邱 濤，陳韶華

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

深彈自導(dǎo)性能是決定精確打擊目標(biāo)的關(guān)鍵，通過(guò)理論分析與仿真研究自導(dǎo)算法的測(cè)向測(cè)距性能是算法性能評(píng)估的重要方向[1-4]。結(jié)合工程實(shí)際，設(shè)計(jì)合理的深彈自導(dǎo)過(guò)程，利用過(guò)程仿真來(lái)驗(yàn)證算法的適用性，可以降低試驗(yàn)成本，提高效率，為算法提供理論基礎(chǔ)。

本文首先通過(guò)深彈自導(dǎo)運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)假設(shè)，建立了深彈自導(dǎo)的初始條件。據(jù)此仿真信號(hào)的參數(shù)和體制[5-6]，基于波束域相關(guān)開(kāi)展自導(dǎo)過(guò)程仿真[7]，利用時(shí)延估計(jì)方法[8]得出自導(dǎo)過(guò)程目標(biāo)方位仿真結(jié)果，對(duì)比驗(yàn)證算法的有效性。

1 波束域相關(guān)處理

圖1是平面陣等效波束分布圖，波束間距為d。根據(jù)平面陣陣形和陣元幾何位置來(lái)生成陣元仿真信號(hào)，并綜合考慮聲盲區(qū)對(duì)仿真信號(hào)脈寬的要求、相對(duì)運(yùn)動(dòng)多普勒頻移等對(duì)測(cè)向的影響、信混比對(duì)信號(hào)幅值大小的影響，設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)不同距離要求的信號(hào)脈寬、不同相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度下的頻率、不同信混比下的信號(hào)幅值，以此得到隨自導(dǎo)環(huán)境（位置、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度）變化的仿真信號(hào)。通過(guò)波束域相關(guān)處理、過(guò)門(mén)限檢測(cè)后估計(jì)時(shí)延來(lái)測(cè)向測(cè)距。

圖1 平面陣等效波束示意圖Fig.1 Schematic diagram of equivalent beam of planar array

設(shè)水平A和B波束求得的時(shí)延為1τ，垂直A和C波束求得的時(shí)延為2τ，遠(yuǎn)場(chǎng)聲源入射方位角與俯仰角分別為φ與θ，與x軸與y軸的夾角分別為α與β，如圖2所示。

圖2 目標(biāo)方位示意圖Fig.2 Schematic diagram of target location

根據(jù)幾何投影關(guān)系，有：

根據(jù)聲吶方程，可以計(jì)算出等效波束對(duì)體積混響和海底混響的信混比。

體積混響可表示為

海底混響表示為

體積混響條件下的信混比：

海底混響條件下的信混比：

檢測(cè)閾根據(jù)信號(hào)參數(shù)計(jì)算，一般在6 dB以上?？梢?jiàn)海底混響的信混比較低，在混響背景下檢測(cè)回波信號(hào)很困難，因此考慮采用長(zhǎng)CW脈沖，通過(guò)多普勒歸零補(bǔ)償技術(shù)抑制混響，避免混響背景，從而在噪聲背景中檢測(cè)信號(hào)。

2 態(tài)勢(shì)假設(shè)與仿真分析

2.1 態(tài)勢(shì)假設(shè)

深彈入水下沉舷側(cè)陣搜索目標(biāo)，確定目標(biāo)大致方位后，自導(dǎo)系統(tǒng)啟動(dòng)，頭部陣工作，開(kāi)始跟蹤目標(biāo)。如圖3所示，設(shè)定基陣與目標(biāo)的初始水平距離與初始垂直距離，以及彈垂直下沉速度與導(dǎo)向目標(biāo)速度、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度，目標(biāo)作勻速直線運(yùn)動(dòng)。將運(yùn)動(dòng)過(guò)程分割短時(shí)處理，彈在短時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)可看作為是朝著鎖定目標(biāo)方向直線運(yùn)動(dòng)。根據(jù)實(shí)際彈自導(dǎo)能力，將彈自導(dǎo)偏轉(zhuǎn)角度限定在20°內(nèi)。彈入水后，下沉舷側(cè)陣搜索目標(biāo)，連續(xù)多次搜索到目標(biāo)后，確定目標(biāo)的大致方位，然后開(kāi)始導(dǎo)向目標(biāo)。

圖3 導(dǎo)引運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖Fig.3 Schematic diagram of moving trace

圖3中，在位置1舷側(cè)陣連續(xù)多次搜索到目標(biāo)，此時(shí)位置7的目標(biāo)的俯仰角1α=63.43°。彈進(jìn)入頭部陣搜索階段，偏轉(zhuǎn)角度0α=20°，運(yùn)動(dòng)2 s后到位置 2。目標(biāo)運(yùn)動(dòng)到位置 8，測(cè)得目標(biāo)的俯仰角3α=44.47°，彈偏轉(zhuǎn)20°運(yùn)動(dòng)，2α=40°，2s后運(yùn)動(dòng)到位置3。目標(biāo)運(yùn)動(dòng)到位置9，測(cè)得目標(biāo)的俯仰角5α=24.96°，彈偏轉(zhuǎn)20°運(yùn)動(dòng)，4α=60°，2s后運(yùn)動(dòng)到位置4。目標(biāo)運(yùn)動(dòng)到位置10，測(cè)得目標(biāo)的俯仰角6α=4.63°，俯仰角小于20°。此后彈運(yùn)動(dòng)軌跡沿著測(cè)得的目標(biāo)方向變化，一段時(shí)間間隔計(jì)算一次目標(biāo)俯仰角。設(shè)仿真時(shí)間間隔為2 s，短時(shí)間內(nèi)彈運(yùn)動(dòng)可近似為直線運(yùn)動(dòng)，將目標(biāo)的初始位置設(shè)為（0，200），彈入水位置為（400，0），得到自導(dǎo)全過(guò)程中目標(biāo)與彈運(yùn)動(dòng)軌跡圖，見(jiàn)圖4。在圖4中，彈和目標(biāo)最終交會(huì)（距離小于10 m，認(rèn)定為交會(huì)），彈和目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)假設(shè)合理。

圖4 目標(biāo)與彈運(yùn)動(dòng)過(guò)程Fig.4 Moving process of target and charge

2.2 仿真分析

根據(jù)2.1節(jié)中態(tài)勢(shì)假設(shè)可以計(jì)算出自導(dǎo)過(guò)程中俯仰角的幾何值，假定仿真目標(biāo)初始方位角為π/2，為模擬彈下沉和自導(dǎo)過(guò)程中彈體旋轉(zhuǎn)，仿真時(shí)俯仰角在幾何值的基礎(chǔ)上加上隨機(jī)誤差πrandn(1)/60，方位角在π/2基礎(chǔ)上加上隨機(jī)誤差πrandn(1)/36，并從自導(dǎo)起始位置開(kāi)始迭代。

圖5 等效4波束信號(hào)Fig.5 Signals of 4-beam equivalent

圖6 多普勒頻移內(nèi)過(guò)門(mén)限檢測(cè)Fig.6 Over threshold detection within Doppler shifts

根據(jù)最大線譜多普勒頻移內(nèi)過(guò)門(mén)限的方法，可以得到自導(dǎo)全過(guò)程中目標(biāo)方位和距離，將結(jié)果與幾何值比對(duì)，見(jiàn)圖7-11。

圖7 目標(biāo)方位角仿真結(jié)果與幾何值對(duì)比Fig.7 Comparison results of target azimuth angle simulation with geometry

從圖7可知，加入隨機(jī)誤差模擬彈體旋轉(zhuǎn)，會(huì)使整個(gè)自導(dǎo)過(guò)程中目標(biāo)方位角一直改變。除了位置5外，其余目標(biāo)方位角仿真結(jié)果與幾何值的差值小于5°，仿真方位角的變化規(guī)律與幾何值基本相同。在圖8中，彈自導(dǎo)前期，由于航速和控制能力限制，幾何態(tài)勢(shì)設(shè)定時(shí)將偏轉(zhuǎn)角度限制在20°以內(nèi)，貼合實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，仿真得的目標(biāo)俯仰角較大。當(dāng)俯仰角小于20°后，進(jìn)入導(dǎo)引跟蹤階段后仿真得到的目標(biāo)俯仰角小于 15°。除了位置 15以外，目標(biāo)俯仰角仿真結(jié)果與幾何值差值小于 5°，在誤差允許范圍內(nèi)。圖9和圖10是根據(jù)方位角和俯仰角計(jì)算得到的目標(biāo)上下角和左右角對(duì)比結(jié)果，可以看出仿真結(jié)果與幾何設(shè)定值差值在 3°以內(nèi)。圖 11是取過(guò)門(mén)限最大線譜求得的彈目距離，不同位置的距離仿真值均大于幾何設(shè)定值，差值小于1/4脈寬距離。

圖8 目標(biāo)俯仰角仿真結(jié)果與幾何值對(duì)比Fig.8 Comparison results of target pitch angle simulation with geometry

圖9 目標(biāo)左右角仿真結(jié)果與幾何值對(duì)比Fig.9 Comparison results of target left and right angle simulation with geometry

圖10 目標(biāo)上下角仿真結(jié)果與幾何值對(duì)比Fig.10 Comparison results of target top and bottom angle simulation with geometry

圖11 目標(biāo)與彈的距離仿真結(jié)果與幾何值對(duì)比Fig.11 Comparison results of target distance simulation from charge with geometry

從幾何態(tài)勢(shì)幾何值與仿真結(jié)果對(duì)比可知，除個(gè)別點(diǎn)外，測(cè)向的仿真結(jié)果與幾何值差值小于 5°，測(cè)距誤差小于cT/4（T為信號(hào)脈寬，c為聲速），表明波束域相關(guān)測(cè)向測(cè)距方法可行。從俯仰角來(lái)看，進(jìn)入導(dǎo)引跟蹤階段后，目標(biāo)的俯仰角小于15°，在等效波束范圍內(nèi)。

3 湖上試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

2019年進(jìn)行了湖上試驗(yàn)，試驗(yàn)采用自導(dǎo)聲基陣平臺(tái)，利用目標(biāo)特性回波模擬裝置在不同距離發(fā)射CW脈沖，采用波束域相關(guān)方法對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和分析。

圖12為實(shí)測(cè)等效4波束信號(hào)，對(duì)檢測(cè)到回波信號(hào)進(jìn)行分周期分析，將距離與GPS記錄值對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖13。

圖12 實(shí)測(cè)等效4波束信號(hào)Fig.12 Experimental signals of 4-beam equivalent

圖13 距離實(shí)測(cè)值與GPS記錄值對(duì)比Fig.13 Differences of distance between measured value with GPS value

從圖13可知，在檢測(cè)到回波周期中，距離實(shí)測(cè)值與GPS記錄值差值小于15 m，試驗(yàn)時(shí)由于水流影響，會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)搭載平臺(tái)位置時(shí)刻發(fā)生改變，但測(cè)距誤差在允許范圍內(nèi)。利用波束域相關(guān)方法可以較為準(zhǔn)確地測(cè)量回波距離。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用CW脈沖信號(hào)仿真研究了深彈自導(dǎo)過(guò)程中目標(biāo)方位和距離的估計(jì)方法。仿真結(jié)果表明：測(cè)向誤差小于5°，距離估計(jì)與幾何值基本吻合，等效波束域相關(guān)測(cè)向測(cè)距方法有效，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理也側(cè)面驗(yàn)證了此方法在工程應(yīng)用上可行。下一步將對(duì)更多實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)一步驗(yàn)證與優(yōu)化信號(hào)處理方法。