線性調(diào)頻信號(hào)在魚(yú)雷主動(dòng)電磁引信中的應(yīng)用

張弋珂, 肖素娟, 楊云川, 施曉海

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線性調(diào)頻信號(hào)在魚(yú)雷主動(dòng)電磁引信中的應(yīng)用

張弋珂, 肖素娟, 楊云川, 施曉海

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

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

魚(yú)雷; 線性調(diào)頻信號(hào); 電磁引信; 抗干擾

0 引言

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

電磁引信是魚(yú)雷最早采用的引信類型。魚(yú)雷電磁引信經(jīng)過(guò)多代改進(jìn), 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(chǎng)等混雜的聲場(chǎng)環(huán)境中, 在世界先進(jìn)魚(yú)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(yú)雷武器、水下對(duì)抗器材、反魚(yú)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(jìn)行頻率截獲和實(shí)施干擾, 難以滿足魚(yú)雷及其武器系統(tǒng)新的作戰(zhàn)使用要求。

線性調(diào)頻信號(hào)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、導(dǎo)彈引信和魚(yú)雷自導(dǎo)等領(lǐng)域[3], 如美國(guó)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(guó)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(guò)研究適用于魚(yú)雷的寬頻帶電磁引信技術(shù), 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下艦艇目標(biāo)的可靠探測(cè), 提高魚(yú)雷引信對(duì)目標(biāo)檢測(cè)、抗干擾和反對(duì)抗能力, 滿足對(duì)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(shí)意義和軍事應(yīng)用前景[7-8]。

針對(duì)提高魚(yú)雷主動(dòng)電磁引信的抗干擾性和對(duì)抗能力, 安瑞[9]闡述了偽碼調(diào)相信號(hào)作為寬頻帶電磁引信探測(cè)信號(hào)的可行性。

借鑒線性調(diào)頻雷達(dá)技術(shù), 將線性調(diào)頻信號(hào)作為魚(yú)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)抗能力的一條可行的技術(shù)途徑。文中通過(guò)MATLAB軟件分別對(duì)單頻以及線性調(diào)頻信號(hào)工作體制下目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行了數(shù)值仿真, 對(duì)比分析了目標(biāo)回波信號(hào)幅頻特性, 為今后線性調(diào)頻號(hào)在魚(yú)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(yú)雷電磁引信

1.1 線性調(diào)頻信號(hào)

線性調(diào)頻(linear frequency modulation, LFM) 信號(hào)指持續(xù)時(shí)間頻率連續(xù)線性變化的信號(hào), 線性調(diào)頻信號(hào)通過(guò)對(duì)載波頻率進(jìn)行調(diào)制以增加信號(hào)的發(fā)射帶寬。線性調(diào)頻信號(hào)的復(fù)數(shù)表達(dá)式為

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

圖1 LFM信號(hào)時(shí)域圖

圖2 LFM信號(hào)頻域圖

圖3 LFM信號(hào)時(shí)頻圖

1.2 魚(yú)雷電磁引信系統(tǒng)

結(jié)合線性調(diào)頻技術(shù)和魚(yú)雷主動(dòng)電磁引信的特點(diǎn), 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(jì)方案, 如圖4所示。

引信系統(tǒng)采用線性調(diào)頻信號(hào)作為探測(cè)信號(hào),利用DSP(digital signal processor)產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào), 將產(chǎn)生的線性調(diào)頻信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)通過(guò)功率放大和發(fā)射匹配后, 激勵(lì)發(fā)射天線向魚(yú)雷周圍的海水介質(zhì)中輻射交變的電磁場(chǎng)。當(dāng)魚(yú)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, 這一變化后的物理場(chǎng)被接收天線感應(yīng)后變成電信號(hào)后,由信號(hào)處理電路進(jìn)行放大、濾波處理和目標(biāo)特性提取與識(shí)別, 滿足條件時(shí)輸出起爆信號(hào)[10]。

2 魚(yú)雷電磁引信目標(biāo)回波信號(hào)數(shù)值仿真

2.1 目標(biāo)回波信號(hào)模型

當(dāng)魚(yú)雷在目標(biāo)附近通過(guò)時(shí), 引信有效信號(hào)是目標(biāo)反射場(chǎng)強(qiáng)的變量, 信號(hào)強(qiáng)度隨魚(yú)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(jiǎn)化對(duì)艦船目標(biāo)反射場(chǎng)的計(jì)算, 一般用無(wú)限大的理想導(dǎo)電平面來(lái)代替艦船殼體, 收發(fā)天線采取垂直配置, 如圖5所示。

對(duì)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(chǎng)強(qiáng)度計(jì)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(chǎng)強(qiáng)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(jì)算系數(shù);K為引信接收機(jī)引起的時(shí)間延遲系數(shù)。

式中,為海水中電磁波波長(zhǎng), 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(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

利用MATLAB仿真軟件, 重點(diǎn)分析引信工作頻率、引信作用距離對(duì)接收目標(biāo)回波信號(hào)強(qiáng)度的影響。

通過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算, 分別得出單頻信號(hào)以及線性調(diào)頻信號(hào), 在接收天線處磁場(chǎng)強(qiáng)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(hào)為單頻信號(hào)時(shí), 得出多個(gè)頻點(diǎn)上, 場(chǎng)強(qiáng)與作用距離的變化關(guān)系; 2) 發(fā)射信號(hào)為線性調(diào)頻信號(hào)時(shí), 場(chǎng)強(qiáng)與不同作用距離的變化關(guān)系, 對(duì)比其與1)中的結(jié)果; 3) 發(fā)射信號(hào)為單頻信號(hào)時(shí), 分析在不同的作用距離條件下場(chǎng)強(qiáng)與頻率的變化關(guān)系; 4) 發(fā)射信號(hào)為線性調(diào)頻信號(hào)時(shí), 不同的調(diào)頻斜率(即不同的帶寬), 所對(duì)應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)和頻率的變化關(guān)系。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

1) 發(fā)射信號(hào)為單頻信號(hào)時(shí), 場(chǎng)強(qiáng)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(gè)頻點(diǎn)研究雷目距離和場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)在作用距離由0.5~10 m的變化過(guò)程中均是先增大再減小, 且均在距離=1.25 m(/4)時(shí)取得最大值。不同頻率時(shí), 最大值點(diǎn)的變化情況如圖7所示。

2) 發(fā)射信號(hào)為調(diào)頻信號(hào)時(shí), 即=f1+, 研究在1個(gè)周期內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)與作用距離的變化關(guān)系, 發(fā)射信號(hào)為線性調(diào)頻, 其中f1=200, 帶寬=2800 Hz, 周期=1 s, 調(diào)頻斜率=/。場(chǎng)強(qiáng)與頻率、作用距離的變化關(guān)系如圖8所示。

圖6 單頻信號(hào)下各變量變化關(guān)系

圖7 場(chǎng)強(qiáng)最大值與頻率的變化關(guān)系

圖8 LFM探測(cè)信號(hào)各變量變化關(guān)系

由圖8可以看出, 發(fā)射信號(hào)為線性調(diào)頻信號(hào)時(shí), 與1)中單頻時(shí)場(chǎng)強(qiáng)在作用距離由0.5~10 m的變化過(guò)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(shí), 場(chǎng)強(qiáng)依然在=1.25 m處取得最大值。

發(fā)射信號(hào)為線性調(diào)頻信號(hào)時(shí), 分析在不同的作用距離條件下場(chǎng)強(qiáng)與頻率的變化關(guān)系, 場(chǎng)強(qiáng)與頻率的變化情況如表1所示。

表1 作用距離和場(chǎng)強(qiáng)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(duì)變化率均在10%以內(nèi), 信號(hào)相對(duì)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(duì)應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)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(zhǎng)100 Hz, 由MATLAB仿真得到頻率與場(chǎng)強(qiáng)的變化關(guān)系如圖9所示。各個(gè)調(diào)頻斜率(帶寬)下, 得到接收的場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)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(yàn)可以得出, 雷目距離在0.5~7.5 m的范圍內(nèi), 接收處場(chǎng)強(qiáng)的相對(duì)變化率均在10%以內(nèi), 信號(hào)相對(duì)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(hào)電磁引信的參數(shù)選擇。此外, 帶寬取100~1500 Hz時(shí), 接收處場(chǎng)強(qiáng)的相對(duì)變化率均在10%以內(nèi), 信號(hào)相對(duì)穩(wěn)定, 有利于信號(hào)的檢測(cè)。所以帶寬可接受的選取范圍100~1500 Hz。

3 線性調(diào)頻信號(hào)抗干擾仿真

由于傳統(tǒng)單頻電磁引信信號(hào)容易受到干擾影響, 文中只進(jìn)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(cè)

帶內(nèi)單一頻率, 同相的頻譜, 與信號(hào)時(shí)間一樣長(zhǎng)的干擾, 干擾信號(hào)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(hào)分辨力為1.23。

帶內(nèi)多個(gè)頻率, 同相的頻譜, 與信號(hào)時(shí)間一樣長(zhǎng)的干擾, 干擾信號(hào)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(hào)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(hào)中加入帶內(nèi)單一頻率, 同相的頻譜, 與信號(hào)時(shí)間一樣長(zhǎng)的干擾, 干擾信號(hào)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(hào)值為7.123×105, 最大干擾值為7 019, 則信號(hào)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(hào)中加入帶內(nèi)多個(gè)頻率, 同相的頻譜, 與信號(hào)時(shí)間一樣長(zhǎng)的干擾, 干擾信號(hào)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(hào)值為9.05×105, 最大干擾值為9.768×104, 則信號(hào)分辨力為9.3。

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

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)、目標(biāo)回波信號(hào)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(hào)作為魚(yú)雷電磁引信探測(cè)信號(hào)的可行性和其優(yōu)良的抗干擾性。針對(duì)其抗干擾性能優(yōu)良的特點(diǎn), 今后的研究中應(yīng)用多種形式的干擾信號(hào)檢驗(yàn)其抗干擾能力, 從而為今后基于線性調(diào)頻體制的魚(yú)雷主動(dòng)電磁引信的研究發(fā)展提供參考。

[1] 嚴(yán)爭(zhēng)通, 肖素娟, 崔戶山, 等. 基于跳頻技術(shù)的魚(yú)雷電磁引信抗干擾研究[J]. 魚(yú)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(yú)雷近炸引信原理與設(shè)計(jì)[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 1992.

[3] 黃海燕, 呂樂(lè)群, 蒲書(shū)縉. 連續(xù)波調(diào)頻引信信號(hào)的檢測(cè)方法[J]. 電子信息對(duì)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(diǎn)模型的潛艇回波仿真[J]. 魚(yú)雷技術(shù), 2001, 9(3): 15-18.

[7] 白志科, 施曉海, 肖素娟. 魚(yú)雷電磁引信信號(hào)處理軟硬件技術(shù)研究[J]. 探測(cè)與控制學(xué)報(bào), 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(yú)雷電磁引信仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 魚(yú)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(hào)分析[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 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(zhǎng)江, 步相東. 魚(yú)雷戰(zhàn)斗部與引信技術(shù)[M]. 北京: 國(guó)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?yàn)轸~(yú)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(hào)在魚(yú)雷主動(dòng)電磁引信中的應(yīng)用[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2018, 26(2): 174-179.

2017-10-10;

2018-01-19.

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.02.012