线性调频信号在鱼雷主动电磁引信中的应用

张弋珂, 肖素娟, 杨云川, 施晓海



线性调频信号在鱼雷主动电磁引信中的应用

张弋珂, 肖素娟, 杨云川, 施晓海

(中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077)

线性调频信号具有抗干扰和对抗能力强等优点, 广泛应用于雷达、通信和鱼雷自导等领域, 但对于鱼雷电磁引信还属于一种新的信号体制。文中建立了鱼雷电磁引信模型, 阐述了线性调频信号的工作原理,研究了线性调频信号的产生, 分析了回波信号的幅频特性。通过MATLAB软件对其抗干扰性能进行仿真, 验证了线性调频信号作为鱼雷主动电磁引信探测信号的可行性。

鱼雷; 线性调频信号; 电磁引信; 抗干扰

0 引言

现代海战条件下, 鱼雷引信的工作环境日渐复杂, 不仅要面对来自大自然的干扰, 还要应对各种形式的人工干扰[1]。对于现代鱼雷引信的要求, 不仅要具备良好的探测性能, 更要注重提高其抗干扰和对抗的能力[2]。

电磁引信是鱼雷最早采用的引信类型。鱼雷电磁引信经过多代改进, 技术成熟、工作可靠, 反潜反舰均可通用, 尤其适用于浅水水域或舰船/潜艇的尾流场等混杂的声场环境中, 在世界先进鱼雷中得到广泛应用。但由于电磁引信是基于电磁感应原理, 易受雷内、外电磁环境的影响。随着新型鱼雷武器、水下对抗器材、反鱼雷手段的发展和现代水下作战环境的变化, 传统的电磁引信单频工作模式容易被敌方进行频率截获和实施干扰, 难以满足鱼雷及其武器系统新的作战使用要求。

线性调频信号广泛应用于雷达、通信、导弹引信和鱼雷自导等领域[3], 如美国早期的波马克地-空导弹采用了正弦调频边带引信, 法国的马特拉530空-空导弹采用正弦调频宽带引信, 以色列的美洲虎空-空导弹采用了多调制频率的正弦调频边带引信[4-6]。

通过研究适用于鱼雷的宽频带电磁引信技术, 实现复杂战场环境下舰艇目标的可靠探测, 提高鱼雷引信对目标检测、抗干扰和反对抗能力, 满足对目标精确打击和高效毁伤的迫切需求, 具有重要的现实意义和军事应用前景[7-8]。

针对提高鱼雷主动电磁引信的抗干扰性和对抗能力, 安瑞[9]阐述了伪码调相信号作为宽频带电磁引信探测信号的可行性。

借鉴线性调频雷达技术, 将线性调频信号作为鱼雷主动电磁引信的探测信号, 是提高引信抗干扰和对抗能力的一条可行的技术途径。文中通过MATLAB软件分别对单频以及线性调频信号工作体制下目标回波信号进行了数值仿真, 对比分析了目标回波信号幅频特性, 为今后线性调频号在鱼雷电磁引信中的应用提供参考。

1 基于线性调频技术的鱼雷电磁引信

1.1 线性调频信号

线性调频(linear frequency modulation, LFM) 信号指持续时间频率连续线性变化的信号, 线性调频信号通过对载波频率进行调制以增加信号的发射带宽。线性调频信号的复数表达式为

设LFM发射信号初始频率f1=400 Hz, 带宽=500 Hz, 周期=1 s, 时间=0~1 s, 步长1/2 400 s, 得到的线性调频信号的时域图、频域图以及时频图分别如图1、图2和图3所示。

图1 LFM信号时域图

图2 LFM信号频域图

图3 LFM信号时频图

1.2 鱼雷电磁引信系统

结合线性调频技术和鱼雷主动电磁引信的特点, 提出一种基于数字化技术的线性调频引信系统设计方案, 如图4所示。

引信系统采用线性调频信号作为探测信号,利用DSP(digital signal processor)产生线性调频信号, 将产生的线性调频信号作为激励信号通过功率放大和发射匹配后, 激励发射天线向鱼雷周围的海水介质中辐射交变的电磁场。当鱼雷在目标舰船附近通过时, 引信探测电磁场在金属目标壳体表面感应涡流, 该涡流二次场使引信辐射的物理场发生畸变, 这一变化后的物理场被接收天线感应后变成电信号后,由信号处理电路进行放大、滤波处理和目标特性提取与识别, 满足条件时输出起爆信号[10]。

2 鱼雷电磁引信目标回波信号数值仿真

2.1 目标回波信号模型

当鱼雷在目标附近通过时, 引信有效信号是目标反射场强的变量, 信号强度随鱼雷与目标的距离(以下统称为雷目距离)而变化, 且与目标的材料、尺寸、环境介质等相关。为了简化对舰船目标反射场的计算, 一般用无限大的理想导电平面来代替舰船壳体, 收发天线采取垂直配置, 如图5所示。

对于常用的垂直天线系统(接收天线与发射天线的轴线垂直), 目标反射场强度计算公式[5]

式中 :为辐射磁矩;为引信基数, 即收发天线的轴间距;为非触发引信作用距离;为接收处磁场强度;K为海水介质的传播衰减系数;K为目标反射系数;K(l)为目标外形计算系数;K为引信接收机引起的时间延迟系数。

式中,为海水中电磁波波长, 且

其中,＝2π角频率。

其中:0为真空导磁率;1为海水的导磁率;2为金属目标壳体的导磁率;1为海水的导电率;2为金属目标壳体的导电率。

2.2 仿真试验

2.2.1 试验内容

利用MATLAB仿真软件, 重点分析引信工作频率、引信作用距离对接收目标回波信号强度的影响。

通过数值仿真计算, 分别得出单频信号以及线性调频信号, 在接收天线处磁场强度与引信工作频率和引信作用距离之间的关系。

1) 发射信号为单频信号时, 得出多个频点上, 场强与作用距离的变化关系; 2) 发射信号为线性调频信号时, 场强与不同作用距离的变化关系, 对比其与1)中的结果; 3) 发射信号为单频信号时, 分析在不同的作用距离条件下场强与频率的变化关系; 4) 发射信号为线性调频信号时, 不同的调频斜率(即不同的带宽), 所对应的场强和频率的变化关系。

2.2.2 试验结果及分析

1) 发射信号为单频信号时, 场强与作用距离的变化关系。从频率范围=200~3 000 Hz中, 每隔200 Hz选取一个频点研究雷目距离和场强的关系, 如图6所示。

在所研究的频率范围内, 不同频率条件下, 场强在作用距离由0.5~10 m的变化过程中均是先增大再减小, 且均在距离=1.25 m(/4)时取得最大值。不同频率时, 最大值点的变化情况如图7所示。

2) 发射信号为调频信号时, 即=f1+, 研究在1个周期内场强与作用距离的变化关系, 发射信号为线性调频, 其中f1=200, 带宽=2800 Hz, 周期=1 s, 调频斜率=/。场强与频率、作用距离的变化关系如图8所示。

图6 单频信号下各变量变化关系

图7 场强最大值与频率的变化关系

图8 LFM探测信号各变量变化关系

由图8可以看出, 发射信号为线性调频信号时, 与1)中单频时场强在作用距离由0.5~10 m的变化过程中, 依然遵循先增大后减小的规律, 且在频率呈线性变化时, 场强依然在=1.25 m处取得最大值。

发射信号为线性调频信号时, 分析在不同的作用距离条件下场强与频率的变化关系, 场强与频率的变化情况如表1所示。

表1 作用距离和场强的变化关系(线性调频)

作用距离在0.5~7.5 m的范围内, 相对变化率均在10%以内, 信号相对稳定, 属于线性调频体制电磁引信系统可接受的参数范围。

3) 不同的调频斜率(即不同的带宽), 所对应的场强和频率的变化关系。选取典型的距离(=4 m)条件下, 讨论不同的调频斜率(或带宽)下, 频率和接收处场强的变化情况。=/, 而周期设定为1 s, 调频斜率的变化是由带宽的变化所引起, 频率初始值f1=200 Hz, 因而设带宽为100~2800 Hz, 步长100 Hz, 由MATLAB仿真得到频率与场强的变化关系如图9所示。各个调频斜率(带宽)下, 得到接收的场强变化情况如表2所示。频率由200~3000 Hz, 其总体变化如图10所示。

表2 场强和调频斜率的变化关系

2.3 仿真结果与分析

由仿真试验可以得出, 雷目距离在0.5~7.5 m的范围内, 接收处场强的相对变化率均在10%以内, 信号相对稳定, 属于线性调频体制电磁引信系统可接受的参数范围, 可作为线性调频信号电磁引信的参数选择。此外, 带宽取100~1500 Hz时, 接收处场强的相对变化率均在10%以内, 信号相对稳定, 有利于信号的检测。所以带宽可接受的选取范围100~1500 Hz。

3 线性调频信号抗干扰仿真

由于传统单频电磁引信信号容易受到干扰影响, 文中只进行线性调频抗单线谱和多线谱干扰仿真及分析。

3.1 带内单线谱和多线谱干扰检测

带内单一频率, 同相的频谱, 与信号时间一样长的干扰, 干扰信号的幅度为2 V, 干扰频率为800 Hz, 仿真结果如图11所示。由图可知, 带内干扰峰值为1.062×104, 第二大干扰值为8 656, 则信号分辨力为1.23。

带内多个频率, 同相的频谱, 与信号时间一样长的干扰, 干扰信号的幅度为1 V, 干扰频率为800 Hz, 900 Hz, 1 000 Hz, 1 100 Hz, 1 200 Hz, 1 300 Hz, 仿真结果如图12所示。由图可知, 带内干扰峰值为6.527×104, 第二大干扰值为5.688×104, 则信号分辨力为1.15。

3.2 抗单线谱干扰仿真

模拟人工干扰, 在线性调频信号中加入带内单一频率, 同相的频谱, 与信号时间一样长的干扰, 干扰信号的幅度为2 V, 干扰频率为800 Hz, 仿真结果如图13所示。由图可知, 目标信号值为7.123×105, 最大干扰值为7 019, 则信号分辨力为101.5。

3.3 抗多线谱干扰仿真

模拟人工干扰, 在线性调频信号中加入带内多个频率, 同相的频谱, 与信号时间一样长的干扰, 干扰信号的幅度为2 V, 干扰频率为800 Hz, 900 Hz, 1 000 Hz, 1 100 Hz, 1 200 Hz, 1 300 Hz, 仿真结果如图14所示。由图可知, 目标信号值为9.05×105, 最大干扰值为9.768×104, 则信号分辨力为9.3。

通过上述仿真分析, 可得出以下结论: 1) 在无信号, 只有带内线谱干扰下, 信号检测分辨力较低, 不超过1.5; 2) 线性调频信号信号检测分辨力为124.7, 随着带内线谱的增多, 信号检测分辨力减弱; 3) 线性调频信号相对单频信号抗干扰能力有很大提高, 并且具备一定的对抗能力。

4 结束语

通过对线性调频信号、目标回波信号以及引信系统抗干扰性的仿真, 得出了线性调频电磁引信系统可接受的参数选取范围, 论证了线性调频信号作为鱼雷电磁引信探测信号的可行性和其优良的抗干扰性。针对其抗干扰性能优良的特点, 今后的研究中应用多种形式的干扰信号检验其抗干扰能力, 从而为今后基于线性调频体制的鱼雷主动电磁引信的研究发展提供参考。

[1] 严争通, 肖素娟, 崔户山, 等. 基于跳频技术的鱼雷电磁引信抗干扰研究[J]. 鱼雷技术, 2014, 22(6): 425-429.

Yan Zheng-tong, Xiao Su-juan, Cui Hu-shan, et al. Electromagnetic Fuze Technology for Torpedo Based on Frequency Hopping Detecting System[J]. Torpedo Technology, 2014, 22(6): 425-429.

[2] 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.

[3] 黄海燕, 吕乐群, 蒲书缙. 连续波调频引信信号的检测方法[J]. 电子信息对抗技术, 2013, 28(5): 6-10.

Huang Hai-yan, Lü Le-qun, Pu Shu-jin. Detection of Continuous Wave FM Radio Fuse[J]. Electronic Warfare Technology, 2013, 28(5): 6-10.

[4] Kay S, Salisbury S. Improved Active Sonar Detection Using Autoregressive Prewhiteners[J]. Acoustical Society of America Journal, 1990, 87(4): 1603-1611.

[5] Carmillet V, Amblard P O, Jourdain G. Detection of Phase or Frequency-modulated Signals in Reverberation Noise[J]. Acoustical Society of America Journal, 1999, 105(6): 3375-3389.

[6] 何心怡, 蒋兴舟, 林建域. 基于亮点模型的潜艇回波仿真[J]. 鱼雷技术, 2001, 9(3): 15-18.

[7] 白志科, 施晓海, 肖素娟. 鱼雷电磁引信信号处理软硬件技术研究[J]. 探测与控制学报, 2009, 12(31): 8-10.

Bai Zhi-ke, Shi Xiao-hai, Xiao Su-juan. Study on Signal Processing Software and Hardware Techniques for Torpedo Electromagnetic Fuze[J]. Journal of Detection & Control, 2009, 12(31): 8-10.

[8] 张涛, 任志良, 于千. 鱼雷电磁引信仿真平台的设计与实现[J]. 鱼雷技术, 2011, 19(2): 156-160.

Zhang Tao, Ren Zhi-liang, Yu Qian. Design and Implementation of Torpedo Electromagnetic Fuze Simulation Platform[J]. Torpedo Technology, 2011, 19(2): 156-160.

[9] 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.

An Rui, He Zhong-ping, Shi Xian-lin. FEM Based Analysis on Target Signal of Phase Modulated by Pseudorandom Code for Torpedo Electromagnetic Fuze[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2017, 25(5): 443-447.

[10] 肖素娟, 南长江, 步相东. 鱼雷战斗部与引信技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2009.

(责任编辑: 许 妍)

Application of LFM Signal to Torpedo’s Active Electromagnetic Fuze

ZHANG Yi-ke, XIAO Su-juan, YANG Yun-chuan, SHI Xiao-hai

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

Linear frequency modulation(LFM) signal has the advantages of anti-interference and strong resistance, so it has been widely used in radar, communication and torpedo homing. However LMF is a new signal system to torpedo electromagnetic fuze. In this paper, an electromagnetic fuze model of a torpedo is established, the working principle of LFM signal is expounded, the generation of LFM signal is investigated, and the amplitude frequency characteristic of echo signal is analyzed. The software MATLAB is adopted to simulate the anti-interference performance of LFM signal, and the results show that LFM signal can be applied to detection of torpedo active electromagnetic fuze.

torpedo; linear frequency modulation(LFM) signal; electromagnetic fuze; anti-interference

张戈珂(1993-), 在读硕士, 主要研究方向为鱼雷引信技术.

TJ431.7; TN973

A

2096-3920(2018)02-0174-06

张弋珂, 肖素娟, 杨云川, 等. 线性调频信号在鱼雷主动电磁引信中的应用[J]. 水下无人系统学报, 2018, 26(2): 174-179.

2017-10-10;

2018-01-19.

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.02.012