海軍駐昆明地區(qū)軍事代表辦事處 楊立健

強(qiáng)噪聲干擾的數(shù)學(xué)模型

海軍駐昆明地區(qū)軍事代表辦事處 楊立健

本文從強(qiáng)噪聲干擾器機(jī)理入手,研究計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬法產(chǎn)生強(qiáng)噪聲的仿真實(shí)現(xiàn),為研制強(qiáng)噪聲對(duì)抗聲自導(dǎo)魚雷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供理論基礎(chǔ)。

制強(qiáng)噪聲；干擾；數(shù)學(xué)模型

0 引言

在水聲試驗(yàn)靶場(chǎng)中，進(jìn)行強(qiáng)噪聲干擾設(shè)備干擾聲自導(dǎo)魚雷的試驗(yàn)，考核干擾效果，是設(shè)計(jì)強(qiáng)噪聲干擾器材、改進(jìn)魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)，提高其抗干擾能力的重要手段。強(qiáng)噪聲干擾設(shè)備干擾聲自導(dǎo)魚雷的試驗(yàn)在海試、湖試條件下由于很難對(duì)魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)的各項(xiàng)響應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)、做出具體分析，因此實(shí)現(xiàn)困難、并且費(fèi)用龐大?；趯?duì)接陣的聲自導(dǎo)魚雷抗干擾實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)克服了以上不利條件，可完成空投反潛魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)的水聲對(duì)抗與反對(duì)抗陸上物理仿真實(shí)驗(yàn)，具有良好的效益。

基于對(duì)接陣的聲自導(dǎo)魚雷抗干擾實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，是一種魚雷陸上物理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于空投反潛魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)陸上條件下，實(shí)現(xiàn)其在強(qiáng)噪聲干擾設(shè)備干擾下海上工作環(huán)境的仿真。該系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)控制下，以聲對(duì)接模式（物理仿真）為魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)提供不同速度、方位、距離、信噪比的目標(biāo)聲仿真信號(hào)，并加入強(qiáng)噪聲干擾信號(hào)，對(duì)聲自導(dǎo)魚雷實(shí)施寬帶干擾，從而驗(yàn)證強(qiáng)噪聲干擾設(shè)備干擾空投反潛魚雷的可行性。

1 強(qiáng)噪聲干擾器機(jī)理

目前國(guó)際上利用強(qiáng)功率聲對(duì)抗器方式干擾魚雷對(duì)目標(biāo)的跟蹤是已經(jīng)發(fā)展成熟的與魚雷進(jìn)行對(duì)抗的“軟對(duì)抗”手段之一。而在空投魚雷的情況下，魚雷就會(huì)落在離潛艇僅僅1km左右的范圍內(nèi)，因此，只需要幾十秒就能攻擊到目標(biāo)。空投魚雷從入水到跟蹤攻擊上目標(biāo)，一般僅需60～90秒的時(shí)間，如果依賴現(xiàn)有潛艇上與線導(dǎo)魚雷進(jìn)行對(duì)抗的技術(shù)從發(fā)現(xiàn)魚雷到識(shí)別魚雷并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，進(jìn)行對(duì)抗，一般要3分鐘以上的時(shí)間，而啟動(dòng)對(duì)抗器材到進(jìn)入聲對(duì)抗?fàn)顟B(tài)也要1分鐘時(shí)間，因此現(xiàn)有器材較難與空投魚雷對(duì)抗。與近距離來襲魚雷對(duì)抗的有效措施之一是使用強(qiáng)功率干擾器切斷魚雷與潛艇的接觸。為爭(zhēng)取時(shí)間，這種強(qiáng)噪聲干擾器材采用安裝在耐壓殼體外的“背負(fù)式”干擾器，通過倉(cāng)內(nèi)開關(guān)啟動(dòng)就能發(fā)射強(qiáng)干擾，使魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)迷航。當(dāng)然，強(qiáng)噪聲干擾也可能成為暴露潛艇的信號(hào)源。

當(dāng)強(qiáng)鄰頻干擾信號(hào)與微弱有用目標(biāo)回波信號(hào)同時(shí)進(jìn)入魚雷自導(dǎo)接收機(jī)時(shí)，或接收機(jī)使用的器件的固有非線性，或輸入干擾信號(hào)過強(qiáng)，超過了器件的動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，會(huì)使接收機(jī)的靈敏度顯著下降、有用信號(hào)的增益顯著降低。這種現(xiàn)象好象干擾阻塞了有用信號(hào)在接收機(jī)中的正常傳輸，故稱阻塞干擾（見圖1）。

阻塞干擾是由于接收機(jī)放大器線形不良、動(dòng)態(tài)范圍太窄及噪聲系數(shù)惡化等原因造成的。由于電路的非線形，尤其是針對(duì)模擬電路，當(dāng)有兩個(gè)以上干擾存在時(shí)，干擾之間的相互作用可以形成新的頻率分量。如果新組成的頻率分量剛好落在接收機(jī)通帶內(nèi)，則會(huì)對(duì)造成對(duì)接收機(jī)的干擾。這種互調(diào)干擾將會(huì)降低接收機(jī)的增益，當(dāng)使增益降低到一定程度時(shí)，就形成了阻塞干擾。當(dāng)鄰頻干擾幅度越大、有用信號(hào)的幅度越小時(shí)，接收機(jī)增益下降的就越多。一般情況下，接收機(jī)放大系數(shù)隨干擾信號(hào)幅度的二次方而迅速下降。當(dāng)調(diào)幅的干擾進(jìn)入接收機(jī)后，其調(diào)制信號(hào)又交叉調(diào)制有用信號(hào)的載頻，且隨有用信號(hào)一道輸出。若干擾的幅度足夠大，以至于通過接收機(jī)前端選擇電路后仍有不可忽略的幅度時(shí)，那么由于接收機(jī)的非線形特性，必然給接收機(jī)帶來干擾。這種干擾一旦在接收機(jī)的某一級(jí)產(chǎn)生，接收機(jī)以后各級(jí)回路的選擇性便不會(huì)對(duì)它有任何抑制作用。當(dāng)有用信號(hào)或者干擾過強(qiáng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過接收機(jī)本身的線形范圍和動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生大信號(hào)阻塞。當(dāng)接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍不足時(shí)，正確使用限幅器是有效的辦法。限幅器對(duì)于調(diào)幅和調(diào)頻信號(hào)的阻塞作用是不相同的。對(duì)于調(diào)幅信號(hào)，限幅器可削去有用信號(hào)的幅度信息；對(duì)于調(diào)頻信號(hào)，限幅器可畸變有用信號(hào)的相位。對(duì)于調(diào)頻信號(hào)而言，當(dāng)有用信號(hào)大于干擾信號(hào)時(shí)，限幅的結(jié)果同樣會(huì)使干擾降低，從而形成強(qiáng)信號(hào)抑制弱干擾。

圖1 強(qiáng)噪聲干擾聲自導(dǎo)魚雷機(jī)理

由以上分析可知，強(qiáng)噪聲干擾器是以頻率覆蓋水聲設(shè)備的接收機(jī)通帶、以功率掩蓋目標(biāo)回波的一種壓制性和阻塞性干擾器材。強(qiáng)噪聲的帶寬如果覆蓋了接收機(jī)的接收通帶，足夠幅度的強(qiáng)噪聲干擾會(huì)使接收機(jī)靈敏度降低，使其輸出效率和輸出信噪比不能達(dá)到一定要求，最終阻塞掉接收機(jī)。

2 強(qiáng)噪聲干擾信號(hào)的模型

干擾魚雷的強(qiáng)噪聲干擾器能發(fā)出很強(qiáng)的干擾噪聲，可造成強(qiáng)大的干擾背景，覆蓋敵方魚雷自導(dǎo)的頻率范圍。強(qiáng)噪聲被敵方魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)接收后，可以降低主動(dòng)自導(dǎo)系統(tǒng)的輸入信噪比，同時(shí)也可以降低自導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)能力。對(duì)于敵方魚雷被動(dòng)自導(dǎo)系統(tǒng)來講，噪聲干擾器是一個(gè)很強(qiáng)的假目標(biāo)，可使被動(dòng)自導(dǎo)魚雷丟失真實(shí)目標(biāo)轉(zhuǎn)而進(jìn)行攻擊假目標(biāo)。

若一個(gè)具有零均值的平穩(wěn)隨機(jī)過程x(t)，其功率譜密度在某一個(gè)有限頻率范圍內(nèi)均勻分布，而在此范圍外為零，則稱這個(gè)過程為限帶白噪聲。強(qiáng)噪聲的模型就是一個(gè)帶通型限帶白噪聲。將幅度很強(qiáng)的白噪聲通過一個(gè)帶通濾波器，濾波器的帶寬滿足寬帶要求，并且覆蓋魚雷接收機(jī)帶寬，變可以產(chǎn)生寬帶強(qiáng)噪聲干擾信號(hào)。

3 強(qiáng)噪聲干擾信號(hào)的數(shù)字仿真實(shí)現(xiàn)

對(duì)強(qiáng)噪聲干擾信號(hào)的仿真實(shí)現(xiàn)總的來說可以有兩種辦法：一種是通過建立強(qiáng)噪聲的數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法來產(chǎn)生數(shù)字強(qiáng)噪聲干擾信號(hào)；一種是利用電子器件如二級(jí)管的噪聲特性再加以濾波、放大等輔助電路來通過硬件實(shí)現(xiàn)模擬形式的強(qiáng)噪聲干擾信號(hào)。以下討論了兩種計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)字強(qiáng)噪聲干擾信號(hào)：

3.1 寬帶隨機(jī)強(qiáng)噪聲用白噪聲通過數(shù)字寬帶濾波器來產(chǎn)生

寬帶隨機(jī)噪聲用白噪聲通過數(shù)字寬帶濾波器來產(chǎn)生時(shí)，其中寬帶噪聲頻寬就是濾波器的通頻帶。寬帶隨機(jī)噪聲可表示為

在給定噪聲干擾器的譜級(jí)、頻帶寬度等技術(shù)指標(biāo)時(shí)，可以設(shè)計(jì)數(shù)字帶通濾波器，從而得到帶通濾波器的脈沖響應(yīng)和符合要求的寬帶隨機(jī)噪聲。

圖2所示為由白噪聲通過帶通濾波器產(chǎn)生的寬帶噪聲的功率譜。

圖2 白噪聲通過帶通濾波器產(chǎn)生的寬帶噪聲的功率譜

3.2 由線性調(diào)頻信號(hào)來產(chǎn)生的數(shù)字強(qiáng)噪聲干擾信號(hào)

寬帶噪聲也可以用線性調(diào)頻信號(hào)來產(chǎn)生，其中的參數(shù)例如頻率范圍，譜級(jí)等均可根據(jù)需要任意設(shè)定。噪聲譜級(jí)由噪聲聲強(qiáng)級(jí)或者是聲壓級(jí)度量，而噪聲的均方差也就是噪聲的聲壓有效值。噪聲譜級(jí)由下式確定。

線形調(diào)頻信號(hào)（LFM）的表達(dá)式為：

其中M是線性調(diào)頻指數(shù)，T是方波包絡(luò)的寬度，是載頻，頻率調(diào)制寬度，用模擬信號(hào)采樣成數(shù)字信號(hào)。

圖3是由線性調(diào)頻信號(hào)產(chǎn)生的寬帶噪聲的功率譜，頻率范圍是0.3～0.7，譜級(jí)0.96。

圖3 由線形調(diào)頻信號(hào)產(chǎn)生的寬帶噪聲的功率譜

噪聲干擾器產(chǎn)生的強(qiáng)寬帶噪聲對(duì)于敵方魚雷自導(dǎo)只是起到增強(qiáng)其噪聲干擾背景作用。當(dāng)魚雷自導(dǎo)采用比較先進(jìn)的聲發(fā)射技術(shù)例如變頻、調(diào)制、編碼等時(shí)，即使干擾背景強(qiáng)大，仍然有可能利用先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)識(shí)別出有效回波，這時(shí)噪聲干擾器的干擾效果就會(huì)大大受到影響。

4 結(jié)束語

通過上述對(duì)噪聲干擾器模型的分析，為研究計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬法產(chǎn)生強(qiáng)噪聲的仿真實(shí)現(xiàn),以及研制強(qiáng)噪聲對(duì)抗聲自導(dǎo)魚雷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供了一定的理論基礎(chǔ)。此外，也對(duì)今后實(shí)際試驗(yàn)分析提供了可靠依據(jù)。

[1]康鳳舉． 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用[M]．北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2001．

[2]W．J．伯迪克著,方良嗣譯．水聲系統(tǒng)分析[M]．北京:海洋出版社,1992．

[3]沈鳳麟．葉中付．錢玉美．信號(hào)統(tǒng)計(jì)分析與處理[M]．合肥:中國(guó)科技大學(xué)出版社,2001．