魚雷攻潛末彈道測量中的抗多途專家系統

劉松海，冼觀福，孫向前

(91388部隊，廣東 湛江 524022)

魚雷攻潛末彈道測量中的抗多途專家系統

劉松海，冼觀福，孫向前

(91388部隊，廣東 湛江 524022)

依據魚雷攻潛末彈道測量定位模型，對所接收魚雷上加裝的聲信標脈沖序列結構進行仿真，并就如何從帶有干擾的接收數據中挑選出直達脈沖進行研究。依此總結出的抗多途專家系統，有效解決了直達聲脈沖識別難題，提高了測量精度。實驗室測試表明，應用該專家系統的處理方法，測距直達脈沖和測深直達脈沖的正確選擇概率超過95%。

專家系統;水聲跟蹤;多途干擾

0 引言

新型智能魚雷具有潛艇要害部位識別，垂直命中等功能。為對魚雷產品進行嚴格細致的、接近實戰使用條件的性能測試和考核，需要對魚雷攻潛末彈道進行測量。魚雷攻潛末彈道軌跡可由安裝于目標潛艇兩舷的多元水聽器基陣測量獲得。測量幀率使用0.1 s，通過測量魚雷上安裝的合作聲信標，采用聲同步測距方式對魚雷末彈道實施三維彈道跟蹤［1］。

由于界面反射的影響，信號在信道中是多徑傳播的，其結果是使接收信號序列除了直達聲外還有反射聲，成為脈沖干擾，使脈沖結構復雜化。對于魚雷攻潛末彈道測量，從帶有干擾的接收數據中挑選出直達脈沖是測量的必要前提。本文主要研究測量軟件的核心部分——專家系統，它用于實時跟蹤系統的數據預處理，負責在多途干擾背景中提取定位解算所需的有效信息。

1 脈沖序列結構

魚雷上的信標信號為同步聲脈沖信號，1個周期T內包括2個同頻脈沖，前者為測距脈沖，后者為測深脈沖，脈沖間距為t1～t2ms，脈寬為t0ms。2個脈沖的間距代表壓力傳感器測得的魚雷深度，二者之間的關系為:

式中:H為目標深度，m;Hmax為壓力傳感器深度最大量程，m;τ為測距和測深脈沖間的時延差，ms。

由于多途信道的影響，每個陣元接收到的信號序列除了直達聲外還有反射聲，成為脈沖干擾。直達脈沖的時延值是系統的重要信息，一方面，直達測距脈沖的選取直接影響到目標定位，若把反射聲誤作為直達聲進行定位解算，將會導致定位錯誤;另一方面，測距、測深脈沖間距代表目標的深度信息。因此，能否從脈沖序列中正確選擇直達測距、測深脈沖，對于定位精度和測深精度十分關鍵。

為了合理地設計專家系統軟件，同時為主控計算機的脈沖數據處理提供依據，首先分析各種典型情況下的脈沖結構。假定水深為H，潛艇深度H1，目標深度為H2，H2＞H1。二者距離為L，聲速取1 500 m/s。目標信號傳播的典型聲線如圖1(a)所示。考慮到聲傳播損失和界面反射損失，信號的沖激響應如圖1(b)所示。可以看出，海面反射聲的幅度略小于直達聲，海底反射聲的幅度最小［2］。

由于魚雷實施有效攻擊的范圍是過靶前幾百米，在這段距離內，影響系統接收脈沖序列結構的最大因素是水下目標和潛艇間的距離。圖2是根據信道仿真結果并結合實際工作狀態給出的各種脈沖序列結構示意圖，基本包含了除通道串漏外的各種可能的情況。由于通道串漏可用瞬時頻率序列分析的方法有效剔出，因此在此不予考慮［3］。

圖2中的(a)，(b)，(c)，(d)4個示意圖分別為水下目標和潛艇相距300，200，100和50 m時的脈沖序列結構。圖中幅度最大的信號為直達聲信號，其次的是海面反射聲信號，最小的是海底反射聲信號。由圖中可以看出，在所有可能的條件下，每個同步周期選幅度最大的4個脈沖都不會丟失系統所需信息。

2 專家系統

專家系統用于實時跟蹤系統的數據預處理，負責在多途干擾的背景中提取定位解算所需的有效脈沖數據。

依據圖2所示，系統每個陣元單個同步周期內最多檢測4個脈沖信息(含測距和測深脈沖的直達和反射信號)，每個脈沖含5個參數:載頻，脈寬，時延，包絡幅度(或能力)和瞬時頻率方差。

對于直達脈沖的挑選，可根據一定的判據，為每個脈沖評定測距、測深的品質因數。脈沖的品質因數為該脈沖是有效測距(或測深)脈沖的可能性因子。該值越大即表示該脈沖是有效測距(或測深)脈沖的可能性越大。以測距、測深品質因數的大小和一定的規則為依據，即可選出有效測距脈沖和測深脈沖。

設每個陣元記錄了N個脈沖信息，信號周期為T，載頻為f0，定義Qa為脈沖的測距品質因數，Qb為脈沖的測深品質因數，Qa和Qb的初值為0，tki為第k個同步周期收到的第i個脈沖信號的時延值，tk－1表示上個周期選出的有效測距或測深脈沖的時延值，Emax表示最大或次大的能量值，Vmin表示最小和次小的瞬時頻率方差值，則有效脈沖的選擇可按如下方法定義品質因數加以判別［4］:

1)判據1 考慮到多普勒效應的影響，當同周期雙脈沖間距Δt(=tkj－tki)滿足:

其中，Qai和Qbi為當前的測距、測深品質因數，滿足判據后，用Q'ai和Q'bi為經過更新的品質因數值，具體含義為:第i個脈沖的測距品質因數增加2，測深品質因數減小1;第j個脈沖的測深品質因數增加2，測距品質因數減小1，以下類推。

2)判據2 由于目標是運動的，如果是直達脈沖，則在相鄰周期一定的時延差內必定存在與之對應的脈沖，這條判據可印證直達脈沖的有效性。為此，將本周期的每個脈沖與上周期選出的測距和測深脈沖相比，則

3)判據3 以最高航速估算，接收到的脈沖信號多普勒Δf應在一定范圍內。為保留足夠余量，目標最高航速按60 kn計算。

4)判據4 由于信道的影響，聲波的能量將逐漸衰減，一般情況下，直達聲先于反射聲到達，因而能量較大。

5)判據5 一般情況下，直達信號的瞬時頻率方差較小。

6)判據6 由于末彈道跟蹤測量為短基線基陣，每舷側的陣元接收的脈沖信號時延應具有同樣的分布特性，只是時刻上有所提前或者滯后。

以左舷為例，假設相鄰2個陣元1#和2#相距Lm，聲速為Cm/s，若在同周期內2個陣元選出的脈沖時延差小于L/C，則令

7)判據7 根據脈沖序列結構示意，魚雷距潛艇較遠時，測距直達脈沖前方相當長時間內沒有其他脈沖，而且其后不遠必有一個反射信號。

依據上述原則，比較測距品質因數和測深品質因數，選擇品質因數最大的脈沖送入定位解算。

3 實驗室測試

圖3 典型魚雷攻潛末彈道態勢圖Fig.3 Situation diagram of a typical torpedo terminal trajectory-measurement

在實驗室利用電信號模擬器對系統進行測試。給出一種理想條件的魚雷攻潛末彈道態勢如圖3所示。圖中潛艇由下而上航行，魚雷自左而右對潛艇進行攻擊，A點和B點的距離為L。模擬器設定水深H，潛艇深度H1，目標深度H2，H2＞H1。模擬器每個同步周期都發送雙窄CW脈沖信號，并依據信道模型給出直達聲及海面、海底反射聲。魚雷在潛艇左舷時，左舷陣元可以檢測到信標信號的直達聲及反射聲;當魚雷機動至右舷后，由于艇體物理遮擋，左舷陣元無法接收信標信號的直達聲。依據這個原則，模擬器給出相應時延的脈沖信號。末彈道跟蹤系統的信號處理機依據每個周期保留4個幅度最大脈沖的原則，給出左舷某陣元接收信號時延如圖4所示。

用專家系統對上述信號時延進行挑選，得出直達測距脈沖和直達測深脈沖如圖5所示，系統軟件解算結果如圖6所示，解算的深度值如圖7所示。由上述圖可以看出，采用該專家系統可以有效地從帶有干擾的接收數據中挑選出直達脈沖。

4 結語

本文依據魚雷攻潛末彈道測量定位模型，對所接收魚雷上加裝的聲信標脈沖序列結構進行仿真，并就如何從帶有干擾的接收數據中挑選出直達脈沖進行研究。依此總結出的抗多途專家系統，有效解決了直達聲脈沖識別難題，提高了測量精度。實驗室測試表明，應用該專家系統的處理方法，測距直達脈沖和測深直達脈沖的正確選擇概率超過95%。

本文提出的抗多途專家系統已在某型測量系統上應用，效果良好。該方法可為類似測量設備的直達脈沖挑選方法提供參考。

［1］楊志權，劉松海，王文學.魚雷實艇靶末彈道測量算法分析與誤差仿真［J］.魚雷技術，2003，(4):34 －38.

YANG Zhi-quan，LIU Song-hai，WANG Wen-xue.Terminal trajectory-measuring algorithm and error simulation for submarine target of torpedo［J］.Torpedo Technique，2003，(4):34－38.

［2］惠俊英.水下聲信道［M］.北京:國防工業出版社，1992.

［3］梁國龍，惠俊英.瞬時頻率方差檢測器及其性能評價［J］.聲學學報，1999，24(2):183 －190.

LIANG Guo-long，HUI Jun-ying.Variance of instantaneous frequency detector and its performance evaluation［J］.Acta Acoustica，1999，24(2):183 －190.

［4］趙羽，梁國龍，陳曉忠，楊春.水下目標跟蹤系統中的抗多途專家系統［J］.應用聲學，2004，23(4):29－33.

ZHAO Yu，LIANG Guo-long，CHEN Xiao-zhong，YANG Chun.Anti-multichannelexpertsystem forunderwater target tracking system［J］.Applied Acoustics，2004，23(4):29－33.

Anti-multipath expert system for terminal trajectory-measurment of torpedo

LIU Song-hai，XIAN Guan-fu，SUN Xiang-qian
(No 91388 Unit of PLAN，Zhanjiang 524022，China)

The sequence structure of beacon signal in torpedo is simulated which base on the model of terminal trajectory-measurmet，and a method of selecting direct pulses from the complex

signal sequence is studied.The anti-multipath expert used for resolving the difficult problem of selecting the direct pulses is presented.By means of laboratory test，it is proved that the expert system can sort out the direct pulses effectively，and the accurate rate is more than 95 percent.

expert system;underwater acoustic tracking;multipath interference

TB566

A

1672－7649(2012)03－0111－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.03.025

2011－06－09;

2011－10－24

劉松海(1979－)，男，碩士研究生，工程師，主要從事水下測控技術研究。