強噪聲干擾的數學模型

海軍駐昆明地區軍事代表辦事處 楊立健

強噪聲干擾的數學模型

海軍駐昆明地區軍事代表辦事處 楊立健

本文從強噪聲干擾器機理入手,研究計算機數字模擬法產生強噪聲的仿真實現,為研制強噪聲對抗聲自導魚雷實驗系統提供理論基礎。

制強噪聲；干擾；數學模型

0 引言

在水聲試驗靶場中，進行強噪聲干擾設備干擾聲自導魚雷的試驗，考核干擾效果，是設計強噪聲干擾器材、改進魚雷聲自導系統，提高其抗干擾能力的重要手段。強噪聲干擾設備干擾聲自導魚雷的試驗在海試、湖試條件下由于很難對魚雷聲自導系統的各項響應進行實時觀測、做出具體分析，因此實現困難、并且費用龐大。基于對接陣的聲自導魚雷抗干擾實驗系統克服了以上不利條件，可完成空投反潛魚雷聲自導系統的水聲對抗與反對抗陸上物理仿真實驗，具有良好的效益。

基于對接陣的聲自導魚雷抗干擾實驗系統，是一種魚雷陸上物理仿真實驗系統。該系統主要用于空投反潛魚雷聲自導系統陸上條件下，實現其在強噪聲干擾設備干擾下海上工作環境的仿真。該系統在計算機控制下，以聲對接模式（物理仿真）為魚雷聲自導系統提供不同速度、方位、距離、信噪比的目標聲仿真信號，并加入強噪聲干擾信號，對聲自導魚雷實施寬帶干擾，從而驗證強噪聲干擾設備干擾空投反潛魚雷的可行性。

1 強噪聲干擾器機理

目前國際上利用強功率聲對抗器方式干擾魚雷對目標的跟蹤是已經發展成熟的與魚雷進行對抗的“軟對抗”手段之一。而在空投魚雷的情況下，魚雷就會落在離潛艇僅僅1km左右的范圍內，因此，只需要幾十秒就能攻擊到目標。空投魚雷從入水到跟蹤攻擊上目標，一般僅需60～90秒的時間，如果依賴現有潛艇上與線導魚雷進行對抗的技術從發現魚雷到識別魚雷并發出報警信號，進行對抗，一般要3分鐘以上的時間，而啟動對抗器材到進入聲對抗狀態也要1分鐘時間，因此現有器材較難與空投魚雷對抗。與近距離來襲魚雷對抗的有效措施之一是使用強功率干擾器切斷魚雷與潛艇的接觸。為爭取時間，這種強噪聲干擾器材采用安裝在耐壓殼體外的“背負式”干擾器，通過倉內開關啟動就能發射強干擾，使魚雷自導系統迷航。當然，強噪聲干擾也可能成為暴露潛艇的信號源。

當強鄰頻干擾信號與微弱有用目標回波信號同時進入魚雷自導接收機時，或接收機使用的器件的固有非線性，或輸入干擾信號過強，超過了器件的動態范圍時，會使接收機的靈敏度顯著下降、有用信號的增益顯著降低。這種現象好象干擾阻塞了有用信號在接收機中的正常傳輸，故稱阻塞干擾（見圖1）。

阻塞干擾是由于接收機放大器線形不良、動態范圍太窄及噪聲系數惡化等原因造成的。由于電路的非線形，尤其是針對模擬電路，當有兩個以上干擾存在時，干擾之間的相互作用可以形成新的頻率分量。如果新組成的頻率分量剛好落在接收機通帶內，則會對造成對接收機的干擾。這種互調干擾將會降低接收機的增益，當使增益降低到一定程度時，就形成了阻塞干擾。當鄰頻干擾幅度越大、有用信號的幅度越小時，接收機增益下降的就越多。一般情況下，接收機放大系數隨干擾信號幅度的二次方而迅速下降。當調幅的干擾進入接收機后，其調制信號又交叉調制有用信號的載頻，且隨有用信號一道輸出。若干擾的幅度足夠大，以至于通過接收機前端選擇電路后仍有不可忽略的幅度時，那么由于接收機的非線形特性，必然給接收機帶來干擾。這種干擾一旦在接收機的某一級產生，接收機以后各級回路的選擇性便不會對它有任何抑制作用。當有用信號或者干擾過強，遠遠超過接收機本身的線形范圍和動態范圍時，也會產生大信號阻塞。當接收機動態范圍不足時，正確使用限幅器是有效的辦法。限幅器對于調幅和調頻信號的阻塞作用是不相同的。對于調幅信號，限幅器可削去有用信號的幅度信息；對于調頻信號，限幅器可畸變有用信號的相位。對于調頻信號而言，當有用信號大于干擾信號時，限幅的結果同樣會使干擾降低，從而形成強信號抑制弱干擾。

圖1 強噪聲干擾聲自導魚雷機理

由以上分析可知，強噪聲干擾器是以頻率覆蓋水聲設備的接收機通帶、以功率掩蓋目標回波的一種壓制性和阻塞性干擾器材。強噪聲的帶寬如果覆蓋了接收機的接收通帶，足夠幅度的強噪聲干擾會使接收機靈敏度降低，使其輸出效率和輸出信噪比不能達到一定要求，最終阻塞掉接收機。

2 強噪聲干擾信號的模型

干擾魚雷的強噪聲干擾器能發出很強的干擾噪聲，可造成強大的干擾背景，覆蓋敵方魚雷自導的頻率范圍。強噪聲被敵方魚雷自導系統接收后，可以降低主動自導系統的輸入信噪比，同時也可以降低自導系統對目標的檢測能力。對于敵方魚雷被動自導系統來講，噪聲干擾器是一個很強的假目標，可使被動自導魚雷丟失真實目標轉而進行攻擊假目標。

若一個具有零均值的平穩隨機過程x(t)，其功率譜密度在某一個有限頻率范圍內均勻分布，而在此范圍外為零，則稱這個過程為限帶白噪聲。強噪聲的模型就是一個帶通型限帶白噪聲。將幅度很強的白噪聲通過一個帶通濾波器，濾波器的帶寬滿足寬帶要求，并且覆蓋魚雷接收機帶寬，變可以產生寬帶強噪聲干擾信號。

3 強噪聲干擾信號的數字仿真實現

對強噪聲干擾信號的仿真實現總的來說可以有兩種辦法：一種是通過建立強噪聲的數學模型，通過計算機數值模擬的方法來產生數字強噪聲干擾信號；一種是利用電子器件如二級管的噪聲特性再加以濾波、放大等輔助電路來通過硬件實現模擬形式的強噪聲干擾信號。以下討論了兩種計算機數字仿真的方法實現數字強噪聲干擾信號：

3.1 寬帶隨機強噪聲用白噪聲通過數字寬帶濾波器來產生

寬帶隨機噪聲用白噪聲通過數字寬帶濾波器來產生時，其中寬帶噪聲頻寬就是濾波器的通頻帶。寬帶隨機噪聲可表示為

在給定噪聲干擾器的譜級、頻帶寬度等技術指標時，可以設計數字帶通濾波器，從而得到帶通濾波器的脈沖響應和符合要求的寬帶隨機噪聲。

圖2所示為由白噪聲通過帶通濾波器產生的寬帶噪聲的功率譜。

圖2 白噪聲通過帶通濾波器產生的寬帶噪聲的功率譜

3.2 由線性調頻信號來產生的數字強噪聲干擾信號

寬帶噪聲也可以用線性調頻信號來產生，其中的參數例如頻率范圍，譜級等均可根據需要任意設定。噪聲譜級由噪聲聲強級或者是聲壓級度量，而噪聲的均方差也就是噪聲的聲壓有效值。噪聲譜級由下式確定。

線形調頻信號（LFM）的表達式為：

其中M是線性調頻指數，T是方波包絡的寬度，是載頻，頻率調制寬度，用模擬信號采樣成數字信號。

圖3是由線性調頻信號產生的寬帶噪聲的功率譜，頻率范圍是0.3～0.7，譜級0.96。

圖3 由線形調頻信號產生的寬帶噪聲的功率譜

噪聲干擾器產生的強寬帶噪聲對于敵方魚雷自導只是起到增強其噪聲干擾背景作用。當魚雷自導采用比較先進的聲發射技術例如變頻、調制、編碼等時，即使干擾背景強大，仍然有可能利用先進的信號處理技術識別出有效回波，這時噪聲干擾器的干擾效果就會大大受到影響。

4 結束語

通過上述對噪聲干擾器模型的分析，為研究計算機數字模擬法產生強噪聲的仿真實現,以及研制強噪聲對抗聲自導魚雷實驗系統提供了一定的理論基礎。此外，也對今后實際試驗分析提供了可靠依據。

[1]康鳳舉． 現代仿真技術與應用[M]．北京:國防工業出版社,2001．

[2]W．J．伯迪克著,方良嗣譯．水聲系統分析[M]．北京:海洋出版社,1992．

[3]沈鳳麟．葉中付．錢玉美．信號統計分析與處理[M]．合肥:中國科技大學出版社,2001．