基于有限元的伪码调相电磁引信目标信号分析

安 瑞, 何忠平, 施显林

(中国船舶重工集团公司 第705研究所昆明分部, 云南 昆明, 650106)

基于有限元的伪码调相电磁引信目标信号分析

安 瑞, 何忠平, 施显林

(中国船舶重工集团公司 第705研究所昆明分部, 云南 昆明, 650106)

伪码调相信号具有抗干扰能力强, 不易被发现, 相互影响小等优点。文中通过Ansoft对引信过靶运动过程进行 1：1尺度的 3D建模仿真和有限元电磁场计算, 获取了伪码调相电磁引信目标信号的仿真波形数据, 重点分析了目标信号的幅度、相位特征, 尤其是相位跳变的形成原理。基于仿真分析结果的检测方法在陆上试验中成功检测出了明显的目标信号包络，验证了分析结果的正确性。该研究可为伪码调相信号在鱼雷电磁引信中应用的可行性和目标检测提供依据。

鱼雷; 电磁引信; 伪码调相; 目标信号; 有限元方法

0 引言

伪码调相信号[1]属于扩展频谱信号的一种。目前, 扩展频谱信号已经是一种应用成熟的、理想的抗干扰信号体制。在探测领域, 相比于单频信号, 使用扩频信号有着诸多优势: 频谱分散、高度自相关、抗多路径反射干扰。这种探测方法对于近年来兴起的目标模拟技术构成挑战: 频谱分散, 使得目标模拟系统截获或者转发的难度增加, 即使转发出来, 也必须高度匹配, 否则就如多路径反射的杂波而被滤除和削弱, 匹配和实施有效干扰的难度增加。如果电磁引信也可以使用这种扩频信号探测的方法, 则能进一步提高抵御人工干扰的能力[2]。

目前, 还鲜有关于鱼雷伪码调相电磁引信应用研究的信息。类似的研究还主要集中在导弹引信和雷达系统方面[3-8], 主要探讨的是伪码调相信号体质的应用及其抗干扰性能, 导弹引信和雷达采用远场电磁波探测, 鱼雷电磁引信则采用近场探测, 这一区别决定了它们针对目标信号分析方法的不同[9], 因此导弹引信和雷达方面的类似研究只能作为借鉴和参考。

首先, 要从原理上说明基于低频的伪码调相引信目标信号的特征是什么, 能否被检测, 只有解决了这些问题, 才能支撑伪码调相体制引信的可行性。文中通过Ansoft电磁场有限元分析的方式, 对引信过靶过程进行1: 1尺度的三维建模运动仿真, 将激励信号设定为伪码调相信号, 获得了伪码调相电磁引信目标信号的仿真波形数据, 重点分析了目标信号的幅度、相位特征, 尤其是相位跳变的形成原理, 然后基于仿真分析结果的检测方法在陆上试验中成功检测出了明显的目标信号包络。

1 电磁引信建模方法

1.1 接收线圈与发射线圈

线圈一般采用法向模螺旋天线模型, 但实际的接收线圈和辐射线圈绕线很细, 匝数很多, 普通计算机无法完成相应的网格剖分计算; 另外,对于越均匀缠绕、绕线越细的线圈, 其内部通电电流也越近似为均匀分布。据此, 文中选择用薄壁管模型来代表接收线圈与发射线圈, 并在Ansoft软件中将其电流设置为均匀分布, 这样大大简化了计算量, 计算结果理想。

接收线圈横截面为椭圆形(见图1), 发射线圈横截面为矩形(见图2), 这2种截面形状更符合工程应用实际, 壁厚均设置为 0.5 mm, 材料均为铜(相对磁导率0.999 991, 电导率58 000 000 S/m), 匝数均设置为5 000。

1.2 接收器输入电路

输入电路由Ansoft自带的电路编辑器circuiteditor完成(见图 3), 用 LWingding_92关联接收线圈模型, 采用内部封闭端口的形式, 避免了开放端口带来的边界条件设置[10]。工程上不能直接测量线圈两端的微弱电压, 而要通过电容、电阻元件调谐使得输入信号逐级放大, 文中主要关心目标信号的频率、相位及包络等变化信息, 信号的真实强度反而次要, 因此求解 LWing- ding_92两端感应电压就可以达到目的, 省去了接收信号的调理过程。

图1 接收线圈模型图Fig. 1 Model of receiving coil

图2 发射线圈模型图Fig. 2 Model of transmitting coil

图3 接收线圈输入电路Fig. 3 Input circuit of receiving coil

1.3 激励源

发射线圈的激励源也采用内部封闭端口的形式, 但不需要外部电路衔接, 其激励源为电流方式, 通过 datasets数据表输入自定义的伪码调相波形数据。

1.4 完整模型及主要参数设置

金属雷壳开孔对接收器有屏蔽作用, 理论上使感应信号减小, 对信号的相位也有一定影响,但由于缺少鱼雷壳体相关的电磁参数, 仿真时忽略了这一影响, 将鱼雷模型内部设置为空气包。引信收发方式采用垂直配置, 接收线圈轴线垂直于发射天线轴线, 并且中心位于发射天线轴线上,这样使得接收的辐射场信号接近最小, 而接收的目标反射信号更为突出。

考虑到目标信号主要由舰船产生的涡流二次磁场引起, 其集肤效应的透入深度经计算不到2 mm, 模型的壁厚则按这个深度的 3～5倍选取,设定为10 mm, 模型材质为优质碳素结构1010钢(ansoft材料库已自带, 相对磁导率由BH曲线描述, 电导率2 000 000 S/m), 舰船吃水4 m, 水质为海水, 水面上方为空气, 鱼雷在水下航行, 航深 8 m, 过靶方式为正横过靶, 空气包和海水合起来为球体求解域。

图4为Ansoft中引信过靶运动仿真模型。其中, 引信收发无线中心水平间距为 6 m, 垂直间距为 0.1 m, 雷目中心水平运动距离为–13.3～19.2 m。

图4 引信过靶运动仿真模型Fig. 4 Simulation model for fuze passing target motion

2 验证模型

求解伪码调相引信目标信号之前, 先对整个Ansoft工程模型进行评估。文献[11]已经给出了基于单频信号体制的电磁引信目标信号经典数学模型, 可以通过将发射线圈的激励源设置为单频信号, 而不改变模型的其余物理参数, 如果求解得到的目标信号与经典理论和先验知识相符, 则认为模型的构建、边界条件、网格剖分以及运动方程是合理的。

图 5是求解结果, 包含直达波、目标信号以及接收器综合感应信号。其中, 直达波是没有目标时, 接收线圈始终感应到的恒定信号, 目标信号是舰船反射的信号, 接收器综合感应信号是前两者的叠加, 实际的引信接收信号也是如此构成。可以看出, 在接收器与靶中心水平距离–6.6～+15 m之间时, 目标信号开始起伏, 在略微偏离舰船正下方时达到最大, 其目标信号的包络、到达最大值的时机, 与文献[11]中给出的经典数学模型完全相符。目标信号与直达波感应信号的相位差在一个π的数量级[12], 两者形成抵消,表现为接收器感应信号包络有个先减小后增大的过程。仿真结果符合文中所采用的垂直配置方式的反舰情形, 表明有限元模型是可信的。

图5 引信单频目标信号图Fig. 5 Single-frequency target signal

3 伪码调相目标信号分析

将激励源改为伪码调相信号, 在0处跳变,跳变量为π, 跳变周期为1个载波周期, 得到接收线圈的感应电压波形, 见图6和图7。

图6 激励电流源与接收信号图Fig. 6 Excitating current source and received signal

可以发现, 当激励信号相位跳变时, 图 7中的直达波或者图6中的目标信号也同时发生跳变,跳变相角同为π, 目标信号保留着相位跳变信息。并且, 图 7表明直达波的相位滞后激励信号π/2,图6表明目标信号的相位滞后激励信号3π/2, 结果就是直达波与目标信号的相位相差一个π的数量级, 即反相, 使得图 8中伪码调相目标信号也出现了先减小后增大的过程, 这个结果与前面分析的单频目标信号情况一致。

图7 激励电流源与直达波图Fig. 7 Excitating current source and direct wave

图 6还表明, 目标信号的波形不是激励信号波形的“平移”, 而是相位滞后激励信号3π/2, 而又和激励信号同时发生跳变的结果。根据文中采用的垂直配置和反舰模式, 结合法拉第电磁感应定律和楞次定律分析, 这个结果是正确的。因为激励源为电流i, 电流变化产生磁通量φ变化, φ变化产生感应电动势ε, 而 i的相位与φ的相位一致,φ的相位与ε的相位相差π/2,=sin(ω t ), ε=φ /, 则=-ω cos(ω t ) = -ω sin(ω t + 9。 这里的负号表示感应电流所产生的磁通阻碍激励磁通的变化。在反舰情形下, 根据镜像法原理, 镜像源发射的磁通变化方向在 0～π/2 区间、π/2～3π/2区间、3π/2～2π区间分别为“向下”、“向上”和“向下”, 则接收线圈感应的磁通应分别为“向上”、“向下”和“向上”, 由右手螺旋定则推出对应的感应电流方向, 并相应确定感应电动势方向,文中以右手螺旋定则取“下”为参考方向, 并且Ansoft Maxwell软件显示的感应电流方向与感应电压相位相反, 以此类推出一个周期内的电压波形, 即目标感应电压相位滞后激励信号 3π/2, 而直达波感应电压相位滞后激励信号π/2。

将仿真得到的单频目标信号和伪码调相目标信号放到同一坐标内对比(见图 8), 可以看出,它们包络起伏的时间、过程和高度完全一致, 表明它们获得的目标信号能量是相等的。

综上所述可知, 对引信伪码调相体制的目标信号做出如下判断: 1) 直达波和目标信号都保留着相位跳变信息, 且它们与激励源在同一时刻发生相位跳变; 2) 根据收发配置和雷目方位信息,目标信号相位滞后激励电流信号 3π/2, 而直达波与目标信号相位差0或π(不考虑传播相移); 3) 引信在单频体制和伪码调相体制下过靶获得的目标信号能量是相等的, 且其包络变化规律相同。

图8 单频目标信号和伪码调相目标信号图Fig. 8 Single-frequency target signal and PM-PC target signal

4 陆上试验验证

通过陆上试验某伪码调相电磁引信样机, 获取试验数据, 采用的是垂直配置方式, 收发水平间距为 1 m, 垂直间距近似为 0 m, 作用距离为3 m, 结果见图9。

图9 伪码调相目标信号陆上试验结果Fig. 9 PM-PC target signal in land test

可以看出, 图上半部分中目标信号的相位跳变较为明显, 跳变点趋向于 0点, 跳变相角为π,而下半部分是目标信号的能量, 在过靶时刻检出了明显的包络特征, 说明其特征与文中的分析结论吻合, 能够被检测。

5 结束语

鱼雷电磁引信的工作特点决定了其目标涡流二次场与辐射场总是不可避免的共同作用于接收器，改变信号体制后，这两种场的叠加是否会造成目标信息的丢失是伪码调相体质能否应用的关键; 另外, 从信号检测尤其是抗干扰的角度看，只有掌握了目标信号的特征，才能将检测性能发挥到最佳。文中用有限元电磁场仿真和理论分析的方式，获得了一种鱼雷伪码调相电磁引信的目标信号，指出了其关键的幅度、相位变化特征，并根据特征进行了基于陆上试验数据的检测验证，成功检测出了明显的目标信号包络，验证了此种分析方法的可靠性及鱼雷电磁引信伪码调相体质的可行性，后续将在信号发射和编码对抗人工干扰等方面展开进一步的研究。

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FEM Based Analysis on Target Signal of Phase Modulated by Pseudorandom Code for Torpedo Electromagnetic Fuze

AN Rui, HE Zhong-ping, SHI Xian-lin
(Kunming Branch of the 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Kunming 650106, China)

Phase modulated by pseudorandom code(PM-PC) signal has such advantages as strong anti-interference ability, concealment, and weak interaction with each other. In this paper, the software Ansoft is adopted to perform three-dimensional modeling of fuze passing target motion process in the scale of 1:1 and finite element calculation of the electromagnetic field. Consequently, the simulated waveform data of PM-PC target signal of electromagnetic fuze is achieved. The target signal amplitude and phase characteristics, especially the formation principle of phase jump, are analyzed in detail. According to the simulation results, obvious target signal envelope is successfully detected in land test, which verifies the correctness of the present analysis. This research may provide the basis for application of PM-PC signal to torpedo electromagnetic fuze and target detection.

torpedo; electromagnetic fuze; phase modulated by pseudorandom code(PM-PC); target signal; finite element method

TJ431.7; TB71.2

A

2096-3920(2017)05-0443-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.05.008

安瑞, 何忠平, 施显林. 基于有限元的伪码调相电磁引信目标信号分析[J]. 水下无人系统学报, 2017, 25(5):443-447.

2017-04-20;

2017-06-26.

安 瑞(1981-), 男, 高级工程师, 主要从事水中兵器非触发引信研究.

(责任编辑: 杨力军)