魚雷電磁引信半實(shí)物仿真試驗系統(tǒng)設(shè)計?

閆曉偉 譚思煒 孫 強(qiáng) 張林森

（1.海軍裝備部 北京 100841）（2.海軍工程大學(xué)兵器工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

魚雷電磁引信是魚雷的核心子系統(tǒng)之一，其主要功能是利用水下電磁場對魚雷的過靶狀態(tài)進(jìn)行探測與識別，從而確定炸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對魚雷主裝藥的發(fā)火控制［1］。魚雷電磁引信的動作可靠性和抗干擾性是衡量其作戰(zhàn)效能的主要指標(biāo)，受魚雷實(shí)航條件復(fù)雜性和目標(biāo)多樣性的影響，魚雷電磁引信戰(zhàn)技指標(biāo)的測試與試驗通常難以在真實(shí)的作戰(zhàn)環(huán)境下有效進(jìn)行。隨著現(xiàn)代測試技術(shù)的不斷發(fā)展，半實(shí)物仿真技術(shù)已在導(dǎo)彈等武器裝備的引信測試中得到了廣泛應(yīng)用［2～10］，但針對魚雷非觸發(fā)引信，尤其是魚雷電磁引信的半實(shí)物仿真試驗還大多以功能測試為主，從機(jī)理上能夠?qū)崿F(xiàn)較為全面的性能試驗的半實(shí)物仿真系統(tǒng)少有報道［11～13］。

本文針對魚雷電磁引信的性能試驗與測試需求，設(shè)計了陸上全系統(tǒng)半實(shí)物仿真試驗系統(tǒng)，可在陸上模擬水下目標(biāo)的反射電磁場信號或?qū)蛊鞑尼槍σ诺母蓴_誘爆信號，在魚雷電磁引信全系統(tǒng)工作的狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)對魚雷電磁引信動作可靠性和抗干擾性能的測試。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 基本原理

魚雷電磁引信半實(shí)物仿真試驗系統(tǒng)的基本工作原理如圖1所示。

圖1 半實(shí)物仿真試驗系統(tǒng)工作原理示意圖

該系統(tǒng)基于目標(biāo)信號數(shù)學(xué)模型，控制信號發(fā)生模塊產(chǎn)生試驗所需的電信號，通過放置在魚雷電磁引信接收天線上的電磁輻射器將電信號轉(zhuǎn)換成電磁場信號，從而完成對魚雷電磁引信實(shí)物系統(tǒng)的物理目標(biāo)信號加載，試驗時可通過對引信動作數(shù)據(jù)的采集與分析，完成對被測電磁引信系統(tǒng)性能與特性的評估。為獲取魚雷電磁引信的工作參數(shù)，半實(shí)物仿真試驗系統(tǒng)在魚雷電磁引信輻射天線附近設(shè)有接收電磁傳感器，系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計有信號調(diào)理與采集電路，為分析提取魚雷電磁引信的工作參數(shù)提供了可能。半實(shí)物仿真試驗系統(tǒng)除工作環(huán)境與海洋環(huán)境不同外，其試驗機(jī)理、待測魚雷電磁引信的系統(tǒng)要素、工作狀態(tài)和信號特性均可與實(shí)際工況保持一致，可達(dá)到半實(shí)物仿真的試驗?zāi)康摹?/p>

2.2 系統(tǒng)組成

半實(shí)物仿真試驗系統(tǒng)組成如圖2所示，該系統(tǒng)主要由上位機(jī)、半實(shí)物仿真裝置和電磁傳感器組成。其中，上位機(jī)為系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，主要功能包含試驗任務(wù)選擇、試驗參數(shù)設(shè)置和試驗信息輸入等相關(guān)操作的接口或界面。為方便掌握仿真試驗的過程狀態(tài)并觀測試驗數(shù)據(jù)、結(jié)果，上位機(jī)軟件界面上還提供了試驗進(jìn)度、電磁引信工作狀態(tài)以及動作信號的波形顯示。

圖2 半實(shí)物仿真試驗系統(tǒng)組成

半實(shí)物仿真裝置是執(zhí)行電磁引信半實(shí)物仿真試驗的核心組件，主要包括核心控制與計算模塊、魚雷電磁引信狀態(tài)控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、預(yù)調(diào)理電路、電磁收發(fā)傳感器、功率放大模塊以及信號發(fā)生模塊。其中，核心控制與計算模塊是半實(shí)物仿真裝置的核心組件，既是上位機(jī)和仿真裝置的數(shù)據(jù)鏈路，又是下位機(jī)模塊的調(diào)度與控制中心，還是半實(shí)物仿真試驗系統(tǒng)的信號處理核心，可根據(jù)仿真信號的數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)，并對采集到的輸入信號進(jìn)行參數(shù)提取。信號發(fā)生模塊可根據(jù)仿真任務(wù)的選擇和波形數(shù)據(jù)的輸入，產(chǎn)生對應(yīng)的模擬信號，經(jīng)功率放大模塊放大后，最終由電磁輻射器轉(zhuǎn)換成電磁波，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)或干擾信號的真實(shí)模擬。

電磁傳感器、預(yù)調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集模塊共同組成了半實(shí)物仿真試驗系統(tǒng)的信號輸入通道，用于采集魚雷電磁引信輻射的探測電磁場，為核心控制與計算模塊獲取電磁引信工作參數(shù)提供了實(shí)測數(shù)據(jù)。半實(shí)物仿真試驗系統(tǒng)部分實(shí)物如圖3所示。

圖3 半實(shí)物仿真試驗系統(tǒng)部分實(shí)物

為模擬魚雷武器系統(tǒng)對電磁引信工作狀態(tài)的控制，半實(shí)物仿真裝置中的魚雷電磁引信狀態(tài)控制模塊會根據(jù)試驗任務(wù)和試驗參數(shù)的選擇，自動生成對應(yīng)工況和彈道時序的控制指令，包括頻率設(shè)置、工況選擇和解保指令等。

3 目標(biāo)信號數(shù)學(xué)模型建立

典型魚雷電磁引信過靶模型［1］如圖4所示。

圖4 典型魚雷過靶模型

該模型將目標(biāo)視為無限大理想導(dǎo)體界面，因而可采用鏡像法求得電磁引信接收天線處的感應(yīng)磁場強(qiáng)度如式（1）所示：

其中：M為電磁引信輻射磁矩，μ0為海水導(dǎo)磁率，Kz和φz分別為海水中電磁波的傳播衰減和傳播相移，與距離參數(shù) χ有關(guān)，如式（2）所示：

其中：ω為電磁波角頻率，σ為海水導(dǎo)電率。

實(shí)際上，目標(biāo)艦船并非無限大的理想導(dǎo)體，而是有特定截面形狀和尺度的鐵磁體，因此需考慮船體形狀和殼體材料的影響，對式（1）修正如下：

其中：K為累積歸一化系數(shù)；KRe為鐵磁殼體反射系數(shù)，與殼體材料的導(dǎo)磁率、導(dǎo)電率和電磁波頻率有關(guān)；f(t)為魚雷電磁引信過靶時的歸一化通過特性，用實(shí)航數(shù)據(jù)擬合得到的經(jīng)驗公式表示為

其中：t0為歸一化通過特性的峰值時刻，α為歸一化通過特性的形狀系數(shù)，可由式（5）表示［12～13］：

式中：θk為魚雷過靶夾角，vTK為雷目相對速度，Bk為目標(biāo)艦船的等效艦寬，與其截面形狀和形狀系數(shù)KB有關(guān)。圖5給出了幾種典型目標(biāo)截面形狀和形狀系數(shù)取值。考慮魚雷過靶夾角θk的影響，實(shí)際目標(biāo)等效艦寬為

圖5 典型目標(biāo)截面等效艦寬及系數(shù)

魚雷電磁引信采用等幅連續(xù)電磁波進(jìn)行探測，頻率為極低頻，且雷目相對速度較低，因而可忽略多普勒頻率的影響。最終目標(biāo)信號數(shù)學(xué)模型應(yīng)為

其中：f為電磁引信工作頻率，φ0為發(fā)射信號的初始相位。

4 半實(shí)物仿真裝置主要模塊和功能設(shè)計

4.1 核心控制與計算模塊

核心控制與計算模塊主要用于產(chǎn)生試驗所需信號的數(shù)字波形，該模塊采用DSP+FPGA的硬件系統(tǒng)構(gòu)架實(shí)現(xiàn)。DSP芯片負(fù)責(zé)對接收信號進(jìn)行數(shù)字信號處理，提取接收信號的主要參數(shù)，并對試驗系統(tǒng)的程序流程進(jìn)行系統(tǒng)控制，選用TI公司的專用音頻信號處理芯片TMS320VC5509A；FPGA芯片用于實(shí)現(xiàn)DDS信號源和串口控制器，選用Xilinx公司的Spartan 3E系列的XC3S500E。系統(tǒng)組成原理框圖如圖6所示。

圖6 核心控制與計算模塊系統(tǒng)原理框圖

4.2 模擬目標(biāo)信號產(chǎn)生

半實(shí)物仿真試驗系統(tǒng)產(chǎn)生的模擬目標(biāo)信號由載波信號和包絡(luò)信號相乘得到。載波信號由DDS信號源產(chǎn)生，載波頻率即為魚雷電磁引信的工作頻率，該信號的頻率和相位參數(shù)均可根據(jù)試驗需要進(jìn)行調(diào)整。模擬目標(biāo)信號中反應(yīng)魚雷過靶特性的調(diào)制包絡(luò)信號由核心控制與計算模塊根據(jù)模擬目標(biāo)信號的數(shù)學(xué)模型計算得到，通過FPGA的數(shù)據(jù)端口將調(diào)制包絡(luò)信號的幅值信息傳遞到信號發(fā)生模塊，從而實(shí)現(xiàn)對載波信號幅度的調(diào)制，完成模擬目標(biāo)信號的發(fā)生。

DDS信號源采用基于Xilinx FPGA的DDS IP CORE設(shè)計實(shí)現(xiàn)，用戶無需自行編寫DDS程序，直接從Xilinx公司提供的FPGA集成開發(fā)環(huán)境ISE中調(diào)用DDS IP CORE即可。相對于專用DDS芯片，基于該方案實(shí)現(xiàn)的DDS信號源可在0°～360°范圍內(nèi)快速調(diào)整相位，滿足半實(shí)物仿真試驗對模擬目標(biāo)信號相位的動態(tài)范圍需求。

DDS IP CORE模塊接口定義如圖7所示。模塊輸入端口包括時鐘端口（CLK）、寄存器寫使能端口（WE），數(shù)據(jù)端口（DATA［N-1：0］）；模塊輸出端口有正弦信號輸出端口（SINE［P-1：0］）。其中N為輸入數(shù)據(jù)總線位寬，P為輸出波形數(shù)據(jù)位寬。基于硬件描述語言（VHDL）的DDS申明和調(diào)用程序段如圖8所示。

圖7 DDS模塊接口設(shè)計

圖8 DDS的申明和調(diào)用程序段

4.3 信號發(fā)生模塊

信號發(fā)生模塊用于將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，采用DAC芯片TLC7528實(shí)現(xiàn)，該芯片支持雙通道8bit數(shù)模信號轉(zhuǎn)換，采用+5V供電。通道A作為幅度調(diào)節(jié)通道，以+5V直流作為參考電壓，根據(jù)輸入的數(shù)字信號輸出0～5V范圍內(nèi)的直流電壓，作為通道B的參考電壓。通道B為DDS信號的實(shí)際數(shù)模轉(zhuǎn)換通道，將DDS輸出的數(shù)字波形轉(zhuǎn)換成模擬波形。

DAC芯片輸出的模擬信號為單極性階梯波，含有多次諧波成分，為得到雙極性單頻率正弦波，DA轉(zhuǎn)換模塊后設(shè)有信號調(diào)理模塊，利用多級運(yùn)放組成工作頻率帶寬范圍內(nèi)的帶通濾波器，將DAC芯片輸出的單極性階梯波調(diào)理為雙極性單頻率正弦波。為滿足不同發(fā)射通道的實(shí)際發(fā)射需求，各DDS通道在最后一級設(shè)有信號放大模塊，根據(jù)各通道的應(yīng)用，提供滿足幅值要求的信號源。

4.4 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采樣模塊用于將信號調(diào)理模塊輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，為核心控制與計算模塊的數(shù)字信號處理提供數(shù)據(jù)來源。數(shù)據(jù)采集模塊主要包括數(shù)據(jù)總線隔離單元、控制信號隔離單元和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元。模塊中AD芯片選用AD7606，該芯片支持8路模擬信號的同步采樣，采樣精度16bit，最高采樣率可達(dá)200KSPS。模擬信號輸入電壓范圍支持±5V或±10V兩種采樣模式，可通過相關(guān)引腳的外接電平控制選擇。每路模擬輸入通道都設(shè)計有一階RC低通濾波器，可濾除高頻噪聲干擾。

5 仿真與試驗驗證

5.1 DDS信號源仿真

使用ModelSim6.6a仿真軟件對基于Xilinx FP?GA的DDS信號源進(jìn)行行為級仿真，結(jié)果如圖9所示，結(jié)果顯示DDS信號源功能正常。

圖9 DDS仿真結(jié)果

5.2 半實(shí)物目標(biāo)信號模擬

通過系統(tǒng)自帶采集模塊采集到的魚雷電磁引信半實(shí)物仿真試驗系統(tǒng)產(chǎn)生的模擬目標(biāo)信號的實(shí)際波形如圖10所示。

圖10 仿真系統(tǒng)產(chǎn)生的試驗信號

由結(jié)果不難看出，試驗系統(tǒng)產(chǎn)生的模擬目標(biāo)信號與理論分析基本一致。

6 結(jié)語

本文針對魚雷電磁引信系統(tǒng)的陸上試驗與測試問題，設(shè)計了魚雷電磁引信的半實(shí)物仿真試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)由半實(shí)物仿真裝置、上位機(jī)和電磁傳感器等組件組成。在考慮了海水介質(zhì)特性、引信工作頻率、魚雷過靶參數(shù)、目標(biāo)尺度和材料特性等多種影響因素的條件下，系統(tǒng)基于魚雷電磁引信目標(biāo)信號數(shù)學(xué)模型生成的模擬目標(biāo)信號，能夠有效模擬魚雷過靶時電磁引信接收到的目標(biāo)反射回波，可滿足對魚雷電磁引信實(shí)物系統(tǒng)的各項功能和性能指標(biāo)的陸上半實(shí)物仿真測試與試驗需求。