魚雷試驗中雷靶水聲信號識別方法

孫 濤, 侯代文

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魚雷試驗中雷靶水聲信號識別方法

孫 濤, 侯代文

(中國人民解放軍 91439部隊, 遼寧 大連, 116041)

在魚雷試驗中，為了能及時有效地掌握魚雷水下工作情況，需要第三方監測設備對魚雷和目標靶信號進行實時記錄和分析，為事后恢復現場查找問題提供有力的數據支持。本文通過分析魚雷試驗現場的基本情況，提出了一種基于快速傅里葉變換（FFT）技術的時域和頻域相結合的雷靶信號識別方法。魚雷試驗中使用該雷靶監測設備時的信號監測效果，驗證了該方法的有效性。

魚雷; 實航試驗; 信號識別; 雷靶監測設備; 快速傅里葉變換

0 引言

在魚雷科研試驗中, 對魚雷發現、跟蹤和攻擊目標等作戰能力以及自導作用距離等戰術技術指標的考核, 是通過魚雷攻擊目標靶標試驗實現的[1-2]。在海上試驗過程中, 經常發生魚雷不能正常攻擊靶標的情況。造成這種情況有兩種可能, 一種是魚雷自身的問題; 另外一種是目標靶標的問題。除了非常明顯的魚雷或者目標靶自身問題, 比如機械故障, 電子器件燒毀等原因比較容易確定的情況外, 大部分情況是魚雷和目標靶都沒出現明顯異常, 而魚雷也未能按照預定流程動作。對魚雷和目標靶各自的應答數據進行分析處理后, 發現問題一般出在魚雷尋的信號和目標靶應答信號的匹配上。此時魚雷設計方一般認為最有可能的情況是目標靶對水聲信號的錯誤應答導致魚雷判斷錯誤。為了深入了解目標靶在收到魚雷尋的信號后發出應答信號的情況, 從而對故障進行準確定位, 需要第三方設備對試驗現場水聲信號進行實時記錄和分析, 并為事后恢復現場查找問題提供數據支持。

為此, 研制了雷靶監測設備, 用于記錄試驗過程中的魚雷尋的信號和目標靶的應答信號, 并以此為基礎, 對魚雷和目標靶的應答情況做出評判, 實現故障準確定位, 從而對魚雷性能做出客觀公正的評價。

本文根據海上魚雷試驗過程中雷靶工作的基本態勢, 利用雷靶監測設備測量到的水聲信號, 提出了時域和頻域相結合的雷靶信號識別方法。并利用海上魚雷試驗中魚雷和目標靶的實際工作情況與本文方法評判情況的對比結果, 驗證所提出方法的有效性。

1 魚雷性能考核試驗的方案設計

試驗海域水深約60 m, 試驗時海況小于3級。目標靶由測量船舷側布放到水下約40 m的海水中。試驗開始后, 魚雷從距離測量船1 000～2 000 m的地方入水。開始的40 s內, 目標靶發射模擬艦船航行噪聲, 魚雷在該噪聲的導引下, 向噪聲源即目標靶方向運動, 同時發射周期為3 s的尋的信號。40 s后目標靶停止發射噪聲, 進入被動應答模式, 開始應答魚雷尋的信號。魚雷根據目標靶的應答信號快速向目標靶靠近, 在距離目標靶300 m時發射周期變為1.5 s, 在距離目標靶50 s時開始規避遠離目標靶。整個魚雷運行軌跡如圖1所示[1]。

圖1 魚雷性能考核試驗時試驗態勢圖

受現場條件限制, 雷靶監測系統布放在目標靶另一側的船舷外面, 距離目標靶約20 m, 與目標靶布放在同一深度。魚雷入水前5 min, 雷靶監測系統開機, 全時段接收并記錄魚雷發出的尋的信號和目標靶的應答信號。

2 雷靶信號特征分析

在試驗中, 雷靶監測系統最重要的任務是準確地記錄魚雷尋的信號和目標靶應答信號, 并對誤答和漏答情況做出判斷。

從上一節的雷靶應答過程可知, 魚雷尋的信號和目標靶的應答信號在時域和頻域具有明顯特征。

1) 目標靶總是在接收到魚雷的發射信號之后才會應答, 從時域上來看, 發射信號總是在應答信號之前, 且信號的幅度、持續時間和周期等均已知;

2) 魚雷發射信號的頻率和應答信號的頻率已知, 通過頻譜分析, 可以快速識別出接收到的信號中是否含有發射信號和接收信號。

基于以上兩點, 從雷靶監測系統接收到信號的出現時刻、幅度、持續時間、周期和頻率等幾個方面聯合判斷, 可以判斷識別發射信號和應答信號。但實際的數據分析發現, 有很多因素會影響信號的時域和頻域特征, 包括信號的出現時刻, 信號幅度、持續時間和頻率等, 進而影響對信號的準確判斷。概括起來, 影響因素主要包括以下幾個方面。

1) 換能器姿態對信號幅度的影響

由于換能器具有指向性, 故其接收到的信號強度受自身位置、角度的影響很大。在海水浪、流和涌的影響下, 雷靶監測系統水聽器姿態在水下不斷變化, 即使到達換能器的信號強度沒有任何變化, 雷靶監測系統接收到的信號在幅度上也是高低起伏變化的, 難以識別, 易造成誤判和漏判。

2) 魚雷運動位置、角度和傳播損失對信號幅度的影響

魚雷在運動過程中, 相對于雷靶監測的位置、角度在不斷地變化。同樣的, 受換能器指向性的影響, 雷靶監測系統接收到的信號幅度跳變厲害, 即使距離很近, 由于設備角度問題, 雷靶監測系統接收到的信號幅度很小甚至完全被噪聲淹沒, 這容易造成應答錯誤或無應答的情況。

3) 多普勒頻移對信號頻率的影響

當魚雷按照一定速度在水中運動時, 雷靶監測系統信號的頻率會發生改變, 信號頻率改變的部分即多普勒頻偏, 計算公式為[3]

4) 混響對信號識別的影響

在淺海海域, 由于魚雷位置距離海面和海底的聲程較短, 使得水聲信號受到海底和海面的反射造成的混響嚴重。混響疊加在發射和接收信號上面, 對信號的時域波形造成很大的干擾; 同時, 由于多普勒效應的存在, 使得混響部分信號頻率復雜多變, 既包括已知頻率分量的信號, 也包括未知頻譜分量的信號。對混響嚴重的信號判別無論是從時域還是頻域兩方面都容易造成誤判和漏判。

從以上分析可以看出, 雷靶監測系統接收到的雷靶應答信號實際上是在幅度、頻率都存在變化的復雜連續信號。單一的時域頻域分析方法難以從這些復雜的信號中, 識別出魚雷和目標靶的應答情況, 因此需要多種手段多種方法結合才能實現。

3 雷靶信號識別方法及實例分析

3.1 雷靶監測系統對雷靶信號的識別方法

從上一節雷靶信號特征分析來看, 對雷靶信號的判別主要從時域和頻域兩方面進行。對時域主要是從信號的幅度、周期和持續時間幾個方面來進行; 對頻域主要是利用快速傅立葉變換(fast fourier transform, FFT)技術對信號做頻譜分析[4]。

對雷靶信號的分析處理按以下步驟進行。

1) 當信號幅度超過80dB, 認為接收到有效信號, 開始對信號進行標記。

4) 在目標靶應答的情況下, 在整個信號的時間序列上, 先出現的是魚雷信號, 然后是目標靶應答信號, 最后是混響。混響有可能和目標靶的應答信號疊加在一起。由于多普勒頻率偏移現象, 從不同途徑來的混響頻率不同, 所以混響中的信號頻率要比不包含混響的信號在頻率分量上復雜得多, 難以從混響中提取到有用的信息。因此步驟3)的分析到出現混響時應該停止。

5) 重復步驟1)~4), 完成整個雷靶信號的分析判別過程。

受計算速度和精度的限制, 用上面的判別過程對雷靶監測信號進行實時處理, 容易造成漏判或者誤判的情況。這可以通過用4 096點的FFT算法重新處理, 可把其中誤判的剔除、漏判的補全。

3.2 實例分析

在實際試驗中, 實測得到如下4種信號, 按照上面的分析, 處理情況如下。

1) 信號未發生混疊, 如圖2。

從信號時域波形可以明顯區分雷靶信號。進一步對信號做FFT頻譜圖, 如圖3所示, 可以明顯看出, 雷靶信號頻譜圖中的雷信號和目標靶信號頻率相互對應, 此時可判定為雷靶有效應答。

圖2 未混疊信號波形示意圖

圖3 未混疊信號頻譜示意圖

2) 信號首尾銜接, 見圖4。

與第1個信號類似, 從信號時域波形(見圖4)和頻域波形(見圖5), 可以非常明顯地判定為有效雷靶應答。

圖4 首尾聯接波形示意圖

圖5 首尾聯接頻譜示意圖

3) 信號部分混疊, 見圖6。

由于混疊部分出現干涉現象, 信號的頻譜圖(見圖7)已出現其他頻率分量, 此時實時處理易出現誤判。需事后處理人工進一步識別才能確定為有效雷靶應答信號。

圖6 信號混疊波形示意圖

圖7 信號混疊頻譜示意圖

4) 信號嚴重混疊, 見圖8。

在混疊嚴重的情況下, 從信號的時域波形(見圖8)和頻譜分析圖(見圖9)已很難區分出雷靶信號。實際應用中, 對該種信號一般不予處理。

圖8 混疊嚴重波形示意圖

圖9 混疊嚴重頻譜示意圖

4 結束語

本文通過對試驗過程和試驗方案的分析, 提出了一種基于FFT技術的雷靶信號識別方法, 并應用于雷靶信號監測系統。

該系統在新型魚雷海上試驗中發揮了關鍵性的作用, 具體工程價值體現在: 排除了魚雷跟蹤尾流噪聲現象是現場其他噪聲所致的假設; 發現并分析驗證了淺海混響效應, 對魚雷聲制導性能的影響以及魚雷跟蹤“假目標”問題的原因; 首次檢測出魚雷信號頻率的多變性, 即在1個脈沖信號中出現2種甚至3種頻率分量, 從而對魚雷制導戰技性能的解釋有了新的依據。此外, 本系統提供的大量數據和結果分析為魚雷生產部門解決問題提供了重要參考, 使一度暫停的試驗得以繼續進行, 保證了試驗結論的客觀性和權威性。

今后, 在本文所提供方法的基礎上采用頻帶選擇性傅立葉分析(band-selected Fourier analysis, BSFA)等頻率細化技術, 將進一步提高該設備的信號分析精度, 對提高該類設備在試驗中的作用具有重要的研究價值。

[1] 岳劍平, 張召奎, 朱學文, 等. 水中兵器試驗與鑒定[M]. 北京: 國防工業出版社, 2008.

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[3] 劉大利, 劉云濤, 蔡惠智. 主動聲吶艦速補償的研究[J]. 海洋技術, 2011, 30(3): 59-63. Liu Da-li, Liu Yun-tao, Cai Hui-zhi. Research on Ship Speed Compensation for Active Sonar[J]. Ocean Technology, 2011, 30(3): 59-63.

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[5] 奧本海姆. 離散時間信號處理[M]. 劉樹堂, 黃建國, 譯. 西安: 西安交通大學出版社, 2001.

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Identification Method of Torpedo-Target Hydroacoustic Signal in Torpedo Sea Trial

SUN Tao, HOU Dai-wen

(91439thUnit, The People′s Liberation Army of China, Dalian 352100, China)

In order to efficiently understand torpedo working condition under water in torpedo trials, a third-party monitoring system is usually used to simultaneously record both signals of torpedo and target for subsequent analysis. In this study, sea trial scenario is analyzed, and a fast Fourier transform-based both signals identification method is proposed by combining time domain with frequency domain for torpedo-target monitoring system. Identification results of the monitoring system in a sea trial verify the validity of the proposed method.

torpedo; sea trial; signal identification; torpedo-target monitoring system; fast Fourier transform

TJ630.6; TB565.2

A

1673-1948(2013)01-0058-04

2012-06-12;

2012-08-03.

孫 濤(1973-), 男, 工程師, 主要研究方向為水聲電子工程、水聲信號處理及水聲裝備作戰效能及使用.

(責任編輯: 許 妍)