show that the broadband frequency hopping working system can improve the anti-jamming performance of torpedo active electromagnetic fuze.

torpedo; frequency hopping technology; active electromagnetic fuze; anti-jamming

TJ631.2; TN973.4

A

1673-1948(2014)06-0425-05

2014-08-13;

2014-09-09.

嚴(yán)爭(zhēng)通(1989-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)轸~雷非觸發(fā)引信技術(shù).