鱼雷电磁引信仿真平台的设计与实现

张 涛, 任志良, 于 千



鱼雷电磁引信仿真平台的设计与实现

张 涛1, 任志良1, 于 千2

(1. 海军工程大学 兵器工程系, 湖北 武汉, 430033; 2. 海军工程大学 理学院, 湖北 武汉, 430033)

为了分析鱼雷电磁引信抗干扰性能并进行试验研究, 本文在Multisim环境下建立了鱼雷电磁引信仿真平台, 利用LabVIEW仿真平台创建了有效目标信号源和任意波形信号源, 验证了仿真平台调用所创建的信号源的可行性。然后通过不同目标信号的仿真, 进一步验证了仿真平台满足系统的性能指标。最后利用实际采样数据作为输入信号进行仿真, 其结果与实际相符。该仿真平台的输入信号可以兼用仿真数据和真实的实验数据, 避免了电路自身和外部环境的干扰, 为准确定量分析鱼雷电磁引信的抗干扰性能提供了一种新的途径。

鱼雷; 电磁引信; 仿真平台; Multisim; LabVIEW; 有效目标信号源; 任意波形信号源

0 引言

为了提高鱼雷电磁引信的动作可靠性, 深入研究鱼雷电磁引信的电磁兼容性是十分重要而又复杂的。利用传统方法对鱼雷电磁引信进行的测试, 由于电磁干扰来源复杂, 其干扰的性质及其影响程度一般难以实现定性定量的测试与分析, 以至于鱼雷电磁引信遭受干扰而产生误动现象时, 缺乏便利而行之有效的方法进行试验研究, 影响了鱼雷电磁引信工作性能的准确把握。本文基于Multisim和LabVIEW构建了鱼雷电磁引信仿真平台, 利用任意波形信号和干扰作用下的仿真试验, 通过引信系统工作参数的测试与验证, 实现对干扰信号及其影响的定量分析, 并为进一步消除干扰, 确保鱼雷电磁引信的动作可靠性提供技术支撑。

1 Multisim仿真平台的设计

根据鱼雷电磁引信接收机电路的组成, 采用模块化设计的思想, 在Multisim环境下调用其元件库中的元器件模型, 对各部分功能电路建立相应的子电路, 设计具有层次化的仿真平台[1-2]。所设计的接收机仿真平台主要包括信号源、前置放大电路、带通滤波电路、检波电路、补偿电路、时间检验电路、门限比较电路和发光二极管(light-emitting diode, LED), Multisim仿真平台界面如图1所示。

图1 Multisim仿真平台界面

仿真分析过程: 把鱼雷电磁引信的目标信号或采集的数据加载到信号源中, 通过LED进行定性分析, 如果LED变亮, 则认为输入信号为有效目标信号, 否则为无效信号。还可以利用示波器、频谱分析仪、万用表、波特测试仪、信号分析仪等虚拟仪器或利用Multisim中自带的交流分析、直流分析、瞬变分析和傅里叶分析等基本分析方法对电路进行定量分析。仿真结果可通过截图的方式以图片的形式进行保存, 仿真数据也可以输出到Excel文件、TDM文件和LVM文件进行保存。

2 信号源的创建

每一个仿真电路都必须有信号源才能工作, 在Multisim中, 可以利用元件库中自带的信号源或函数发生器作为信号源。本文所建立的鱼雷电磁引信仿真平台要以目标信号或采集信号作为信号源, 仿真平台才有意义。但鱼雷电磁引信有效目标信号的数学模型是一个高斯脉冲调制的调幅信号, 而Multisim中提供的所有信号源中, 只有正弦波、方波和锯齿波这3种基本信号源, 高斯脉冲调幅信号源是不存在的, 采集信号源或任意波形信号源同样是不存在的。因此, 创建合适的、能方便调用的信号源是实现仿真平台的一个关键部分。

文献[3]对Multisim中创建任意波形信号源进行了研究, 但采用的是SPICE编程方法, 不易掌握, 同时修改参数也不方便, 更不能接收采集信号。而NI Multisim10.0已经实现了与LabVIEW之间的通信调用问题, LabVIEW中可以较方便地产生波形或读入采集数据。因此, 进行如下设计: 首先, 在LabVIEW环境下把所需的信号数据写入测量文件(.LVM); 然后, 在Multisim元件库中选择“LVM_VOLTAGE”作为信号源, 仿真时只需双击该信号源, 找到LVM文件的路径并加载该文件即可把所需的信号数据调入Multisim中[4]。

对于鱼雷电磁引信有效目标信号的数学模型, 只需设置不同的参数, 即可完成对信号的调试, 同时, 为了满足把采集信号或任意信号作为信号源的需要, 本仿真平台只要创建有效目标信号源和任意波形信号源这2种信号源, 就能满足各种要求。

2.1 有效目标信号源的创建

鱼雷电磁引信接收有效目标信号数学模型

式中:为包络的时间特性参数, 与鱼雷过靶态势有关;0为包络的峰值时刻。

综合式(1)和式(2), 电磁引信有效目标信号的数学模型[5-6]

创建有效目标信号源主要有以下几个步骤[7]。

1) 在LabVIEW中新建一个VI, 在其“程序框图”中, 从函数面板中选择“信号处理 | 波形生成 | 公式波形”, 然后分别为“公式波形”的频率、幅值、采样信息和公式4个输入端创建“输入控件”。

2) 从函数面板中选择“编程 | 文件I/O | 写入测量文件”, 把“公式波形”的“信号输出”端与“写入测量文件”的“信号”端相连, 双击“写入测量文件”, 选择测量文件的文件名和保存路径。

3) 同时为了观察输出波形, 在其“前面板”上添加“波形图”控件, 并在“程序框图”中与“公式波形”的“信号输出”端相连。

至此, 有效目标信号源创建完毕。只需在其“前面板”上输入所需的公式及参数, 通过运行便可以看到所输出的波形, 同时把得到的波形数据写入测量文件。其“程序框图”的具体连接如图2所示。

图2 有效目标信号源程序框图

2.2 任意波形信号源的创建

创建任意波形信号源主要有以下几个步骤[7]。

1) 把采集数据以行的形式保存为TXT文件, 不需保存采样时间间隔。

2) 在LabVIEW中新建一个VI, 在其“程序框图”中, 从函数面板中选择“编程 | 文件I/O | 读取电子表格文件”, 然后双击“读取电子表格文件”加载采集数据的TXT文件。

3) 在其“程序框图”中, 从函数面板中选择“编程 | 波形 | 创建波形”, 对其中的一个“attributes”单击右键选择“选择项 | t0”, 并为其创建一个“常量”, 可以设定采样的初始时刻; 同理选择“选择项| dt”, 并为其创建一个“输入控件”, 可以设定采样的时间间隔, 这也是保存数据时不需保存采样时间间隔的原因。

4) 把“读取电子表格文件”的“第一行”与“创建波形”的“Y”端相连, 然后把“创建波形”的“输出波形”端与“写入测量文件”的“信号”端相连。

至此, 任意波形信号源创建完毕。只需按要求把采集的数据保存为TXT格式, 通过运行便可以把采集的数据写入测量文件。其“程序框图”的具体连接如图3所示。

图3 任意波形信号源程序框图

如果所需的信号源表达式为一分段函数或是某个仿真程序的仿真结果, 很难用公式直接表示, 此时可以利用MATLAB强大的数据处理能力, 通过MATLAB把仿真数据转化为TXT文件, 然后再利用任意波形信号源把仿真数据写入测量文件。

例如, MATLAB通过某个仿真程序产生的仿真结果为Y, 则可以通过以下语句把Y的数据保存到DATA.TXT文件中[8], 即

fid=fopen('.../.../DATA.txt','wt');

fprintf(fid,'%8.6f ',Y);

fclose(fid);

利用所创建的有效目标信号源、任意波形信号源和MATLAB的数据处理能力, 可以实现把任意数据加载到Multisim仿真平台的功能, 解决了Multisim中没有特定信号源的难题。

3 仿真结果与分析

3.1 仿真试验1

假设要把表达式为=exp[-100×(-1)2]sin (2p×20×)的信号作为信号源, 现利用2.1节所创建的有效目标信号源进行仿真。其在LabVIEW中的前面板和Multisim中的仿真结果如图4所示。 图4(a)和(b)所示的波形是完全一致的, 因此可以验证, 用LabVIEW所创建的信号源在Multisim中应用是正确可行的。

3.2 仿真试验2

图4 有效目标信号源仿真

3.3 仿真试验3

在某种电磁干扰引起引信误动的情况下, 从鱼雷电磁引信的接收传感器采样2 500个数据点, 采样频率为25 kHz, 保存为TXT格式, 现把采样数据作为仿真平台的输入信号, 其仿真结果如图6所示。其中(a)为采样数据的时域波形, (b)为时间检验电路的输入(实线)和输出(虚线), 即图1中节点5和节点6的电压。

图6 采样数据仿真结果

由图6可得, 采集的干扰数据经处理后, 电压幅度大于门限电压(4 V), 导致电磁引信的动作, 属于有害干扰引起的引信误动, 与实际相符。并且由图6(b)可以得到干扰信号经处理后的电压值, 达到定量分析的目的。

4 结束语

本文通过电路仿真软件Multisim建立了鱼雷电磁引信仿真平台, 利用LabVIEW为仿真平台创建了有效目标信号源和任意波形信号源, 实现了任意信号都可作为仿真平台的输入信号, 解决了Multisim中自带信号源不适用仿真平台的难题。通过仿真试验分别验证了所创建信号源的可行性和仿真平台的正确性。该仿真平台的设计与实现为鱼雷电磁引信的抗干扰性能测试研究提供了一个方便有效的途径。

[1] 刘刚, 王立香, 任鲁涌, 等. Multisim & Ultiboard 10原理图与PCB设计[M]. 北京: 电子工业出版社, 2009.

[2] 黄培根, 任清褒. Multisim 10计算机虚拟仿真实验室[M]. 北京: 电子工业出版社, 2008.

[3] 段玉生, 李钊年. 在Mulstisim中创建任意函数信号源[J]. 电气电子教学学报, 2003, 25 (5): 50-53, 57. Duan Yu-sheng, Li Zhao-nian. Creating Arbitrary Signal Sou- rce Components in Multisim [J]. Journal of Electrical & Elec- tronic Engineering Education, 2003, 25 (5): 50-53, 57.

[4] 刘俊. 基于LabVIEW结合Multisim的仿真[J]. 重庆工学院学报(自然科学), 2008, 22 (7): 73-75, 173. Liu Jun. Emulation Based on LabVIEW and Multisim[J]. Jo- urnal of Chongqing Institute of Technology (Natural Science), 2008, 22 (7): 73-75, 173.

[5] 王绍卿. 鱼雷近炸引信原理与设计[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 1992.

[6] 陈光, 任志良, 李耀波, 等. 鱼雷引信目标信号的小波消噪研究[J]. 鱼雷技术, 2007, 15 (5): 15-19. Chen Guang, Ren Zhi-liang, Li Yao-bo, et al. Study on Wave- let Denoising of Torpedo Fuze Target Signal [J]. Torpedo Technology, 2007, 15 (5): 15-19.

[7] 陈锡辉, 张银鸿. LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通[M]. 北京: 清华大学出版社, 2008.

[8] 求是科技. MATLAB7.0从入门到精通[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2006.

Design and Implementation of Torpedo Electromagnetic Fuze Simulation Platform

ZHANG Tao1, REN Zhi-liang1, YU Qian2

(1. Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. College of Science, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To analyze the anti-interference performance of torpedo electromagnetic fuze and conduct experimental study, a simulation platform of torpedo electromagnetic fuze is set up with Multisim. The effective target signal source and arbitrary waveform signal source of the simulation platform are established by LabVIEW. Simulation validates the feasibility of loading the established signal source by the simulation platform. The simulation results of different target signals demonstrate that the simulation platform satisfies the demand for system performance. An experiment is conducted on the simulation platform taking the sample data as its input signal, and the result corresponds with the reality. Both simulation data and experimental data can be taken as the input signal of the simulation platform hence the simulation platform can avoid the interference caused by circuit and environment. This study may provide a new method for accurately and quantitatively analyzing the anti-interference performance of torpedo electromagnetic fuze.

torpedo; electromagnetic fuze; simulation platform; Multisim; LabVIEW; relevant target signal source; arbitrary waveform signal source

TJ430.2; TN973.4

A

1673-1948(2011)02-0156-05

2010-06-11;

2010-08-16.

张 涛(1983-), 男, 在读博士, 主要研究方向为军用目标特性及其信息处理技术.

(责任编辑: 陈 曦)