智能水雷敵我識別及關(guān)鍵參數(shù)分析*

李 超，應(yīng)朝龍，劉春霞，孫艷麗

智能水雷敵我識別及關(guān)鍵參數(shù)分析*

李 超**a，應(yīng)朝龍b，劉春霞a，孫艷麗b

（海軍航空工程學(xué)院a.研究生管理大隊；b.基礎(chǔ)實驗部，山東煙臺264001）

為了解決傳統(tǒng)水雷對敵我雙方都構(gòu)成威脅的問題，在分析敵我識別技術(shù)工作原理的基礎(chǔ)上，提出了一種智能水雷敵我識別流程和敵我識別裝置實現(xiàn)方法，通過理論分析和仿真研究了聲傳播損失和傳播距離、發(fā)射信號中心頻率之間的關(guān)系，分析了影響水雷識別距離的參數(shù)，得出了識別距離應(yīng)不小于1 km的結(jié)論，為未來水雷的智能化改造提供了依據(jù)。

水聲通信；敵我識別；智能水雷；識別距離

1 引 言

現(xiàn)代電子戰(zhàn)和信息戰(zhàn)具有突發(fā)性、快速性、海陸空一體化、持續(xù)時間短等特點，勢必要求對攻擊目標的敵我屬性進行快速、準確、可靠的識別，以避免在戰(zhàn)爭中造成對己方目標的誤傷。敵我識別（Identifi_ cation Friend or Foe，IFF）是采用主動或被動方式來判斷敵友及其意圖的電子系統(tǒng)，主要用于完成陸海空三軍及各兵種的敵我識別任務(wù)[1]。目前，比較成熟的敵我識別系統(tǒng)通信一般都是使用無線電，一些新型的敵我識別器也采用激光和毫米波進行通信，但是這些敵我識別裝置大多安裝在空中、陸基和水面平臺。

水雷作為一種海軍重要的戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)略武器，具有成本低廉、使用簡單、破壞力大等優(yōu)點，在封鎖港口和海上通道等方面發(fā)揮著重要作用，因此一直受到各國的高度重視。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)水雷在引信系統(tǒng)、遙控、自導(dǎo)等方面已有很多發(fā)展，但目前還沒有關(guān)于水雷具備敵我識別能力的文獻報道。本文的主要目的是從空中、陸基和水面平臺的敵我識別思路出發(fā)，研究水雷的敵我識別智能化改造方法及其關(guān)鍵參數(shù)確定方法。

2 敵我識別工作原理

敵我識別系統(tǒng)往往是各國極為保密的軍用裝備，相關(guān)技術(shù)資料比較少，所以本文只分析介紹簡要工作原理。敵我識別系統(tǒng)從工作原理上一般可分為主動式敵我識別系統(tǒng)和被動式敵我識別系統(tǒng)兩類[2-3]。

（1）主動式敵我識別系統(tǒng)

主動式敵我識別系統(tǒng)由詢問機和應(yīng)答機兩部分構(gòu)成，通過兩者之間數(shù)據(jù)保密的詢問/應(yīng)答通信實現(xiàn)識別。首先由詢問機發(fā)出一個無線電詢問信號，目標應(yīng)答機接收詢問信號，如果接收到的詢問信號是正確的詢問代碼，則應(yīng)答機將給詢問機自動發(fā)送出所請求的應(yīng)答信號，然后詢問機對應(yīng)答信號進行解碼，從而識別出目標的敵我屬性。

（2）被動式敵我識別系統(tǒng)

被動式敵我識別系統(tǒng)沒有與目標間的通信過程，是將被識別目標看作系統(tǒng)的外部環(huán)境，通過傳感器對其結(jié)構(gòu)特征（目標二維投影的長度、寬度、面積等）、統(tǒng)計特征（均值和均方誤差等）、空間特征（方向、位置、速度和距離等）和反射參數(shù)/信號特征進行觀測，收集目標各方面信息。這些信息被匯總到數(shù)據(jù)處理中心、通過固定的算法，利用系統(tǒng)處理器對數(shù)據(jù)進行相關(guān)分類、特征匹配來判別目標的敵我屬性。

3 水雷敵我識別系統(tǒng)

目前，各種平臺間的敵我識別信息均是以無線電的形式在空氣中傳播，由于無線電頻率高，在水中傳播很容易衰減，因此水雷的敵我識別信息只能依靠聲波進行傳遞，聲波在水中的傳輸同樣受很多因素的影響，這些因素會造成聲波在水聲信道傳輸中能量的衰減[4-6]，所以如何設(shè)置敵我識別系統(tǒng)中相關(guān)水聲參數(shù)，將聲波能量的損失控制在合適范圍至關(guān)重要。敵我識別系統(tǒng)中另一個重要參數(shù)就是識別距離，它的選取設(shè)定也與多種因素有關(guān)。本節(jié)在介紹敵我識別系統(tǒng)組成和工作流程的基礎(chǔ)上，對敵我識別系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進行研究。

3.1 水雷敵我識別系統(tǒng)的組成

水雷敵我識別系統(tǒng)總體組成框圖如圖1所示。

圖1 水雷敵我識別系統(tǒng)總體組成框圖Fig.1 Overall comPosition block diagram of mine IFF sYstem

水雷敵我識別系統(tǒng)包括艦上設(shè)備和雷上設(shè)備兩部分。對于艦艇方面信息源指激活和應(yīng)答信號，它是由幀同步信號、指令信號組成。發(fā)送裝置是對信息源根據(jù)誤碼率和保密性要求進行編碼、轉(zhuǎn)換、發(fā)送的裝置。當數(shù)字頻帶信號進入海水后會受到多種環(huán)境、人為因素的干擾，使接收端信號變得很復(fù)雜。對于水雷上的接收裝置，是高靈敏度的水聲換能器、具備處理復(fù)雜信號能力和糾錯解碼能力的處理器。信息宿則是實現(xiàn)水雷安全和戰(zhàn)斗兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換裝置。反之，水雷方面同樣可以作為詢問信息和確認信息的發(fā)出方，其原理同上，這里不再贅述。

3.2 雷上敵我識別裝置組成

雷上敵我識別裝置是敵我識別系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分，為了保證工程可實現(xiàn)性，它既要盡可能地滿足小型化和低功耗的要求，更要保證識別的可靠性。雷上敵我識別裝置的組成框圖如圖2所示。

圖2 水雷敵我識別裝置組成框圖Fig.2 ComPosition block diagram of mine IFF device

圖2 中，傳感器信號輸入電路主要完成水聲信號的檢測，其輸出經(jīng)采集電路送到中央處理器（Cen_ tral Processing Unit，CPU）；中央處理器完成對輸入信號的處理和識別后，一方面通過輸出電路和換能器發(fā)出應(yīng)答信號，另一方面根據(jù)識別結(jié)果引信控制電路控制引信系統(tǒng)觸發(fā)電路的通斷。圖中的參數(shù)裝訂電路和存儲器可以裝訂本裝置的識別碼等重要參數(shù)。為了保證敵我識別碼等重要信息的安全，本裝置需要配置自毀信號檢測電路和自毀電路，一旦檢測到需要自毀的信號，則啟動自毀流程，銷毀存儲器中的所有數(shù)據(jù)。供電電路為本裝置各個部分提供供電電源。

3.3 識別流程

圖3為水雷敵我識別流程圖。

圖3 水雷敵我識別流程圖Fig.3 FloW chart of mine IFF

在布雷時，由布雷裝備向水雷下載識別數(shù)據(jù)，水雷進入待機和信號接收狀態(tài)。我方艦艇接近或進入雷區(qū)時，以一定頻率不斷向前方海域發(fā)送第一組敵我識別碼，當水雷接收到敵我識別信號時，如果識別碼為我方正確識別碼，則水雷向艦艇發(fā)送敵我識別詢問信號，要求艦艇回復(fù)某一個序號的敵我識別碼，艦艇按要求發(fā)送與序號相對應(yīng)的第二組識別碼，水雷收到這組識別碼后，與存儲器中的對應(yīng)編碼比較，若相符則關(guān)閉引信系統(tǒng)，并向艦艇發(fā)送一個確認信號，告訴艦艇已進入安全狀態(tài)；若識別碼不符，水雷將不作任何反應(yīng)，引信系統(tǒng)仍將處于戰(zhàn)斗狀態(tài)。在上述編碼中，第一組編碼是固定的，有可能被敵方偵聽和截獲；而第二組編碼是變化的，在水雷中存儲了很多個序號的編碼，而且每個序號的編碼只使用一次，因此即使敵方偵聽到第二組編碼，也是沒用的。只要在水雷中的編碼數(shù)據(jù)庫和艦艇上的編碼數(shù)據(jù)庫不被敵方截獲，就可保證敵我識別的可靠。

3.4 水雷敵我識別系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)分析

理想的傳輸信道是無損均勻介質(zhì)空間，傳輸過程中信號不會產(chǎn)生太大變化，但是海洋是一個極其復(fù)雜的聲信道，對聲的傳播有著不同的影響，所以如果想實現(xiàn)水雷敵我識別信息的可靠、準確傳輸，就要了解水聲信道的相關(guān)性質(zhì)，從水聲信道入手，對水雷敵我識別系統(tǒng)的一些關(guān)鍵參數(shù)進行研究[7]。

3.4.1 聲傳播損失

聲波在水聲信道中傳輸過程很復(fù)雜，要受到很多因素的影響，為了綜合考慮這些影響因素，我們引入聲納方程。它有效地將水聲設(shè)備和介質(zhì)聯(lián)系到了一起，為聲納的通信距離、通信速率以及誤碼率等參數(shù)的設(shè)計提供參考。被動聲納方程為

式中：（DT）i為接收機輸入檢測閾；SL為聲源級；TL為傳輸損失；NL為噪聲譜級；DIr為接收機指向性系數(shù)。

聲波在水聲信道中傳播會受到多種因素的影響，其傳播損失與傳播距離直接相關(guān)，而計算傳播損失是比較復(fù)雜的，一般我們認為造成聲傳播損失的原因主要包括波陣面的幾何擴展、海水的吸收、邊界損失以及散射。傳播損失主要表現(xiàn)為擴展損失和衰減損失[7]。首先對水聲信道中聲波波陣面的擴展模式作簡化，假定聲波的波陣面遵從球面擴展規(guī)律，尤立克給出的淺海、短距離傳輸損失經(jīng)驗公式為[8-9]

式中：r為聲傳播距離；β為吸收系數(shù)；20lgr為傳輸損失；βr為衰減損失；kL為近場異常衰減（與海底底質(zhì)和海況有關(guān)）。

對于吸收系數(shù)β采用經(jīng)驗計算公式：

式中：f為信號頻率。

3.4.2 識別距離

在智能水雷敵我識別系統(tǒng)中，識別距離為艦艇開啟通信聲納時與雷區(qū)的距離，識別距離過近，可能會出現(xiàn)艦艇與水雷還沒有完成整個識別流程時，艦艇就已經(jīng)進入水雷殺傷范圍，將會危及艦艇本身；識別距離過遠將會增大我方艦艇被敵方偵聽的幾率，所以確定識別距離的最小值十分重要。圖4為智能水雷敵我識別系統(tǒng)識別示意圖。

圖4 智能水雷敵我識別系統(tǒng)識別示意圖Fig.4 Identification schematic diagram of intelligent mine IFF sYstem

設(shè)激活碼長度為L1，詢問碼長度為L2，應(yīng)答碼長度為L3，確認碼長度為，數(shù)據(jù)包頭長度為l，識別碼總長度為L，詢問、應(yīng)答次數(shù)為N，則

水聲系統(tǒng)通信速率為I，艦艇前進的距離為d1，艦艇速度為υ，水雷殺傷范圍D，識別距離下限值為d，則有

于是，我們可以求得識別距離的下限值為

4 水聲信道參數(shù)仿真

4.1 聲傳播損失仿真

海洋環(huán)境復(fù)雜，狀態(tài)變化快，具體情況需要具體考慮，所以本文以淺海常見情況為例，假設(shè)海況為3級海況，海底底質(zhì)為泥底，查表可知kL為4.6 dB，當發(fā)射信號頻率分別為0.5 kHz、1 kHz、1.5 kHz、2 kHz時，聲傳播損失隨傳播距離變化的曲線如圖5所示[10]。

圖5 聲傳播損失隨距離變化曲線Fig.5 Change curve of sound transmission loss

由圖5可以看出，聲傳播損失是f的函數(shù)，且隨f的增大而增大，控制傳播損失的有效途徑就是降低發(fā)射信號頻率；聲傳播損失也是r的函數(shù)，且隨r的增大而增加，信號衰減速率降低。聲傳播損失主要與距離的關(guān)系較大。當距離較?。ú淮笥? km）時，聲傳播損失較?。ú淮笥?0 dB），可以采用普通的水聲通信系統(tǒng)實現(xiàn)可靠通信。

4.2 識別距離仿真

一般水雷殺傷范圍D在確定水雷的型號和裝藥量以后基本可以確定，編碼長度一般為2n，觀察水雷殺傷范圍、編碼總長度、通信速率和艦艇前進速度與識別距離之間的關(guān)系。

（1）根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，一般小體積的水聲通信設(shè)備的通信速率不難達到2 kb/s，當I為1 kb/s、1.5 kb/s、2 kb/s，l＝64 b，L1＝64 b，L2＝16 b，L3＝64 b，L4＝ 16 b，N＝1，即編碼總長L為224 b，D＝300 m時，可得d隨υ變化的關(guān)系曲線如圖6（a）所示；

（2）當υ＝20 kn，D＝300 m，l＝64 b，L1＝64 b，L2＝16 b，L3＝64 b，L4＝16 b，N為1、3、5，即編碼總長度為224 b、384 b、544 b，d隨I變化的關(guān)系曲線如圖6（b）所示；

（3）當l＝64 b，L1＝64 b，L2＝16 b，L3＝64 b，L4＝16 b，N＝1，即編碼總長度為224 b，I取1 kb/s，艦艇速度υ為15 kn、20 kn、25 kn、30 kn時，d隨D變化的關(guān)系曲線如圖6（c）所示。

圖6 識別距離d的變化曲線Fig.6 Change curve of identification distance

由以上仿真結(jié)果可見，d是編碼總長L、殺傷范圍D、通信速率I、艦艇速度υ的函數(shù)，具體變化關(guān)系一是d隨υ的增加而增大，二是d隨I的增大而減小，三是d隨殺傷范圍D的增大而增大，四是d隨L的增加而增大。由分析可知，識別距離最小值d雖然與以上4個參數(shù)均有關(guān)，但主要影響因素是水雷的毀傷范圍，編碼長度、通信速率和艦艇航速對識別距離下限值的影響很小。所以在考慮水雷可靠通信距離時，主要關(guān)注水雷的毀傷范圍，而水雷的毀傷范圍一般受裝藥量和裝藥方式影響，考察絕大部分水雷毀傷范圍上限一般均不超過500 m?？紤]到目前各種嵌入式系統(tǒng)的處理速度已經(jīng)非?？欤幚砣蝿?wù)能在ms量級時間內(nèi)完成，因此上述仿真結(jié)果表明，只要水雷敵我識別水聲通信系統(tǒng)的可靠通信距離超過1 km，就可以保證水雷敵我識別的可靠性。

從上述仿真結(jié)果可以看出，在水聲通信系統(tǒng)的通信速率超過1 kb/s時，通信速率對識別距離下限值影響較小；影響識別系統(tǒng)使用的主要指標是通信系統(tǒng)的通信距離。因此，綜合上述仿真分析結(jié)果，可以得出對水聲通信系統(tǒng)的主要指標要求一是可靠通信距離不小于1 km，二是通信速率不低于1 kb/s。

5 結(jié)束語

本文提出了水雷敵我識別系統(tǒng)的組成及工作原理，從聲納方程出發(fā)，對聲傳播損失、識別距離兩個系統(tǒng)參數(shù)指標進行了理論分析，仿真得到了聲傳播損失與傳播距離、信號頻率的關(guān)系，研究確定了識別距離的下限值應(yīng)不低于1 km。

下一步將在充分考慮海洋環(huán)境的多徑、起伏和多普勒效應(yīng)，對水聲信道中聲信號的傳輸路徑進行具體分析后，基于單片機對水雷敵我識別控制器進行設(shè)計和仿真驗證，最終對現(xiàn)役水雷進行智能化改造。

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李 超（1990—），男，遼寧鳳城人，2013年獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向為智能儀器設(shè)計與計量校準；

LI Chao Was born in Fengcheng，Liaoning Province，in 1990.He received the B.S.degree in 2013.He is noW a graduate student.His re_ search concerns intelligent instrument design and calibration of measurement.

Email：leechao6991@163.com

應(yīng)朝龍（1964—），男，浙江仙居人，碩士，副教授，主要研究方向為智能儀器設(shè)計；

YING Chaolong Was born in Xianju，Zhejiang Province，in 1964.He is noW an associate Professor With the M.S.degree. His research concerns intelligent instrument design.

劉春霞（1990—），女，河北石家莊人，2013年獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生；

LIU Chunxia Was born in Shijiazhuang，Hebei Province，in 1990.She received the B.S.degree in 2013.She is noW a gradu_ ate student.

孫艷麗（1982—），女，山東萊陽人，2009年獲工學(xué)碩士學(xué)位，現(xiàn)為講師，主要研究方向為信號處理。

SUN Yanli Was born in LaiYang，Shandong Province，in 1982.She received the M.S.degree in 2009.She is noW a lec_ turer.Her resarrch concerns signal Processing.

Identification Friend or Foe of Intelligent Mine and Key Parameters Analysis

LI Chaoa，YING Chaolongb，LIU Chunxiaa，SUN Yanlib
（a.Graduate Students’Brigade；b.DePartment of Basic ExPeriment，NavY Aeronautical and Engineering UniversitY，Yantai 264001，China）

In order to solve the Problem that traditional mine can be a threat to both sides，an identification friend or foe（IFF）Process and a realization method of IFF device for intelligent mine are Presented through analYzing the Working PrinciPle of IFF technologY.The relationshiPs betWeen the loss of sound ProPagation and ProPagation distance，the center frequencY of transmit signal are also studied through theoretical analY_ sis and simulation，and Parameters influencing the identification distance are analYzed.The conclusion is draWn that the recognition distance should be no less than 1 km，Which Provides a certain basis for the in_ telligent mine transformation in the future.

acoustic communication；IFF；intelligent mine；identification distance

TN929.3

A

1001-893X（2016）01-0093-05

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.01.017

李超，應(yīng)朝龍，劉春霞，等.智能水雷敵我識別及關(guān)鍵參數(shù)分析[J].電訊技術(shù)，2016，56（1）：93-97.[LI Chao，YING Chaolong，LIU Chunxia，et al.Identification friend or foe of intelligent mine and keY Parameters analYsis[J].Telecommunication Engineering，2016，56（1）：93-97.]

2015-05-18；

2015-07-28 Received date：2015-05-18；Revised date：2015-07-28

**通信作者：leechao6991@163.com Corresponding author：leechao6991@163.com