基于正交相關處理的反魚雷魚雷聲引信接收機的設計*

吳俊生 陳 喜

(海軍工程大學兵器工程系 武漢 430033)

基于正交相關處理的反魚雷魚雷聲引信接收機的設計*

吳俊生 陳 喜

(海軍工程大學兵器工程系 武漢 430033)

反魚雷魚雷攻擊來襲魚雷時,自導裝置將其引到來襲魚雷附近,當聲引信裝置判定來襲魚雷在其作用半徑之內時,引爆裝藥,摧毀來襲魚雷。文中對主動非觸發引信接收樣本信號進行分析,分析結果表明反魚雷魚雷的接收機可采用正交接收機,并闡述其理論模型、工作原理、電路組成及導出正交處理電路的理論處理增益,最后實驗結果表明處理增益可以滿足技術要求。

反魚雷魚雷; 聲引信; 正交接收機

ClassNumberU666.7

1 引言

反魚雷魚雷(Anti-Torpedo Torpedo,ATT)主動超聲非觸發引信在其作用半徑之內通過來襲魚雷時,引爆裝藥的引信,擊毀來襲魚雷。其工作機理是:聲引信裝置向海水介質發射特定的聲波脈沖,經海水介質的傳播,由接收機接收來自來襲魚雷反射回來的聲信號和來襲魚雷的主動尋的信號,經過對接收信號的處理,判斷該目標是否為來襲魚雷,符合判斷標準的信號認為是來襲魚雷,否則是干擾信號,從而決定是否引爆裝藥。ATT魚雷主動超聲引信換能器通常安置在雷體前端四個位置上,互置相差90°,形成測向陣,每個換能器在水平方向為方向性90°,則測向陣方向性為360°,如圖1所示。因此ATT在其作用半徑內可以攔截任何方向的來襲魚雷。

圖1 ATT魚雷超聲引信測向陣

2 接收樣本信號的分析

通常ATT主動超聲非觸發引信發射為單一正弦填充脈沖(CW波)f(t),接收樣本信號r(t)主要由目標回波、混響和背景噪聲三部分所組成[1],即

r(t)=s(t)+n(t)+nr(t)

(1)

接收樣本信號r(t)如圖2所示。

圖2 接收樣本信號組成框圖

s(t)含兩層意義: 1)目標反射回波,攜帶著有關目標的所有信息,是檢測目標和目標參數估計的全部依據; 2)人工干擾,如對抗器材干擾與單個或系列爆炸聲源的干擾,后者由于在實際戰場環境中存在的概率極低,在這里不予以考慮。nr(t)主要是體積混響,因為ATT主動超聲非觸發聲引信的作用距離比較短,考慮的就只有體積混響的情況[2]。由于發射信號的脈沖寬度τ取值較小,而RLv與τ的取值成正比,因此RLv所得到的值較小,又根據文獻[3]可得聲引信發射脈沖發射完畢之后在2τ的時間內關閉接收通道,使其混響干擾降至最低,因此可以忽略體積混響的干擾。n(t)主要包括海洋環境自然噪聲,ATT魚雷螺旋槳噪聲。由于超聲引信選取工作頻率較高,根據文獻[4]可得海洋自然噪聲能級較小,因此噪聲干擾主要為ATT魚雷螺旋槳產生噪聲,且可以看成是白高斯噪聲[5]。經典檢測理論指出[6],在白高斯噪聲背景中檢測已知信號的最佳接收機是匹配濾波器。其輸出信噪比只與輸入信號能量和噪聲功率譜密度有關,而與信號波波形式無關。

3 正交接收機理論模型的建立

白高斯背景下水聲信號單純檢測問題以數學形式可表示為

H1:r(t)=s(t)+n(t)

(2)

H0:r(t)=n(t)

(3)

其中:H1表示有目標信號;H0表示無目標信號;s(t)表示目標回波信號;n(t)表示噪聲信號;r(t)表示接收機接收到目標信號。對于目標回波信號有無的檢測稱之為雙擇檢測。若輸入信號包含有隨機振幅和隨機相位兩個參數,這種檢測屬于復合雙擇檢測下。理論上講復合雙擇檢測下的最佳接收機仍然是一個似然接收機[6],似然接收機的輸出可表示為

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

其中:A為輸入信號隨機振幅,服從瑞利分布;φ為輸入信號隨機相位,服從均勻分布;θ為初始相位;N0為噪聲能量;a(t)為發射信號歸一化包絡;E為發射信號能量,l(r)為發射信號下適合于所有樣本的似然比。為此對A、φ求平均再等式兩邊取對數可得似然比接收機的輸出的表達式為

(11)

對式(11)稍加整理即可得對數似然比檢測判斷規律(大于門限Z0判為目標信號;反之,無目標信號)。

(12)

其中:Z2即稱為對數似然比接收機的檢驗統計量。

根據式(5)～式(7),式(12),可以畫出白高斯噪聲背景下檢測慢起伏點目標的最佳接收機如圖3所示。這種接收機具有兩個通道,且兩個通道的參考信號剛好是正交的(相位相差90°)所以稱之為正交相關接收機。

圖3 正交相關接收機

由于兩個正交分量的振幅分別含有cosφ和sinφ這個與隨機相位有關的隨機量。所以兩路互相關器的輸出仍將與隨機相位有關。為了消除cosφ和sinφ影響,又將兩路相關器輸出進行了平方求和處理,最后得到Z2就完全與隨機相位無關,因而實現了在隨機相位條件下的最佳處理。

4 ATT接收機的設計

原理框圖如圖4所示。

圖4 ATT主動超聲引信接收機電路框圖

從圖1可以看出,ATT上安裝有四個聲引信裝置,每一個ATT聲引信的工作原理框圖如圖4所示。換能器接收回波信號,通過對回波信號的信號處理,如果判別出來襲魚雷已經在ATT的作用半徑之內,并且同時接收到來襲魚雷的主動尋的信號,那么打開閘門電路,引爆爆發器,摧毀來襲魚雷。

4.1 正交處理電路

接收機的核心是正交相關處理電路,正交處理電路原理框圖如圖所示,它是由數字開關混頻電路,橢圓函數低通濾器,平方電路,π/2移相電路與相加電路所組成。

圖5 正交相關處理電路

4.2 正交相關處理電路的處理增益

在主動聲引信系統中,由于干擾的存在,目標的回波總是混雜在不斷起伏的背景噪聲中。為了從背景噪聲中區分出目標回波,盡量增大信號的功率與噪聲平均功率的比值必然是有利的,對于目標參數的測量當然是可以更加精確。因此,通常接收機是按照得到最大輸出信噪比的要求來設計的[8]。

正交接收機用下式表示,是指在輸入為確知信號和白噪聲的混合波形時,能使輸出信噪比[9]:

(13)

達到最大值的接收機。

正交接收機在噪聲中檢測信號的最大信噪比增益[10]為

G=2TW

(14)

其中W為噪聲帶寬,通常指接收機的前置濾波器的帶寬。可以看出這里的增益與波形帶寬無關,而與噪聲帶寬有關,可以增加噪聲帶寬來增加信噪比增益。通常,作為前置濾波器的帶寬W都可以選擇使要檢測的信號無波形畸變的帶寬B。這時有:

G=2TB

(15)

但在實際系統中,考慮到目標的運動,W取的大一些,一般為W=B+2φmax,其中目標回波可能最大的多普勒頻移值為φmax。式中:T為信號的持續時間。因為系統對信號的檢測都是在有限時間內進行的,所以在式(15)中,T是有限的持續時間。根據T的意義,由于T決定于系統對信號檢測時的持續時間,該時間端對信號進行積分,所以其大小實際上等于系統中積分器的積分時間。

聲引信系統中采用的是RC積分器,其積分時間可以按照T=RC來計算。對于帶寬W的計算,要考慮接收機前置濾波器的帶寬。根據其意義,可以取接收機前置濾波器的帶寬為聲引信接收部分中工作通道高頻放大器的帶寬。考慮實際情況并非完全等效于匹配濾波器,在接收時選頻放大只是利用了幅度信息而沒有利用相位信息,其處理增益大小應乘以1/2的系數;采用線性檢波,處理增益還需乘以1/(π-2)因此可得:

G=2*1/(π-2)*0.5*R*C*W=2.6

(16)

根據聲引信作用距離部分的計算可以知道,在聲引信接收端信號與干擾的聲壓比在25以上,信噪比為聲壓比的平方,取輸入信噪比為252。

因此,處理增益可以滿足對虛警概率和檢測概率的要求(pd=99.9%,pf=10-6)。技術要求和測試結果如表1所示。

5 結語

反魚雷魚雷(ATT)主動超聲引信接收組件在水池做實驗調試成功,實驗結果證明基于正交相關處理ATT引信接收機的設計合理,獲得較為理想的處理增益。由于篇幅有限對實驗方案、實驗過程就不展開論述。值得一提的是聲引信接收機安裝于魚雷還需考慮:

表1 ATT聲引信接收部分各組件電路測試表

1)結構安裝問題;

2)電磁兼容問題;

3)與魚雷總電路接口問題;

4)聲引信電路結構與電源回路等一系列工程實施問題。

另外,由于實驗只是在水池中完成的,并沒有在海洋中測試接收機的性能,而海洋中存在很多不確定因素,各種門限設置是否精確,誤差有多大,這些都需要在海上試驗中加以驗證。

[1]苑秉成,陳喜.水聲自導原理基礎[M].北京:海潮出版社,1992.

[2]蔣興舟,陳喜.自導作用距離影響因素的分析[J].海軍工程學院學報,1991,57(4):49-52.

[3]陳喜,周琨.魚雷主動超聲非觸發引信抗水中爆炸干擾研究[J].艦船電子工程,2011,31(10):152-155.

[4]Urick R J. Principles of Underwater Sound for Engineers[M]. New York: MacGraw Hill,1975.

[5]蔣興舟,陳喜.魚雷自導系統設計原理[M].武漢:海軍工程學院出版社,1994.

[6]苑秉成,陳喜.武器制導技術[M].武漢:海軍工程大學出版社,2009.

[7]王玉泉.水聲設備[M].北京:國防工業出版社,1985.

[8]苑秉成,陳喜.水聲通訊系統的時空處理[J].海軍工程學院學報,1998,64(4):85-88.

[9]顧金海,葉學千.水聲學基礎[M].北京:國防工業出版社,1981.

[10]徐德民.魚雷自動控制系統[M].西安:西北工業大學出版社,1991.

ReceiverofAnti-torpedoUltrasonicFuzeBasedonOrthogonalRelatedProcessing

WU Junsheng CHEN Xi

(Departmen of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

When anti-torpedo torpedo attacks incoming torpedo, its homing device lead it near the incoming torpedo, when acoustic fuze device judges that the incoming torpedo is within the radius of action, it sets off the detonator to destroy the incoming torpedo. Aiming at the analysis of the interference of active noncontact fuze, this paper holds that the receiver of anti-torpedo can adopt orthogonal receiver. Theoretical model, principle, composing of the circuit and the theoretical processing gain of orthogonal processing circuit are also expatiated, lastly the experimental result shows that processing gain can meet the technical requirements.

anti-torpedo, ultrasonic fuze, othogonal receiver

2013年10月10日,

:2013年11月17日

吳俊生,男,碩士研究生,研究方向:聲引信技術。陳喜,男,副教授,研究方向:魚雷制導技術、水中兵器仿真技術等。

U666.7DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.04.045