魚(yú)雷電磁引信仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 濤, 任志良, 于 千

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魚(yú)雷電磁引信仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 濤1, 任志良1, 于 千2

(1. 海軍工程大學(xué) 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033; 2. 海軍工程大學(xué) 理學(xué)院, 湖北 武漢, 430033)

為了分析魚(yú)雷電磁引信抗干擾性能并進(jìn)行試驗(yàn)研究, 本文在Multisim環(huán)境下建立了魚(yú)雷電磁引信仿真平臺(tái), 利用LabVIEW仿真平臺(tái)創(chuàng)建了有效目標(biāo)信號(hào)源和任意波形信號(hào)源, 驗(yàn)證了仿真平臺(tái)調(diào)用所創(chuàng)建的信號(hào)源的可行性。然后通過(guò)不同目標(biāo)信號(hào)的仿真, 進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真平臺(tái)滿足系統(tǒng)的性能指標(biāo)。最后利用實(shí)際采樣數(shù)據(jù)作為輸入信號(hào)進(jìn)行仿真, 其結(jié)果與實(shí)際相符。該仿真平臺(tái)的輸入信號(hào)可以兼用仿真數(shù)據(jù)和真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 避免了電路自身和外部環(huán)境的干擾, 為準(zhǔn)確定量分析魚(yú)雷電磁引信的抗干擾性能提供了一種新的途徑。

魚(yú)雷; 電磁引信; 仿真平臺(tái); Multisim; LabVIEW; 有效目標(biāo)信號(hào)源; 任意波形信號(hào)源

0 引言

為了提高魚(yú)雷電磁引信的動(dòng)作可靠性, 深入研究魚(yú)雷電磁引信的電磁兼容性是十分重要而又復(fù)雜的。利用傳統(tǒng)方法對(duì)魚(yú)雷電磁引信進(jìn)行的測(cè)試, 由于電磁干擾來(lái)源復(fù)雜, 其干擾的性質(zhì)及其影響程度一般難以實(shí)現(xiàn)定性定量的測(cè)試與分析, 以至于魚(yú)雷電磁引信遭受干擾而產(chǎn)生誤動(dòng)現(xiàn)象時(shí), 缺乏便利而行之有效的方法進(jìn)行試驗(yàn)研究, 影響了魚(yú)雷電磁引信工作性能的準(zhǔn)確把握。本文基于Multisim和LabVIEW構(gòu)建了魚(yú)雷電磁引信仿真平臺(tái), 利用任意波形信號(hào)和干擾作用下的仿真試驗(yàn), 通過(guò)引信系統(tǒng)工作參數(shù)的測(cè)試與驗(yàn)證, 實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)及其影響的定量分析, 并為進(jìn)一步消除干擾, 確保魚(yú)雷電磁引信的動(dòng)作可靠性提供技術(shù)支撐。

1 Multisim仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)

根據(jù)魚(yú)雷電磁引信接收機(jī)電路的組成, 采用模塊化設(shè)計(jì)的思想, 在Multisim環(huán)境下調(diào)用其元件庫(kù)中的元器件模型, 對(duì)各部分功能電路建立相應(yīng)的子電路, 設(shè)計(jì)具有層次化的仿真平臺(tái)[1-2]。所設(shè)計(jì)的接收機(jī)仿真平臺(tái)主要包括信號(hào)源、前置放大電路、帶通濾波電路、檢波電路、補(bǔ)償電路、時(shí)間檢驗(yàn)電路、門(mén)限比較電路和發(fā)光二極管(light-emitting diode, LED), Multisim仿真平臺(tái)界面如圖1所示。

圖1 Multisim仿真平臺(tái)界面

仿真分析過(guò)程: 把魚(yú)雷電磁引信的目標(biāo)信號(hào)或采集的數(shù)據(jù)加載到信號(hào)源中, 通過(guò)LED進(jìn)行定性分析, 如果LED變亮, 則認(rèn)為輸入信號(hào)為有效目標(biāo)信號(hào), 否則為無(wú)效信號(hào)。還可以利用示波器、頻譜分析儀、萬(wàn)用表、波特測(cè)試儀、信號(hào)分析儀等虛擬儀器或利用Multisim中自帶的交流分析、直流分析、瞬變分析和傅里葉分析等基本分析方法對(duì)電路進(jìn)行定量分析。仿真結(jié)果可通過(guò)截圖的方式以圖片的形式進(jìn)行保存, 仿真數(shù)據(jù)也可以輸出到Excel文件、TDM文件和LVM文件進(jìn)行保存。

2 信號(hào)源的創(chuàng)建

每一個(gè)仿真電路都必須有信號(hào)源才能工作, 在Multisim中, 可以利用元件庫(kù)中自帶的信號(hào)源或函數(shù)發(fā)生器作為信號(hào)源。本文所建立的魚(yú)雷電磁引信仿真平臺(tái)要以目標(biāo)信號(hào)或采集信號(hào)作為信號(hào)源, 仿真平臺(tái)才有意義。但魚(yú)雷電磁引信有效目標(biāo)信號(hào)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高斯脈沖調(diào)制的調(diào)幅信號(hào), 而Multisim中提供的所有信號(hào)源中, 只有正弦波、方波和鋸齒波這3種基本信號(hào)源, 高斯脈沖調(diào)幅信號(hào)源是不存在的, 采集信號(hào)源或任意波形信號(hào)源同樣是不存在的。因此, 創(chuàng)建合適的、能方便調(diào)用的信號(hào)源是實(shí)現(xiàn)仿真平臺(tái)的一個(gè)關(guān)鍵部分。

文獻(xiàn)[3]對(duì)Multisim中創(chuàng)建任意波形信號(hào)源進(jìn)行了研究, 但采用的是SPICE編程方法, 不易掌握, 同時(shí)修改參數(shù)也不方便, 更不能接收采集信號(hào)。而NI Multisim10.0已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了與LabVIEW之間的通信調(diào)用問(wèn)題, LabVIEW中可以較方便地產(chǎn)生波形或讀入采集數(shù)據(jù)。因此, 進(jìn)行如下設(shè)計(jì): 首先, 在LabVIEW環(huán)境下把所需的信號(hào)數(shù)據(jù)寫(xiě)入測(cè)量文件(.LVM); 然后, 在Multisim元件庫(kù)中選擇“LVM_VOLTAGE”作為信號(hào)源, 仿真時(shí)只需雙擊該信號(hào)源, 找到LVM文件的路徑并加載該文件即可把所需的信號(hào)數(shù)據(jù)調(diào)入Multisim中[4]。

對(duì)于魚(yú)雷電磁引信有效目標(biāo)信號(hào)的數(shù)學(xué)模型, 只需設(shè)置不同的參數(shù), 即可完成對(duì)信號(hào)的調(diào)試, 同時(shí), 為了滿足把采集信號(hào)或任意信號(hào)作為信號(hào)源的需要, 本仿真平臺(tái)只要?jiǎng)?chuàng)建有效目標(biāo)信號(hào)源和任意波形信號(hào)源這2種信號(hào)源, 就能滿足各種要求。

2.1 有效目標(biāo)信號(hào)源的創(chuàng)建

魚(yú)雷電磁引信接收有效目標(biāo)信號(hào)數(shù)學(xué)模型

式中:為包絡(luò)的時(shí)間特性參數(shù), 與魚(yú)雷過(guò)靶態(tài)勢(shì)有關(guān);0為包絡(luò)的峰值時(shí)刻。

綜合式(1)和式(2), 電磁引信有效目標(biāo)信號(hào)的數(shù)學(xué)模型[5-6]

創(chuàng)建有效目標(biāo)信號(hào)源主要有以下幾個(gè)步驟[7]。

1) 在LabVIEW中新建一個(gè)VI, 在其“程序框圖”中, 從函數(shù)面板中選擇“信號(hào)處理 | 波形生成 | 公式波形”, 然后分別為“公式波形”的頻率、幅值、采樣信息和公式4個(gè)輸入端創(chuàng)建“輸入控件”。

2) 從函數(shù)面板中選擇“編程 | 文件I/O | 寫(xiě)入測(cè)量文件”, 把“公式波形”的“信號(hào)輸出”端與“寫(xiě)入測(cè)量文件”的“信號(hào)”端相連, 雙擊“寫(xiě)入測(cè)量文件”, 選擇測(cè)量文件的文件名和保存路徑。

3) 同時(shí)為了觀察輸出波形, 在其“前面板”上添加“波形圖”控件, 并在“程序框圖”中與“公式波形”的“信號(hào)輸出”端相連。

至此, 有效目標(biāo)信號(hào)源創(chuàng)建完畢。只需在其“前面板”上輸入所需的公式及參數(shù), 通過(guò)運(yùn)行便可以看到所輸出的波形, 同時(shí)把得到的波形數(shù)據(jù)寫(xiě)入測(cè)量文件。其“程序框圖”的具體連接如圖2所示。

圖2 有效目標(biāo)信號(hào)源程序框圖

2.2 任意波形信號(hào)源的創(chuàng)建

創(chuàng)建任意波形信號(hào)源主要有以下幾個(gè)步驟[7]。

1) 把采集數(shù)據(jù)以行的形式保存為T(mén)XT文件, 不需保存采樣時(shí)間間隔。

2) 在LabVIEW中新建一個(gè)VI, 在其“程序框圖”中, 從函數(shù)面板中選擇“編程 | 文件I/O | 讀取電子表格文件”, 然后雙擊“讀取電子表格文件”加載采集數(shù)據(jù)的TXT文件。

3) 在其“程序框圖”中, 從函數(shù)面板中選擇“編程 | 波形 | 創(chuàng)建波形”, 對(duì)其中的一個(gè)“attributes”單擊右鍵選擇“選擇項(xiàng) | t0”, 并為其創(chuàng)建一個(gè)“常量”, 可以設(shè)定采樣的初始時(shí)刻; 同理選擇“選擇項(xiàng)| dt”, 并為其創(chuàng)建一個(gè)“輸入控件”, 可以設(shè)定采樣的時(shí)間間隔, 這也是保存數(shù)據(jù)時(shí)不需保存采樣時(shí)間間隔的原因。

4) 把“讀取電子表格文件”的“第一行”與“創(chuàng)建波形”的“Y”端相連, 然后把“創(chuàng)建波形”的“輸出波形”端與“寫(xiě)入測(cè)量文件”的“信號(hào)”端相連。

至此, 任意波形信號(hào)源創(chuàng)建完畢。只需按要求把采集的數(shù)據(jù)保存為T(mén)XT格式, 通過(guò)運(yùn)行便可以把采集的數(shù)據(jù)寫(xiě)入測(cè)量文件。其“程序框圖”的具體連接如圖3所示。

圖3 任意波形信號(hào)源程序框圖

如果所需的信號(hào)源表達(dá)式為一分段函數(shù)或是某個(gè)仿真程序的仿真結(jié)果, 很難用公式直接表示, 此時(shí)可以利用MATLAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力, 通過(guò)MATLAB把仿真數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為T(mén)XT文件, 然后再利用任意波形信號(hào)源把仿真數(shù)據(jù)寫(xiě)入測(cè)量文件。

例如, MATLAB通過(guò)某個(gè)仿真程序產(chǎn)生的仿真結(jié)果為Y, 則可以通過(guò)以下語(yǔ)句把Y的數(shù)據(jù)保存到DATA.TXT文件中[8], 即

fid=fopen('.../.../DATA.txt','wt');

fprintf(fid,'%8.6f ',Y);

fclose(fid);

利用所創(chuàng)建的有效目標(biāo)信號(hào)源、任意波形信號(hào)源和MATLAB的數(shù)據(jù)處理能力, 可以實(shí)現(xiàn)把任意數(shù)據(jù)加載到Multisim仿真平臺(tái)的功能, 解決了Multisim中沒(méi)有特定信號(hào)源的難題。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 仿真試驗(yàn)1

假設(shè)要把表達(dá)式為=exp[-100×(-1)2]sin (2p×20×)的信號(hào)作為信號(hào)源, 現(xiàn)利用2.1節(jié)所創(chuàng)建的有效目標(biāo)信號(hào)源進(jìn)行仿真。其在LabVIEW中的前面板和Multisim中的仿真結(jié)果如圖4所示。 圖4(a)和(b)所示的波形是完全一致的, 因此可以驗(yàn)證, 用LabVIEW所創(chuàng)建的信號(hào)源在Multisim中應(yīng)用是正確可行的。

3.2 仿真試驗(yàn)2

圖4 有效目標(biāo)信號(hào)源仿真

3.3 仿真試驗(yàn)3

在某種電磁干擾引起引信誤動(dòng)的情況下, 從魚(yú)雷電磁引信的接收傳感器采樣2 500個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn), 采樣頻率為25 kHz, 保存為T(mén)XT格式, 現(xiàn)把采樣數(shù)據(jù)作為仿真平臺(tái)的輸入信號(hào), 其仿真結(jié)果如圖6所示。其中(a)為采樣數(shù)據(jù)的時(shí)域波形, (b)為時(shí)間檢驗(yàn)電路的輸入(實(shí)線)和輸出(虛線), 即圖1中節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)6的電壓。

圖6 采樣數(shù)據(jù)仿真結(jié)果

由圖6可得, 采集的干擾數(shù)據(jù)經(jīng)處理后, 電壓幅度大于門(mén)限電壓(4 V), 導(dǎo)致電磁引信的動(dòng)作, 屬于有害干擾引起的引信誤動(dòng), 與實(shí)際相符。并且由圖6(b)可以得到干擾信號(hào)經(jīng)處理后的電壓值, 達(dá)到定量分析的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)電路仿真軟件Multisim建立了魚(yú)雷電磁引信仿真平臺(tái), 利用LabVIEW為仿真平臺(tái)創(chuàng)建了有效目標(biāo)信號(hào)源和任意波形信號(hào)源, 實(shí)現(xiàn)了任意信號(hào)都可作為仿真平臺(tái)的輸入信號(hào), 解決了Multisim中自帶信號(hào)源不適用仿真平臺(tái)的難題。通過(guò)仿真試驗(yàn)分別驗(yàn)證了所創(chuàng)建信號(hào)源的可行性和仿真平臺(tái)的正確性。該仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為魚(yú)雷電磁引信的抗干擾性能測(cè)試研究提供了一個(gè)方便有效的途徑。

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Design and Implementation of Torpedo Electromagnetic Fuze Simulation Platform

ZHANG Tao1, REN Zhi-liang1, YU Qian2

(1. Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. College of Science, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To analyze the anti-interference performance of torpedo electromagnetic fuze and conduct experimental study, a simulation platform of torpedo electromagnetic fuze is set up with Multisim. The effective target signal source and arbitrary waveform signal source of the simulation platform are established by LabVIEW. Simulation validates the feasibility of loading the established signal source by the simulation platform. The simulation results of different target signals demonstrate that the simulation platform satisfies the demand for system performance. An experiment is conducted on the simulation platform taking the sample data as its input signal, and the result corresponds with the reality. Both simulation data and experimental data can be taken as the input signal of the simulation platform hence the simulation platform can avoid the interference caused by circuit and environment. This study may provide a new method for accurately and quantitatively analyzing the anti-interference performance of torpedo electromagnetic fuze.

torpedo; electromagnetic fuze; simulation platform; Multisim; LabVIEW; relevant target signal source; arbitrary waveform signal source

TJ430.2; TN973.4

A

1673-1948(2011)02-0156-05

2010-06-11;

2010-08-16.

張 濤(1983-), 男, 在讀博士, 主要研究方向?yàn)檐娪媚繕?biāo)特性及其信息處理技術(shù).

(責(zé)任編輯: 陳 曦)