深彈自導過程的波束相關處理仿真

邱 濤，陳韶華

（中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

深彈自導性能是決定精確打擊目標的關鍵，通過理論分析與仿真研究自導算法的測向測距性能是算法性能評估的重要方向[1-4]。結合工程實際，設計合理的深彈自導過程，利用過程仿真來驗證算法的適用性，可以降低試驗成本，提高效率，為算法提供理論基礎。

本文首先通過深彈自導運動態勢假設，建立了深彈自導的初始條件。據此仿真信號的參數和體制[5-6]，基于波束域相關開展自導過程仿真[7]，利用時延估計方法[8]得出自導過程目標方位仿真結果，對比驗證算法的有效性。

1 波束域相關處理

圖1是平面陣等效波束分布圖，波束間距為d。根據平面陣陣形和陣元幾何位置來生成陣元仿真信號，并綜合考慮聲盲區對仿真信號脈寬的要求、相對運動多普勒頻移等對測向的影響、信混比對信號幅值大小的影響，設計出對應不同距離要求的信號脈寬、不同相對運動速度下的頻率、不同信混比下的信號幅值，以此得到隨自導環境（位置、相對運動速度）變化的仿真信號。通過波束域相關處理、過門限檢測后估計時延來測向測距。

圖1 平面陣等效波束示意圖Fig.1 Schematic diagram of equivalent beam of planar array

設水平A和B波束求得的時延為1τ，垂直A和C波束求得的時延為2τ，遠場聲源入射方位角與俯仰角分別為φ與θ，與x軸與y軸的夾角分別為α與β，如圖2所示。

圖2 目標方位示意圖Fig.2 Schematic diagram of target location

根據幾何投影關系，有：

根據聲吶方程，可以計算出等效波束對體積混響和海底混響的信混比。

體積混響可表示為

海底混響表示為

體積混響條件下的信混比：

海底混響條件下的信混比：

檢測閾根據信號參數計算，一般在6 dB以上。可見海底混響的信混比較低，在混響背景下檢測回波信號很困難，因此考慮采用長CW脈沖，通過多普勒歸零補償技術抑制混響，避免混響背景，從而在噪聲背景中檢測信號。

2 態勢假設與仿真分析

2.1 態勢假設

深彈入水下沉舷側陣搜索目標，確定目標大致方位后，自導系統啟動，頭部陣工作，開始跟蹤目標。如圖3所示，設定基陣與目標的初始水平距離與初始垂直距離，以及彈垂直下沉速度與導向目標速度、目標運動速度，目標作勻速直線運動。將運動過程分割短時處理，彈在短時間內的運動可看作為是朝著鎖定目標方向直線運動。根據實際彈自導能力，將彈自導偏轉角度限定在20°內。彈入水后，下沉舷側陣搜索目標，連續多次搜索到目標后，確定目標的大致方位，然后開始導向目標。

圖3 導引運動軌跡示意圖Fig.3 Schematic diagram of moving trace

圖3中，在位置1舷側陣連續多次搜索到目標，此時位置7的目標的俯仰角1α=63.43°。彈進入頭部陣搜索階段，偏轉角度0α=20°，運動2 s后到位置 2。目標運動到位置 8，測得目標的俯仰角3α=44.47°，彈偏轉20°運動，2α=40°，2s后運動到位置3。目標運動到位置9，測得目標的俯仰角5α=24.96°，彈偏轉20°運動，4α=60°，2s后運動到位置4。目標運動到位置10，測得目標的俯仰角6α=4.63°，俯仰角小于20°。此后彈運動軌跡沿著測得的目標方向變化，一段時間間隔計算一次目標俯仰角。設仿真時間間隔為2 s，短時間內彈運動可近似為直線運動，將目標的初始位置設為（0，200），彈入水位置為（400，0），得到自導全過程中目標與彈運動軌跡圖，見圖4。在圖4中，彈和目標最終交會（距離小于10 m，認定為交會），彈和目標的運動態勢假設合理。

圖4 目標與彈運動過程Fig.4 Moving process of target and charge

2.2 仿真分析

根據2.1節中態勢假設可以計算出自導過程中俯仰角的幾何值，假定仿真目標初始方位角為π/2，為模擬彈下沉和自導過程中彈體旋轉，仿真時俯仰角在幾何值的基礎上加上隨機誤差πrandn(1)/60，方位角在π/2基礎上加上隨機誤差πrandn(1)/36，并從自導起始位置開始迭代。

圖5 等效4波束信號Fig.5 Signals of 4-beam equivalent

圖6 多普勒頻移內過門限檢測Fig.6 Over threshold detection within Doppler shifts

根據最大線譜多普勒頻移內過門限的方法，可以得到自導全過程中目標方位和距離，將結果與幾何值比對，見圖7-11。

圖7 目標方位角仿真結果與幾何值對比Fig.7 Comparison results of target azimuth angle simulation with geometry

從圖7可知，加入隨機誤差模擬彈體旋轉，會使整個自導過程中目標方位角一直改變。除了位置5外，其余目標方位角仿真結果與幾何值的差值小于5°，仿真方位角的變化規律與幾何值基本相同。在圖8中，彈自導前期，由于航速和控制能力限制，幾何態勢設定時將偏轉角度限制在20°以內，貼合實際運動情況，仿真得的目標俯仰角較大。當俯仰角小于20°后，進入導引跟蹤階段后仿真得到的目標俯仰角小于 15°。除了位置 15以外，目標俯仰角仿真結果與幾何值差值小于 5°，在誤差允許范圍內。圖9和圖10是根據方位角和俯仰角計算得到的目標上下角和左右角對比結果，可以看出仿真結果與幾何設定值差值在 3°以內。圖 11是取過門限最大線譜求得的彈目距離，不同位置的距離仿真值均大于幾何設定值，差值小于1/4脈寬距離。

圖8 目標俯仰角仿真結果與幾何值對比Fig.8 Comparison results of target pitch angle simulation with geometry

圖9 目標左右角仿真結果與幾何值對比Fig.9 Comparison results of target left and right angle simulation with geometry

圖10 目標上下角仿真結果與幾何值對比Fig.10 Comparison results of target top and bottom angle simulation with geometry

圖11 目標與彈的距離仿真結果與幾何值對比Fig.11 Comparison results of target distance simulation from charge with geometry

從幾何態勢幾何值與仿真結果對比可知，除個別點外，測向的仿真結果與幾何值差值小于 5°，測距誤差小于cT/4（T為信號脈寬，c為聲速），表明波束域相關測向測距方法可行。從俯仰角來看，進入導引跟蹤階段后，目標的俯仰角小于15°，在等效波束范圍內。

3 湖上試驗數據驗證

2019年進行了湖上試驗，試驗采用自導聲基陣平臺，利用目標特性回波模擬裝置在不同距離發射CW脈沖，采用波束域相關方法對回波信號進行檢測和分析。

圖12為實測等效4波束信號，對檢測到回波信號進行分周期分析，將距離與GPS記錄值對比，結果見圖13。

圖12 實測等效4波束信號Fig.12 Experimental signals of 4-beam equivalent

圖13 距離實測值與GPS記錄值對比Fig.13 Differences of distance between measured value with GPS value

從圖13可知，在檢測到回波周期中，距離實測值與GPS記錄值差值小于15 m，試驗時由于水流影響，會導致試驗搭載平臺位置時刻發生改變，但測距誤差在允許范圍內。利用波束域相關方法可以較為準確地測量回波距離。

4 結束語

本文采用CW脈沖信號仿真研究了深彈自導過程中目標方位和距離的估計方法。仿真結果表明：測向誤差小于5°，距離估計與幾何值基本吻合，等效波束域相關測向測距方法有效，實測數據處理也側面驗證了此方法在工程應用上可行。下一步將對更多實測數據進行分析，進一步驗證與優化信號處理方法。