基于自適應噪聲對消的魚雷電磁引信抗雷內干擾方法

唐 波, 譚思煒, 張靜遠

基于自適應噪聲對消的魚雷電磁引信抗雷內干擾方法

唐 波, 譚思煒, 張靜遠

(海軍工程大學 兵器工程學院, 湖北 武漢, 430033)

針對魚雷電磁引信存在聲自導發射和魚雷變速時產生的強脈沖干擾問題, 文中從自適應噪聲對消的基本原理出發, 分析了魚雷電磁引信消除聲自導發射和魚雷變速時產生強脈沖干擾的方法。在增加噪聲接收通道獲取相關噪聲的基礎上, 采用自適應噪聲對消抑制強脈沖干擾。仿真試驗表明, 該方法可有效抑制聲自導發射和魚雷變速時產生的強脈沖干擾。

魚雷; 電磁引信; 抗干擾; 自適應噪聲對消; 變速

0 引言

魚雷電磁引信作為一種水下目標探測裝置[1]面臨著各種各樣的干擾, 典型的有直接耦合干擾、魚雷變速干擾、聲自導發射干擾等[2]。其中, 直接耦合干擾為發射天線發射的電磁信號, 沒有目標散射, 經過空間傳播直接被接收天線接收到的部分[3]。對于直接耦合干擾, 目前已有多種途徑可對其進行有效抑制, 比如在電路中增加失平衡自適應通道, 文獻[4]和[5]也提出了基于遞推最小二乘(recursive least squares, RLS)自適應算法的直接耦合干擾抑制方法, 均能有效抑制直接耦合干擾。

但對于魚雷變速干擾和聲自導發射產生的干擾, 一般表現為瞬變性和周期性, 經過引信接收通道選頻后, 又具有同頻特征, 抑制難度較大, 目前采取的方法為通過引入魚雷變速同步信號和聲自導發射同步信號來屏蔽引信接收機, 以此實現抑制干擾的目的。但該方法在抑制干擾的同時, 縮短了引信的有效工作時間, 等同于降低了引信的檢測概率, 因此并不是一種理想的方式。

針對該問題, 文中提出一種基于自適應噪聲對消的電磁引信干擾抑制方法, 通過采用自適應噪聲對消的方法來抑制魚雷變速和聲自導發射帶來的瞬變和周期性脈沖干擾。

1 電磁引信目標回波信號分析

為了降低直接耦合干擾的影響, 發射天線和接收天線通常采用垂直配置方式。假設目標為理想導體平面且表面法線與接收天線軸線重合, 則發射天線、接收天線以及目標的位置關系見圖1。

圖1 發射天線、接收天線和目標位置示意圖

則魚雷電磁引信的目標回波信號可表示為

式中: 為包絡的峰值時刻; 是與脈沖寬度有關的量, 可表示為, 為魚雷與目標的相遇角, 為相遇速度, 為等效艦寬[6]; 相遇角, 相遇速度, 目標等效寬度, 則理想狀態下歸一化的魚雷電磁引信的目標回波信號如圖2所示。

聲自導發射和魚雷變速干擾表現為瞬變脈沖。聲自導發射干擾為周期性的瞬變脈沖, 寬度與聲自導發射信號相同; 魚雷變速干擾為單個脈沖[7], 寬度約為幾百毫秒, 則典型的歸一化聲自導發射機干擾和魚雷變速干擾可表示為

其波形如圖3所示。

圖3 歸一化干擾信號

假設干擾均為強干擾, 其幅值為目標信號的2倍, 則歸一化伴有干擾的電磁引信目標回波信號如圖4所示。

圖4 電磁引信目標回波信號

圖4中周期性出現的較窄脈沖為聲自導發生對引信系統的干擾, 而4.5 s開始的較寬脈沖為魚雷變速干擾, 顯然它們的幅度均高于目標回波。同時, 由于干擾信號成分比較復雜, 經過接收通道處理之后仍能保留較大的幅度, 因此會使引信產生誤動作。

2 自適應噪聲對消算法

在處理一個被加性噪聲污染的信號時, 通常首先對該信號進行濾波。濾波可以采用固定濾波器, 也可以采用自適應濾波器[8]。

圖5 自適應噪聲對消原理框圖

根據優化準則的不同, 自適應濾波算法主要分為2類最基本的算法, 即最小均方誤差(least mean square, LMS)算法和RLS算法。當背景噪聲為平穩的隨機信號時, 基于LMS算法的自適應噪聲對消系統效果顯著。但是, 當背景噪聲是時變的非平穩隨機信號時, LMS算法難以跟蹤噪聲的時變特性, 因而效果不明顯。并且, 在信噪比很小的情況下, 要保證較好的性能, 則需要很長的濾波器階數, 而隨著濾波器階數的增加, 計算量變大且收斂性能變差[11]。RLS算法由于具有較快的收斂速度和對特征值分布不敏感的特性, 成為處理非平穩信號的有效方法。

2) 更新:=1,2, …

3 魚雷電磁引信噪聲對消

圖6 魚雷電磁引信結構框圖

從圖6中可以看出, 為了能夠獲得影響電磁引信系統工作性能的噪聲信號, 在原電磁引信接收通道的基礎上增加噪聲接收通道。圖中噪聲接收天線是為了模擬真實的接收天線阻抗特性,噪聲接收通道除了不能接收目標散射的電磁場回波信號, 其他特性均與接收通道完全相同, 以盡可能獲得相關的噪聲信號。最后在信號處理機里完成自適應噪聲對消。

圖7 遺忘因子不同時自適應濾波器輸出信號

從圖中可知,=2時, 噪聲抵消的效果最理想, 隨著的增加, 自適應噪聲抵消的效果逐漸變差。

4 結束語

針對魚雷變速和聲自導發射對魚雷電磁引信產生強脈沖干擾的問題, 文中提出一種基于自適應噪聲對消的電磁引信干擾抑制方法, 來抑制魚雷變速和聲自導發射帶來的瞬變和周期性脈沖干擾。分析可知, 對于魚雷電磁引信系統來說, 針對聲自導發射、魚雷變速等產生的強脈沖干擾, 在能夠獲取噪聲樣本的情況下, 自適應噪聲抵消是一種有效噪聲抑制方法。

該方法可有效解決魚雷電磁引信系統來自聲自導發射、魚雷變速等的強干擾問題, 對魚雷電磁引信的抗干擾研究以及裝備研制具有重要的參考價值。下一步將針對該方法開展工程化實踐, 已驗證該方法在裝備中的適應性。

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Anti-Internal Interference Method of Torpedo Electromagnetic Fuze Based on Adaptive Noise Cancellation

TANG Bo, TAN Si-wei, ZHANG Jing-yuan

(College of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

In regard to the strong pulse interference in torpedo electromagnetic fuze caused by acoustic homing launch and speed change of torpedo, the principle of adaptive noise cancellation is adopted to propose a method for eliminating this strong pulse interference. The correlated noise is obtained by increasing noise receiving channel, and then the adaptive noise cancellation is used to suppress the strong pulse interference. Simulation result shows that this method can effectively suppress the strong pulse interference generated in acoustic homing launch and speed change processes of torpedo.

torpedo; electromagnetic fuze; anti-interfence; adaptive noise cancellation; speed change

TJ630; TJ431.7

A

2096-3920(2020)03-0259-04

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.03.003

2020-01-06;

2020-03-20.

國家自然科學基金項目資助(11602300).

唐 波(1980-), 男, 碩士, 講師, 主要研究方向為魚雷自導與引信技術.

唐波, 譚思煒, 張靜遠. 基于自適應噪聲對消的魚雷電磁引信抗雷內干擾方法[J]. 水下無人系統學報, 2020, 28(3): 259-262.

(責任編輯: 楊力軍)