魚雷電磁引信作用距離模糊分析及抑制方法*

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)

隨著科學技術的不斷發展，電磁引信作為一種有效、可靠的目標探測手段，被廣泛應用于魚雷非觸發引信。目前，全球絕大多數的魚雷都裝配有電磁引信。對于魚雷電磁引信來說，為了盡可能減小直接耦合干擾的影響，通常采用接收器和輻射器垂直配置，即接收器和輻射器軸線相互垂直[1]，垂直配置方式的基本原理如圖1所示，接收器和輻射器通常都是帶有磁芯或者鐵芯的多匝線圈[2]。其中，輻射器用于在魚雷周圍產生均勻的輻射電磁場，而接收器則用于接收來自目標散射的電磁場[3]。

圖1 垂直配置方式Fig.1 Vertical configuration

1 目標回波信號分析

假設目標為理想導體平面并且表面法線與線圈1軸線重合，如圖2所示。則魚雷電磁引信的目標回波信號如式(1)所示。

圖2 目標位置示意圖Fig.2 Object location S0(t)=Af(t)sin(ω0t+φτ)

(1)

其中，A為回波信號的幅值，f(t)為信號包絡，φτ為回波信號相位。

對于圖2所示的情況，由鏡像法可知

(2)

其中，M為輻射磁矩，μ0為海水磁導率，a為收發天線間距，h為輻射天線與目標的距離[4]。

對于垂直配置方式來說，為了在雷體四周(垂直于魚雷縱軸平面上)形成360°均勻的接收指向性，通常采用軸線相互垂直的兩個接收線圈，其軸線構成的平面垂直于魚雷軸線[5]，如圖3所示。

圖3 雙接收線圈垂直配置方式Fig.3 Vertical configuration of double receiving coils

當魚雷發生橫滾或者目標不在魚雷正上方時，即線圈1軸線與目標的法線有一個夾角θ，則線圈1的輸出信號幅值為

(3)

線圈2的接收信號幅值為

(4)

圖4 接收指向性Fig.4 Receiving directivity

2 信號處理算法改進

由式(1)～(4)可知，從信號幅度來說，線圈1和線圈2所接收到的信號是相互正交的。對于該信號，可以采用平方、求和、再開方的方式獲得接收線圈處信號強度的模值[6]，即

(5)

由式(5)可知，A是與夾角θ無關的量，且恒等于線圈接收信號幅度的最大值。因此，如果以該特征量作為檢測對象，顯然可以得到如圖4所示的虛線外圓的接收指向性。

因此，采用接收線圈處信號強度模值為檢測對象的電磁引信系統，顯然具有兩個明顯優勢：

1)具有360°均勻的接收指向性；

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2)消除了傳統電磁引信系統的作用距離模糊，提高了作用距離，增幅約1.12倍。

基于式(5)，對于電磁引信系統來說，在傳統接收系統信號檢波模塊后，應當增加求平方、加法以及開方模塊，將雙路信號處理轉換成單路信號處理[7-8]，如圖5所示。

圖5 幅值取模處理Fig.5 Modulo operation of signal amplitude

雙通道的電磁引信接收信號經過圖5所示過程處理后，可得到接收信號強度的模值，并將雙路的接收通道轉換成單路，節省了空間和成本。

只要目標等效散射面積和相對距離不發生變化，該模值就不會發生變化，因此可以獲得360°均勻的接收指向性，同時消除傳統電磁引信系統的作用距離模糊，提高了作用距離。

3 誤差分析及改進措施

以上分析均基于圖3所示的接收線圈位置關系，然而實際情況是接收線圈無法安裝在魚雷軸線上，只能安裝在偏離軸線的殼體上，因此無法實現圖3中所示的配置。通常接收線圈配置如圖6所示[9-10]。

圖6 接收線圈配置形式Fig.6 Configuration of receiving coils

當目標仍然位于距離h處時，由式(3)和式(4)可得此時接收線圈1和接收線圈2的輸出信號幅值分別為

(6)

(7)

假設a=6 m，h=6 m，r=0.267 m，則可得到圖5所示處理后的電磁引信系統接收指向性，如圖7所示。

圖7 接收指向性Fig.7 Receiving directivity

由以上分析可知，產生作用距離模糊的主要原因是接收線圈偏離軸線，從而導致接收空間指向性不均勻。因此，可通過改善接收空間指向性來消除作用距離模糊。具體方法為，在魚雷雷體對稱的位置增加兩組線圈，如圖8所示。

圖8 改進的接收線圈配置Fig.8 Improved configuration of receiving coils

圖8中線圈3和線圈1關于雷軸對稱，線圈4和線圈2關于雷軸對稱。由式(6)和式(7)可知線圈3和線圈4的輸出信號幅值分別為

(8)

(9)

分別取線圈1和線圈3、線圈2和線圈4輸出信號的均值作為兩路接收信號，再經過式(5)所示的取模處理，便可得到360°均勻的接收指向性。改進后的接收指向性如圖9所示。

圖9 改進后的接收指向性Fig.9 Improved receiving directivity

由圖9可知，該方法消除了由于接收線圈偏離魚雷軸線而產生的引信作用距離模糊，提高了引信可靠動作的作用距離。

4 結論

由以上分析可知，對于位于魚雷軸線上雙接收線圈的電磁引信系統來說，通過取模處理可以實現360°均勻的接收指向性，消除作用距離模糊，將引信可靠動作的作用距離提高了約1.12倍(a=6 m，h=6 m)。

對于接收線圈偏離魚雷軸線的電磁引信系統來說，通過增加兩對對稱的線圈，并以兩組對稱位置線圈的均值作為接收信號，可得到360°均勻的接收指向性，消除了由于接收線圈偏離魚雷軸線而產生的引信作用距離模糊區，提高了引信可靠動作的作用距離。

該方法可有效解決魚雷電磁引信系統作用距離模糊問題，同時可以提高引信作用距離，對魚雷電磁引信的研究以及裝備發展具有重要的參考價值。