電磁引信魚雷過靶定位方法研究＊

趙 陽 范 劍

（安徽海軍蚌埠士官學(xué)校 蚌埠 233012）

1 引言

魚雷進(jìn)行實(shí)航試驗(yàn)時(shí)，難以確切地獲得魚雷過靶的實(shí)際距離、方位等信息，對(duì)于魚雷引信動(dòng)態(tài)性能測(cè)試缺乏有效的方法［1～3］，針對(duì)現(xiàn)代魚雷普遍裝備主動(dòng)式磁引信這一現(xiàn)狀，本文從電磁波在海水中的傳播特性出發(fā)，開展了利用魚雷主動(dòng)電磁引信輻射源作為被動(dòng)信號(hào)源進(jìn)行水下探測(cè)與定位的研究，利用輻射信號(hào)相位特征量對(duì)魚雷進(jìn)行定位與跟蹤［4］，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)魚雷導(dǎo)引精度和電磁引信工作性能等戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)，在魚雷電磁引信對(duì)抗方面具有重要的理論和實(shí)際的意義。

由于海水媒質(zhì)的電磁特性，電磁波在傳播過程中產(chǎn)生的傳播衰減與相位滯后，并具有強(qiáng)非線性［5～7］。文獻(xiàn)［1］中，提出了一種被動(dòng)測(cè)距和定位的方法，但其可能導(dǎo)致迭代結(jié)果收斂于其它局部極小點(diǎn)，且前一時(shí)刻的估計(jì)值有比較大的誤差就可能影響后面的參數(shù)估計(jì)結(jié)果。本文基于電磁波在海水中傳播時(shí)產(chǎn)生的傳播衰減和傳播相移隨距離變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用運(yùn)動(dòng)載體搭載一個(gè)三軸磁傳感器，通過遺傳算法良好的全局搜索能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)魚雷進(jìn)行定位與跟蹤。

2 電磁引信輻射場(chǎng)分布

魚雷主動(dòng)電磁引信是現(xiàn)代魚雷常用的一種非觸發(fā)引信，主動(dòng)電磁引信主要由發(fā)射天線（引信輻射器）、接收天線（引信接收器）、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)等組成［2］，如圖1。其原理為電磁引信發(fā)射天線產(chǎn)生一定頻率和一定功率的沿魚雷縱軸對(duì)稱空間分布的交變磁場(chǎng)，當(dāng)魚雷在艦艇附近通過時(shí)，艦艇殼體在魚雷輻射場(chǎng)的激勵(lì)下產(chǎn)生渦流二次磁場(chǎng)，使魚雷輻射場(chǎng)發(fā)生畸變，破壞原輻射場(chǎng)沿魚雷縱軸的對(duì)稱分布，安裝在雷頭的接收天線感應(yīng)到這一信號(hào)，經(jīng)引信接收機(jī)放大、處理和識(shí)別，產(chǎn)生點(diǎn)火信號(hào)，從而引爆戰(zhàn)斗部［8～9，11］。

圖1 引信系統(tǒng)組成框圖

圖2 柱坐標(biāo)系中磁偶極子

在檢測(cè)點(diǎn)距離遠(yuǎn)大于發(fā)射天線尺寸情況下，其可以看作一個(gè)磁偶極子源，如圖2所示，根據(jù)文獻(xiàn)［3］可知，海水中交變磁偶極子電磁場(chǎng)的分布特性，其在直角坐標(biāo)系中磁場(chǎng)分量為

設(shè)P（x，y，z）點(diǎn)處磁場(chǎng)為H（x，y，z），則有：

式中，ax，ay，az為單位矢量。

3 傳感器接收電磁場(chǎng)信號(hào)分析

圖3 魚雷與傳感器相對(duì)運(yùn)動(dòng)示意圖

假定在傳感器運(yùn)動(dòng)過程中，可以始終保證其x′軸與運(yùn)動(dòng)方向一致，z′軸與魚雷引信坐標(biāo)系的z軸平行，豎直向上，傳感器接收到電磁場(chǎng)信號(hào)分別記為 H′x（t）、H′y（t）、H′z（t），將引信坐標(biāo)系中電磁磁場(chǎng)信號(hào)分量轉(zhuǎn)換到探測(cè)器坐標(biāo)系中，有：

圖4 磁場(chǎng)三分量幅值變化曲線

假定海水電導(dǎo)率σ＝4s／m，相對(duì)磁導(dǎo)率μr＝1，輻射源磁矩為M＝50A·m2，頻率為f＝500Hz（以上參數(shù)全文相同），取傳感器速度vB＝5m／s，夾角α＝π／6，魚雷速度為vT＝25m／s，z0＝20m，d0＝10m，其磁場(chǎng)三分量幅值與相位變化曲線如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知，在魚雷與傳感器相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中，在信號(hào)可探測(cè)的范圍內(nèi)，傳感器接收到的信號(hào)相位發(fā)生明顯變化，并且相互之間存在一定的制約關(guān)系。目前，相位測(cè)量技術(shù)成熟，測(cè)試精度高，在被測(cè)輻射信號(hào)頻率穩(wěn)定時(shí)，可以利用相位信息對(duì)魚雷進(jìn)行定位。

圖5 磁場(chǎng)三分量相位變化曲線

4 基于GA的魚雷引信定位算法

遺傳算法［4］是Holland J.H.在20世紀(jì)70年代受生物進(jìn)化論思想啟發(fā)而提出的一種基于自然選擇和群體遺傳機(jī)理搜索最優(yōu)解的概率算法，以自然選擇和遺傳理論為基礎(chǔ)，采用人工進(jìn)化方式對(duì)目標(biāo)空間進(jìn)行隨機(jī)優(yōu)化搜索，具有自組織、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)性與本質(zhì)的并行性，提供了一種求解非線性、多模型、多目標(biāo)等復(fù)雜優(yōu)化問題的通用框架。

在海水電磁參數(shù)已知的條件下，通過電磁場(chǎng)測(cè)量信號(hào)得到信號(hào)頻率，從而對(duì)電磁引信定位參數(shù)（d，α0，v0，z）進(jìn)行遺傳編碼，以模型精度為模型算法的適應(yīng)度值，通過魚雷與傳感器相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程求解電磁引信輻射器位置參數(shù)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

在Matlab 7.1的GA工具箱中，GA個(gè)體的適應(yīng)度值越低，其生存能力越強(qiáng)，因此以模型相對(duì)誤差來表達(dá)GA個(gè)體的適應(yīng)度，模型相對(duì)誤差值計(jì)算式為相對(duì)誤差值為遺傳算法適應(yīng)度值，其中，模型相對(duì)誤差值計(jì)算式為

圖6 GA定位算法計(jì)算流程

式中，φ′xi，φ′yi，φ′zi分別表示GA個(gè)體三分量相位計(jì)算值，φxi，φyi，φzi表示實(shí)際測(cè)量的三分量相位值。采用GA算法對(duì)磁定位參數(shù)（d，α0，v0，z）來進(jìn)行求解，求解過程見圖6。

表1列出了真值d＝10m，v0＝25m／s，z＝10m，α為取0～π等不同角度值時(shí)，魚雷完全通過傳感器時(shí)，GA重復(fù)計(jì)算200次，仿真計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 GA離線計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果

在不更改GA算法參數(shù)的情況下，改變vT，α，z0，都仍然可以得到與上面相似的結(jié)果。

取－2≤t≤0，重復(fù)GA計(jì)算200次，仿真結(jié)果如表2所示：

表2 GA在線計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果

將表2與表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行比較，可以看出，在線計(jì)算過程中，獲得傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)減少，在GA算法取相同的參數(shù)下，定位精度普遍降低，但對(duì)魚雷速度估計(jì)性能較好，而魚雷與傳感器相遇角在0°附近時(shí)，對(duì)正橫距d的估計(jì)誤差較大，在90°附近時(shí)，GA定位精度較低。以上結(jié)果表明：基于GA的算法能較為準(zhǔn)確地搜索到真值鄰域解。

在對(duì)合作目標(biāo)進(jìn)行離線定位時(shí)，可以通過對(duì)定位參數(shù)作更為嚴(yán)格的限制，增加計(jì)算次數(shù)，改善定位結(jié)果精度，在對(duì)于非合作目標(biāo)進(jìn)行在線定位時(shí)，可以根據(jù)對(duì)目標(biāo)的預(yù)測(cè)、其它類型傳感器數(shù)據(jù)等參考信息對(duì)目標(biāo)方位、運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行大致估計(jì)，縮小GA搜索空間，能有效防止其未成熟收斂，提高運(yùn)算效率，同時(shí)對(duì)多個(gè)磁傳感器數(shù)據(jù)融合，改進(jìn)跟蹤與定位的精度。

從大量的仿真計(jì)算結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

在給定近程范圍內(nèi)，在被測(cè)輻射信號(hào)頻率穩(wěn)定的條件下，基于GA算法電磁引信相位定位方法穩(wěn)定、可靠，具有很好的“普適性”。

5 結(jié)語

通過對(duì)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用信號(hào)相位可以實(shí)現(xiàn)魚雷電磁引信的跟蹤與定位，具有較高的精度，在魚雷自航靶、自航式魚雷誘餌等方面應(yīng)用前景廣闊，進(jìn)一步研究魚雷電磁引信精確測(cè)距方法與工程應(yīng)用是可行而必要的。

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