張弋珂, 肖素娟, 楊云川, 施曉海

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線性調(diào)頻信號在魚雷主動電磁引信中的應(yīng)用

張弋珂, 肖素娟, 楊云川, 施曉海

(中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

線性調(diào)頻信號具有抗干擾和對抗能力強等優(yōu)點, 廣泛應(yīng)用于雷達、通信和魚雷自導(dǎo)等領(lǐng)域, 但對于魚雷電磁引信還屬于一種新的信號體制。文中建立了魚雷電磁引信模型, 闡述了線性調(diào)頻信號的工作原理,研究了線性調(diào)頻信號的產(chǎn)生, 分析了回波信號的幅頻特性。通過MATLAB軟件對其抗干擾性能進行仿真, 驗證了線性調(diào)頻信號作為魚雷主動電磁引信探測信號的可行性。

魚雷; 線性調(diào)頻信號; 電磁引信; 抗干擾

0 引言

現(xiàn)代海戰(zhàn)條件下, 魚雷引信的工作環(huán)境日漸復(fù)雜, 不僅要面對來自大自然的干擾, 還要應(yīng)對各種形式的人工干擾[1]。對于現(xiàn)代魚雷引信的要求, 不僅要具備良好的探測性能, 更要注重提高其抗干擾和對抗的能力[2]。

電磁引信是魚雷最早采用的引信類型。魚雷電磁引信經(jīng)過多代改進, 技術(shù)成熟、工作可靠, 反潛反艦均可通用, 尤其適用于淺水水域或艦船/潛艇的尾流場等混雜的聲場環(huán)境中, 在世界先進魚雷中得到廣泛應(yīng)用。但由于電磁引信是基于電磁感應(yīng)原理, 易受雷內(nèi)、外電磁環(huán)境的影響。隨著新型魚雷武器、水下對抗器材、反魚雷手段的發(fā)展和現(xiàn)代水下作戰(zhàn)環(huán)境的變化, 傳統(tǒng)的電磁引信單頻工作模式容易被敵方進行頻率截獲和實施干擾, 難以滿足魚雷及其武器系統(tǒng)新的作戰(zhàn)使用要求。

線性調(diào)頻信號廣泛應(yīng)用于雷達、通信、導(dǎo)彈引信和魚雷自導(dǎo)等領(lǐng)域[3], 如美國早期的波馬克地-空導(dǎo)彈采用了正弦調(diào)頻邊帶引信, 法國的馬特拉530空-空導(dǎo)彈采用正弦調(diào)頻寬帶引信, 以色列的美洲虎空-空導(dǎo)彈采用了多調(diào)制頻率的正弦調(diào)頻邊帶引信[4-6]。

通過研究適用于魚雷的寬頻帶電磁引信技術(shù), 實現(xiàn)復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下艦艇目標(biāo)的可靠探測, 提高魚雷引信對目標(biāo)檢測、抗干擾和反對抗能力, 滿足對目標(biāo)精確打擊和高效毀傷的迫切需求, 具有重要的現(xiàn)實意義和軍事應(yīng)用前景[7-8]。

針對提高魚雷主動電磁引信的抗干擾性和對抗能力, 安瑞[9]闡述了偽碼調(diào)相信號作為寬頻帶電磁引信探測信號的可行性。

借鑒線性調(diào)頻雷達技術(shù), 將線性調(diào)頻信號作為魚雷主動電磁引信的探測信號, 是提高引信抗干擾和對抗能力的一條可行的技術(shù)途徑。文中通過MATLAB軟件分別對單頻以及線性調(diào)頻信號工作體制下目標(biāo)回波信號進行了數(shù)值仿真, 對比分析了目標(biāo)回波信號幅頻特性, 為今后線性調(diào)頻號在魚雷電磁引信中的應(yīng)用提供參考。

1 基于線性調(diào)頻技術(shù)的魚雷電磁引信

1.1 線性調(diào)頻信號

線性調(diào)頻(linear frequency modulation, LFM) 信號指持續(xù)時間頻率連續(xù)線性變化的信號, 線性調(diào)頻信號通過對載波頻率進行調(diào)制以增加信號的發(fā)射帶寬。線性調(diào)頻信號的復(fù)數(shù)表達式為

設(shè)LFM發(fā)射信號初始頻率f1=400 Hz, 帶寬=500 Hz, 周期=1 s, 時間=0~1 s, 步長1/2 400 s, 得到的線性調(diào)頻信號的時域圖、頻域圖以及時頻圖分別如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 LFM信號時域圖

圖2 LFM信號頻域圖

圖3 LFM信號時頻圖

1.2 魚雷電磁引信系統(tǒng)

結(jié)合線性調(diào)頻技術(shù)和魚雷主動電磁引信的特點, 提出一種基于數(shù)字化技術(shù)的線性調(diào)頻引信系統(tǒng)設(shè)計方案, 如圖4所示。

引信系統(tǒng)采用線性調(diào)頻信號作為探測信號,利用DSP(digital signal processor)產(chǎn)生線性調(diào)頻信號, 將產(chǎn)生的線性調(diào)頻信號作為激勵信號通過功率放大和發(fā)射匹配后, 激勵發(fā)射天線向魚雷周圍的海水介質(zhì)中輻射交變的電磁場。當(dāng)魚雷在目標(biāo)艦船附近通過時, 引信探測電磁場在金屬目標(biāo)殼體表面感應(yīng)渦流, 該渦流二次場使引信輻射的物理場發(fā)生畸變, 這一變化后的物理場被接收天線感應(yīng)后變成電信號后,由信號處理電路進行放大、濾波處理和目標(biāo)特性提取與識別, 滿足條件時輸出起爆信號[10]。

2 魚雷電磁引信目標(biāo)回波信號數(shù)值仿真

2.1 目標(biāo)回波信號模型

當(dāng)魚雷在目標(biāo)附近通過時, 引信有效信號是目標(biāo)反射場強的變量, 信號強度隨魚雷與目標(biāo)的距離(以下統(tǒng)稱為雷目距離)而變化, 且與目標(biāo)的材料、尺寸、環(huán)境介質(zhì)等相關(guān)。為了簡化對艦船目標(biāo)反射場的計算, 一般用無限大的理想導(dǎo)電平面來代替艦船殼體, 收發(fā)天線采取垂直配置, 如圖5所示。

對于常用的垂直天線系統(tǒng)(接收天線與發(fā)射天線的軸線垂直), 目標(biāo)反射場強度計算公式[5]

式中 :為輻射磁矩;為引信基數(shù), 即收發(fā)天線的軸間距;為非觸發(fā)引信作用距離;為接收處磁場強度;K為海水介質(zhì)的傳播衰減系數(shù);K為目標(biāo)反射系數(shù);K(l)為目標(biāo)外形計算系數(shù);K為引信接收機引起的時間延遲系數(shù)。

式中,為海水中電磁波波長, 且

其中,＝2π角頻率。

其中:0為真空導(dǎo)磁率;1為海水的導(dǎo)磁率;2為金屬目標(biāo)殼體的導(dǎo)磁率;1為海水的導(dǎo)電率;2為金屬目標(biāo)殼體的導(dǎo)電率。

2.2 仿真試驗

2.2.1 試驗內(nèi)容

利用MATLAB仿真軟件, 重點分析引信工作頻率、引信作用距離對接收目標(biāo)回波信號強度的影響。

通過數(shù)值仿真計算, 分別得出單頻信號以及線性調(diào)頻信號, 在接收天線處磁場強度與引信工作頻率和引信作用距離之間的關(guān)系。

1) 發(fā)射信號為單頻信號時, 得出多個頻點上, 場強與作用距離的變化關(guān)系; 2) 發(fā)射信號為線性調(diào)頻信號時, 場強與不同作用距離的變化關(guān)系, 對比其與1)中的結(jié)果; 3) 發(fā)射信號為單頻信號時, 分析在不同的作用距離條件下場強與頻率的變化關(guān)系; 4) 發(fā)射信號為線性調(diào)頻信號時, 不同的調(diào)頻斜率(即不同的帶寬), 所對應(yīng)的場強和頻率的變化關(guān)系。

2.2.2 試驗結(jié)果及分析

1) 發(fā)射信號為單頻信號時, 場強與作用距離的變化關(guān)系。從頻率范圍=200~3 000 Hz中, 每隔200 Hz選取一個頻點研究雷目距離和場強的關(guān)系, 如圖6所示。

在所研究的頻率范圍內(nèi), 不同頻率條件下, 場強在作用距離由0.5~10 m的變化過程中均是先增大再減小, 且均在距離=1.25 m(/4)時取得最大值。不同頻率時, 最大值點的變化情況如圖7所示。

2) 發(fā)射信號為調(diào)頻信號時, 即=f1+, 研究在1個周期內(nèi)場強與作用距離的變化關(guān)系, 發(fā)射信號為線性調(diào)頻, 其中f1=200, 帶寬=2800 Hz, 周期=1 s, 調(diào)頻斜率=/。場強與頻率、作用距離的變化關(guān)系如圖8所示。

圖6 單頻信號下各變量變化關(guān)系

圖7 場強最大值與頻率的變化關(guān)系

圖8 LFM探測信號各變量變化關(guān)系

由圖8可以看出, 發(fā)射信號為線性調(diào)頻信號時, 與1)中單頻時場強在作用距離由0.5~10 m的變化過程中, 依然遵循先增大后減小的規(guī)律, 且在頻率呈線性變化時, 場強依然在=1.25 m處取得最大值。

發(fā)射信號為線性調(diào)頻信號時, 分析在不同的作用距離條件下場強與頻率的變化關(guān)系, 場強與頻率的變化情況如表1所示。

表1 作用距離和場強的變化關(guān)系(線性調(diào)頻)

作用距離在0.5~7.5 m的范圍內(nèi), 相對變化率均在10%以內(nèi), 信號相對穩(wěn)定, 屬于線性調(diào)頻體制電磁引信系統(tǒng)可接受的參數(shù)范圍。

3) 不同的調(diào)頻斜率(即不同的帶寬), 所對應(yīng)的場強和頻率的變化關(guān)系。選取典型的距離(=4 m)條件下, 討論不同的調(diào)頻斜率(或帶寬)下, 頻率和接收處場強的變化情況。=/, 而周期設(shè)定為1 s, 調(diào)頻斜率的變化是由帶寬的變化所引起, 頻率初始值f1=200 Hz, 因而設(shè)帶寬為100~2800 Hz, 步長100 Hz, 由MATLAB仿真得到頻率與場強的變化關(guān)系如圖9所示。各個調(diào)頻斜率(帶寬)下, 得到接收的場強變化情況如表2所示。頻率由200~3000 Hz, 其總體變化如圖10所示。

表2 場強和調(diào)頻斜率的變化關(guān)系

2.3 仿真結(jié)果與分析

由仿真試驗可以得出, 雷目距離在0.5~7.5 m的范圍內(nèi), 接收處場強的相對變化率均在10%以內(nèi), 信號相對穩(wěn)定, 屬于線性調(diào)頻體制電磁引信系統(tǒng)可接受的參數(shù)范圍, 可作為線性調(diào)頻信號電磁引信的參數(shù)選擇。此外, 帶寬取100~1500 Hz時, 接收處場強的相對變化率均在10%以內(nèi), 信號相對穩(wěn)定, 有利于信號的檢測。所以帶寬可接受的選取范圍100~1500 Hz。

3 線性調(diào)頻信號抗干擾仿真

由于傳統(tǒng)單頻電磁引信信號容易受到干擾影響, 文中只進行線性調(diào)頻抗單線譜和多線譜干擾仿真及分析。

3.1 帶內(nèi)單線譜和多線譜干擾檢測

帶內(nèi)單一頻率, 同相的頻譜, 與信號時間一樣長的干擾, 干擾信號的幅度為2 V, 干擾頻率為800 Hz, 仿真結(jié)果如圖11所示。由圖可知, 帶內(nèi)干擾峰值為1.062×104, 第二大干擾值為8 656, 則信號分辨力為1.23。

帶內(nèi)多個頻率, 同相的頻譜, 與信號時間一樣長的干擾, 干擾信號的幅度為1 V, 干擾頻率為800 Hz, 900 Hz, 1 000 Hz, 1 100 Hz, 1 200 Hz, 1 300 Hz, 仿真結(jié)果如圖12所示。由圖可知, 帶內(nèi)干擾峰值為6.527×104, 第二大干擾值為5.688×104, 則信號分辨力為1.15。

3.2 抗單線譜干擾仿真

模擬人工干擾, 在線性調(diào)頻信號中加入帶內(nèi)單一頻率, 同相的頻譜, 與信號時間一樣長的干擾, 干擾信號的幅度為2 V, 干擾頻率為800 Hz, 仿真結(jié)果如圖13所示。由圖可知, 目標(biāo)信號值為7.123×105, 最大干擾值為7 019, 則信號分辨力為101.5。

3.3 抗多線譜干擾仿真

模擬人工干擾, 在線性調(diào)頻信號中加入帶內(nèi)多個頻率, 同相的頻譜, 與信號時間一樣長的干擾, 干擾信號的幅度為2 V, 干擾頻率為800 Hz, 900 Hz, 1 000 Hz, 1 100 Hz, 1 200 Hz, 1 300 Hz, 仿真結(jié)果如圖14所示。由圖可知, 目標(biāo)信號值為9.05×105, 最大干擾值為9.768×104, 則信號分辨力為9.3。

通過上述仿真分析, 可得出以下結(jié)論: 1) 在無信號, 只有帶內(nèi)線譜干擾下, 信號檢測分辨力較低, 不超過1.5; 2) 線性調(diào)頻信號信號檢測分辨力為124.7, 隨著帶內(nèi)線譜的增多, 信號檢測分辨力減弱; 3) 線性調(diào)頻信號相對單頻信號抗干擾能力有很大提高, 并且具備一定的對抗能力。

4 結(jié)束語

通過對線性調(diào)頻信號、目標(biāo)回波信號以及引信系統(tǒng)抗干擾性的仿真, 得出了線性調(diào)頻電磁引信系統(tǒng)可接受的參數(shù)選取范圍, 論證了線性調(diào)頻信號作為魚雷電磁引信探測信號的可行性和其優(yōu)良的抗干擾性。針對其抗干擾性能優(yōu)良的特點, 今后的研究中應(yīng)用多種形式的干擾信號檢驗其抗干擾能力, 從而為今后基于線性調(diào)頻體制的魚雷主動電磁引信的研究發(fā)展提供參考。

[1] 嚴爭通, 肖素娟, 崔戶山, 等. 基于跳頻技術(shù)的魚雷電磁引信抗干擾研究[J]. 魚雷技術(shù), 2014, 22(6): 425-429.

Yan Zheng-tong, Xiao Su-juan, Cui Hu-shan, et al. Electromagnetic Fuze Technology for Torpedo Based on Frequency Hopping Detecting System[J]. Torpedo Technology, 2014, 22(6): 425-429.

[2] 王紹卿. 魚雷近炸引信原理與設(shè)計[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 1992.

[3] 黃海燕, 呂樂群, 蒲書縉. 連續(xù)波調(diào)頻引信信號的檢測方法[J]. 電子信息對抗技術(shù), 2013, 28(5): 6-10.

Huang Hai-yan, Lü Le-qun, Pu Shu-jin. Detection of Continuous Wave FM Radio Fuse[J]. Electronic Warfare Technology, 2013, 28(5): 6-10.

[4] Kay S, Salisbury S. Improved Active Sonar Detection Using Autoregressive Prewhiteners[J]. Acoustical Society of America Journal, 1990, 87(4): 1603-1611.

[5] Carmillet V, Amblard P O, Jourdain G. Detection of Phase or Frequency-modulated Signals in Reverberation Noise[J]. Acoustical Society of America Journal, 1999, 105(6): 3375-3389.

[6] 何心怡, 蔣興舟, 林建域. 基于亮點模型的潛艇回波仿真[J]. 魚雷技術(shù), 2001, 9(3): 15-18.

[7] 白志科, 施曉海, 肖素娟. 魚雷電磁引信信號處理軟硬件技術(shù)研究[J]. 探測與控制學(xué)報, 2009, 12(31): 8-10.

Bai Zhi-ke, Shi Xiao-hai, Xiao Su-juan. Study on Signal Processing Software and Hardware Techniques for Torpedo Electromagnetic Fuze[J]. Journal of Detection & Control, 2009, 12(31): 8-10.

[8] 張濤, 任志良, 于千. 魚雷電磁引信仿真平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 魚雷技術(shù), 2011, 19(2): 156-160.

Zhang Tao, Ren Zhi-liang, Yu Qian. Design and Implementation of Torpedo Electromagnetic Fuze Simulation Platform[J]. Torpedo Technology, 2011, 19(2): 156-160.

[9] 安瑞, 何忠平, 施顯林. 基于有限元的偽碼調(diào)相電磁引信目標(biāo)信號分析[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2017, 25(5): 443-447.

An Rui, He Zhong-ping, Shi Xian-lin. FEM Based Analysis on Target Signal of Phase Modulated by Pseudorandom Code for Torpedo Electromagnetic Fuze[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2017, 25(5): 443-447.

[10] 肖素娟, 南長江, 步相東. 魚雷戰(zhàn)斗部與引信技術(shù)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2009.

(責(zé)任編輯: 許 妍)

Application of LFM Signal to Torpedo’s Active Electromagnetic Fuze

ZHANG Yi-ke, XIAO Su-juan, YANG Yun-chuan, SHI Xiao-hai

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

Linear frequency modulation(LFM) signal has the advantages of anti-interference and strong resistance, so it has been widely used in radar, communication and torpedo homing. However LMF is a new signal system to torpedo electromagnetic fuze. In this paper, an electromagnetic fuze model of a torpedo is established, the working principle of LFM signal is expounded, the generation of LFM signal is investigated, and the amplitude frequency characteristic of echo signal is analyzed. The software MATLAB is adopted to simulate the anti-interference performance of LFM signal, and the results show that LFM signal can be applied to detection of torpedo active electromagnetic fuze.

torpedo; linear frequency modulation(LFM) signal; electromagnetic fuze; anti-interference

張戈珂(1993-), 在讀碩士, 主要研究方向為魚雷引信技術(shù).

TJ431.7; TN973

A

2096-3920(2018)02-0174-06

張弋珂, 肖素娟, 楊云川, 等. 線性調(diào)頻信號在魚雷主動電磁引信中的應(yīng)用[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2018, 26(2): 174-179.

2017-10-10;

2018-01-19.

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.02.012