線性調頻信號在魚雷主動電磁引信中的應用

張弋珂, 肖素娟, 楊云川, 施曉海

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線性調頻信號在魚雷主動電磁引信中的應用

張弋珂, 肖素娟, 楊云川, 施曉海

(中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

線性調頻信號具有抗干擾和對抗能力強等優點, 廣泛應用于雷達、通信和魚雷自導等領域, 但對于魚雷電磁引信還屬于一種新的信號體制。文中建立了魚雷電磁引信模型, 闡述了線性調頻信號的工作原理,研究了線性調頻信號的產生, 分析了回波信號的幅頻特性。通過MATLAB軟件對其抗干擾性能進行仿真, 驗證了線性調頻信號作為魚雷主動電磁引信探測信號的可行性。

魚雷; 線性調頻信號; 電磁引信; 抗干擾

0 引言

現代海戰條件下, 魚雷引信的工作環境日漸復雜, 不僅要面對來自大自然的干擾, 還要應對各種形式的人工干擾[1]。對于現代魚雷引信的要求, 不僅要具備良好的探測性能, 更要注重提高其抗干擾和對抗的能力[2]。

電磁引信是魚雷最早采用的引信類型。魚雷電磁引信經過多代改進, 技術成熟、工作可靠, 反潛反艦均可通用, 尤其適用于淺水水域或艦船/潛艇的尾流場等混雜的聲場環境中, 在世界先進魚雷中得到廣泛應用。但由于電磁引信是基于電磁感應原理, 易受雷內、外電磁環境的影響。隨著新型魚雷武器、水下對抗器材、反魚雷手段的發展和現代水下作戰環境的變化, 傳統的電磁引信單頻工作模式容易被敵方進行頻率截獲和實施干擾, 難以滿足魚雷及其武器系統新的作戰使用要求。

線性調頻信號廣泛應用于雷達、通信、導彈引信和魚雷自導等領域[3], 如美國早期的波馬克地-空導彈采用了正弦調頻邊帶引信, 法國的馬特拉530空-空導彈采用正弦調頻寬帶引信, 以色列的美洲虎空-空導彈采用了多調制頻率的正弦調頻邊帶引信[4-6]。

通過研究適用于魚雷的寬頻帶電磁引信技術, 實現復雜戰場環境下艦艇目標的可靠探測, 提高魚雷引信對目標檢測、抗干擾和反對抗能力, 滿足對目標精確打擊和高效毀傷的迫切需求, 具有重要的現實意義和軍事應用前景[7-8]。

針對提高魚雷主動電磁引信的抗干擾性和對抗能力, 安瑞[9]闡述了偽碼調相信號作為寬頻帶電磁引信探測信號的可行性。

借鑒線性調頻雷達技術, 將線性調頻信號作為魚雷主動電磁引信的探測信號, 是提高引信抗干擾和對抗能力的一條可行的技術途徑。文中通過MATLAB軟件分別對單頻以及線性調頻信號工作體制下目標回波信號進行了數值仿真, 對比分析了目標回波信號幅頻特性, 為今后線性調頻號在魚雷電磁引信中的應用提供參考。

1 基于線性調頻技術的魚雷電磁引信

1.1 線性調頻信號

線性調頻(linear frequency modulation, LFM) 信號指持續時間頻率連續線性變化的信號, 線性調頻信號通過對載波頻率進行調制以增加信號的發射帶寬。線性調頻信號的復數表達式為

設LFM發射信號初始頻率f1=400 Hz, 帶寬=500 Hz, 周期=1 s, 時間=0~1 s, 步長1/2 400 s, 得到的線性調頻信號的時域圖、頻域圖以及時頻圖分別如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 LFM信號時域圖

圖2 LFM信號頻域圖

圖3 LFM信號時頻圖

1.2 魚雷電磁引信系統

結合線性調頻技術和魚雷主動電磁引信的特點, 提出一種基于數字化技術的線性調頻引信系統設計方案, 如圖4所示。

引信系統采用線性調頻信號作為探測信號,利用DSP(digital signal processor)產生線性調頻信號, 將產生的線性調頻信號作為激勵信號通過功率放大和發射匹配后, 激勵發射天線向魚雷周圍的海水介質中輻射交變的電磁場。當魚雷在目標艦船附近通過時, 引信探測電磁場在金屬目標殼體表面感應渦流, 該渦流二次場使引信輻射的物理場發生畸變, 這一變化后的物理場被接收天線感應后變成電信號后,由信號處理電路進行放大、濾波處理和目標特性提取與識別, 滿足條件時輸出起爆信號[10]。

2 魚雷電磁引信目標回波信號數值仿真

2.1 目標回波信號模型

當魚雷在目標附近通過時, 引信有效信號是目標反射場強的變量, 信號強度隨魚雷與目標的距離(以下統稱為雷目距離)而變化, 且與目標的材料、尺寸、環境介質等相關。為了簡化對艦船目標反射場的計算, 一般用無限大的理想導電平面來代替艦船殼體, 收發天線采取垂直配置, 如圖5所示。

對于常用的垂直天線系統(接收天線與發射天線的軸線垂直), 目標反射場強度計算公式[5]

式中 :為輻射磁矩;為引信基數, 即收發天線的軸間距;為非觸發引信作用距離;為接收處磁場強度;K為海水介質的傳播衰減系數;K為目標反射系數;K(l)為目標外形計算系數;K為引信接收機引起的時間延遲系數。

式中,為海水中電磁波波長, 且

其中,＝2π角頻率。

其中:0為真空導磁率;1為海水的導磁率;2為金屬目標殼體的導磁率;1為海水的導電率;2為金屬目標殼體的導電率。

2.2 仿真試驗

2.2.1 試驗內容

利用MATLAB仿真軟件, 重點分析引信工作頻率、引信作用距離對接收目標回波信號強度的影響。

通過數值仿真計算, 分別得出單頻信號以及線性調頻信號, 在接收天線處磁場強度與引信工作頻率和引信作用距離之間的關系。

1) 發射信號為單頻信號時, 得出多個頻點上, 場強與作用距離的變化關系; 2) 發射信號為線性調頻信號時, 場強與不同作用距離的變化關系, 對比其與1)中的結果; 3) 發射信號為單頻信號時, 分析在不同的作用距離條件下場強與頻率的變化關系; 4) 發射信號為線性調頻信號時, 不同的調頻斜率(即不同的帶寬), 所對應的場強和頻率的變化關系。

2.2.2 試驗結果及分析

1) 發射信號為單頻信號時, 場強與作用距離的變化關系。從頻率范圍=200~3 000 Hz中, 每隔200 Hz選取一個頻點研究雷目距離和場強的關系, 如圖6所示。

在所研究的頻率范圍內, 不同頻率條件下, 場強在作用距離由0.5~10 m的變化過程中均是先增大再減小, 且均在距離=1.25 m(/4)時取得最大值。不同頻率時, 最大值點的變化情況如圖7所示。

2) 發射信號為調頻信號時, 即=f1+, 研究在1個周期內場強與作用距離的變化關系, 發射信號為線性調頻, 其中f1=200, 帶寬=2800 Hz, 周期=1 s, 調頻斜率=/。場強與頻率、作用距離的變化關系如圖8所示。

圖6 單頻信號下各變量變化關系

圖7 場強最大值與頻率的變化關系

圖8 LFM探測信號各變量變化關系

由圖8可以看出, 發射信號為線性調頻信號時, 與1)中單頻時場強在作用距離由0.5~10 m的變化過程中, 依然遵循先增大后減小的規律, 且在頻率呈線性變化時, 場強依然在=1.25 m處取得最大值。

發射信號為線性調頻信號時, 分析在不同的作用距離條件下場強與頻率的變化關系, 場強與頻率的變化情況如表1所示。

表1 作用距離和場強的變化關系(線性調頻)

作用距離在0.5~7.5 m的范圍內, 相對變化率均在10%以內, 信號相對穩定, 屬于線性調頻體制電磁引信系統可接受的參數范圍。

3) 不同的調頻斜率(即不同的帶寬), 所對應的場強和頻率的變化關系。選取典型的距離(=4 m)條件下, 討論不同的調頻斜率(或帶寬)下, 頻率和接收處場強的變化情況。=/, 而周期設定為1 s, 調頻斜率的變化是由帶寬的變化所引起, 頻率初始值f1=200 Hz, 因而設帶寬為100~2800 Hz, 步長100 Hz, 由MATLAB仿真得到頻率與場強的變化關系如圖9所示。各個調頻斜率(帶寬)下, 得到接收的場強變化情況如表2所示。頻率由200~3000 Hz, 其總體變化如圖10所示。

表2 場強和調頻斜率的變化關系

2.3 仿真結果與分析

由仿真試驗可以得出, 雷目距離在0.5~7.5 m的范圍內, 接收處場強的相對變化率均在10%以內, 信號相對穩定, 屬于線性調頻體制電磁引信系統可接受的參數范圍, 可作為線性調頻信號電磁引信的參數選擇。此外, 帶寬取100~1500 Hz時, 接收處場強的相對變化率均在10%以內, 信號相對穩定, 有利于信號的檢測。所以帶寬可接受的選取范圍100~1500 Hz。

3 線性調頻信號抗干擾仿真

由于傳統單頻電磁引信信號容易受到干擾影響, 文中只進行線性調頻抗單線譜和多線譜干擾仿真及分析。

3.1 帶內單線譜和多線譜干擾檢測

帶內單一頻率, 同相的頻譜, 與信號時間一樣長的干擾, 干擾信號的幅度為2 V, 干擾頻率為800 Hz, 仿真結果如圖11所示。由圖可知, 帶內干擾峰值為1.062×104, 第二大干擾值為8 656, 則信號分辨力為1.23。

帶內多個頻率, 同相的頻譜, 與信號時間一樣長的干擾, 干擾信號的幅度為1 V, 干擾頻率為800 Hz, 900 Hz, 1 000 Hz, 1 100 Hz, 1 200 Hz, 1 300 Hz, 仿真結果如圖12所示。由圖可知, 帶內干擾峰值為6.527×104, 第二大干擾值為5.688×104, 則信號分辨力為1.15。

3.2 抗單線譜干擾仿真

模擬人工干擾, 在線性調頻信號中加入帶內單一頻率, 同相的頻譜, 與信號時間一樣長的干擾, 干擾信號的幅度為2 V, 干擾頻率為800 Hz, 仿真結果如圖13所示。由圖可知, 目標信號值為7.123×105, 最大干擾值為7 019, 則信號分辨力為101.5。

3.3 抗多線譜干擾仿真

模擬人工干擾, 在線性調頻信號中加入帶內多個頻率, 同相的頻譜, 與信號時間一樣長的干擾, 干擾信號的幅度為2 V, 干擾頻率為800 Hz, 900 Hz, 1 000 Hz, 1 100 Hz, 1 200 Hz, 1 300 Hz, 仿真結果如圖14所示。由圖可知, 目標信號值為9.05×105, 最大干擾值為9.768×104, 則信號分辨力為9.3。

通過上述仿真分析, 可得出以下結論: 1) 在無信號, 只有帶內線譜干擾下, 信號檢測分辨力較低, 不超過1.5; 2) 線性調頻信號信號檢測分辨力為124.7, 隨著帶內線譜的增多, 信號檢測分辨力減弱; 3) 線性調頻信號相對單頻信號抗干擾能力有很大提高, 并且具備一定的對抗能力。

4 結束語

通過對線性調頻信號、目標回波信號以及引信系統抗干擾性的仿真, 得出了線性調頻電磁引信系統可接受的參數選取范圍, 論證了線性調頻信號作為魚雷電磁引信探測信號的可行性和其優良的抗干擾性。針對其抗干擾性能優良的特點, 今后的研究中應用多種形式的干擾信號檢驗其抗干擾能力, 從而為今后基于線性調頻體制的魚雷主動電磁引信的研究發展提供參考。

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(責任編輯: 許 妍)

Application of LFM Signal to Torpedo’s Active Electromagnetic Fuze

ZHANG Yi-ke, XIAO Su-juan, YANG Yun-chuan, SHI Xiao-hai

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

Linear frequency modulation(LFM) signal has the advantages of anti-interference and strong resistance, so it has been widely used in radar, communication and torpedo homing. However LMF is a new signal system to torpedo electromagnetic fuze. In this paper, an electromagnetic fuze model of a torpedo is established, the working principle of LFM signal is expounded, the generation of LFM signal is investigated, and the amplitude frequency characteristic of echo signal is analyzed. The software MATLAB is adopted to simulate the anti-interference performance of LFM signal, and the results show that LFM signal can be applied to detection of torpedo active electromagnetic fuze.

torpedo; linear frequency modulation(LFM) signal; electromagnetic fuze; anti-interference

張戈珂(1993-), 在讀碩士, 主要研究方向為魚雷引信技術.

TJ431.7; TN973

A

2096-3920(2018)02-0174-06

張弋珂, 肖素娟, 楊云川, 等. 線性調頻信號在魚雷主動電磁引信中的應用[J]. 水下無人系統學報, 2018, 26(2): 174-179.

2017-10-10;

2018-01-19.

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.02.012