一种宽带电磁引信直接耦合干扰的快速补偿方法

谭思炜, 赵 军, 张 萌, 任志良

一种宽带电磁引信直接耦合干扰的快速补偿方法

谭思炜, 赵 军, 张 萌, 任志良

(海军工程大学 兵器工程学院, 湖北 武汉, 430033)

宽带信号具有较好的抗干扰性能和反对抗能力, 但要在鱼雷电磁引信上实现工程应用仍有许多问题亟待解决, 宽带直接耦合干扰的快速、有效补偿问题即是其中之一。文中分析研究了鱼雷宽带电磁引信直接耦合干扰的特征, 提出了一种快速、有效的宽带直接耦合干扰补偿方法。该方法采用Butterworth低通滤波器传递函数对递推最小二乘算法的遗忘因子迭代更新模型进行改进, 解决了标准算法在对突变信号的快速跟踪性能与低稳态误差特性上的矛盾。将改进算法分别应用于跳频和调相2种宽带体制下鱼雷电磁引信直接耦合干扰的自适应补偿中, 并进行了仿真分析。仿真结果表明, 文中改进的自适应算法对突变信号具有较好的跟踪性能和较低的稳态误差, 能够实现对跳频体制和调相体制鱼雷宽带电磁引信直接耦合干扰的快速、有效补偿。

鱼雷;电磁引信;宽带信号;直接耦合干扰; 自适应补偿

0 引言

随着战场电磁环境的日趋恶劣, 鱼雷对抗手段的不断升级, 现代战争对传统鱼雷电磁引信的抗干扰能力提出了新的挑战和更高要求。受海水导电性的影响, 鱼雷电磁引信采用单频窄带信号体制[1], 容易被对方实施干扰, 甚至诱爆。针对传统鱼雷电磁引信抗干扰能力的不足, 文献[2]~[4]分别提出将跳频、伪码调相、线性调频等宽带信号体制应用于鱼雷电磁引信, 并通过仿真分析验证了方案的可行性。较传统鱼雷电磁引信而言, 鱼雷宽带电磁引信具有较强的抗干扰性能和反对抗能力, 但同时也意味着鱼雷电磁引信对自身固有内部干扰——直接耦合干扰的补偿变得更为困难。

鱼雷电磁引信通常采用自适应补偿方式消除直接耦合干扰[1]。由于直接耦合干扰与目标信号具有强相关性, 自适应补偿只能在无目标信号的情况下进行, 并要求在引信安全距离保险解除前完成自适应补偿, 否则目标信号会被同时抵消。宽带信号体制下鱼雷电磁引信的直接耦合干扰为非平稳信号, 会随着发射信号参数变化而突变。发射信号带宽越宽, 需要的自适应补偿总时间就越长, 但可供引信自适应补偿的时间是固定不变的, 这就对宽带信号体制下直接耦合干扰的参数解算速度和精度都提出了非常高的要求。

针对鱼雷电磁引信直接耦合干扰的补偿, 文献[5]~[7]分别提出了基于自适应算法的补偿方法, 但都未能针对宽带信号体制进行分析讨论。针对自适应算法的性能改进, 文献[8]对传统可变遗忘因子更新模型提出利用双曲线正切函数进行修正的方法, 但修正函数需要选取的参数较多, 部分参数物理意义不够明确。文献[9]提出的遗忘因子修正函数呈阶梯式变化, 使得算法的跟踪速度受到限制, 并且遗忘因子的突变使得系统的稳定性受到影响。鉴于此, 文中提出一种鱼雷宽带电磁引信直接耦合干扰的快速补偿方法, 该方法采用Butterworth低通滤波器传递函数对递推最小二乘(recursive least squares, RLS)算法的遗忘因子迭代更新模型进行了改进, 可实现对跳频、调相宽带信号体制下鱼雷电磁引信直接耦合干扰快速而有效的自适应补偿。通过仿真分析验证了该方法的可行性, 为宽带信号体制鱼雷电磁引信的工程实现提供了技术参考。

1 宽带电磁引信直接耦合干扰分析

鱼雷电磁引信通常采用磁偶极子收发天线[1]。直接耦合干扰是由发射天线产生的辐射电磁场在接收天线上直接耦合产生的感应电信号。受鱼雷总体结构限制以及海水介质特性影响, 电磁波从发射天线到接收天线的能量传播衰减比经过目标反射回来而产生的能量衰减要小得多[10], 即直接耦合干扰的幅度远大于目标信号幅度, 通常为目标信号的50~100倍[7], 且多普勒频移可以忽略不计。因此, 直接耦合干扰与目标信号具有极强的相关性, 可导致电磁引信接收机动作灵敏度下降, 必须予以消除。

电磁引信直接耦合干扰特征与发射信号体制、发射信号参数、收发天线配置方式以及距离等因素有关。从发射天线到接收天线, 电磁场在海水介质中传播造成能量衰减和相移, 因而直接耦合干扰与发射信号在幅度和相位上存在一定偏差。当系统工作稳定后, 电磁引信发射信号参数保持不变, 直接耦合干扰的幅度和相位差也稳定不变, 在接收端呈现出等幅连续的正弦波, 频率与发射信号相同。

令单频发射激励信号如式(1)所示, 则直接耦合干扰如式(2)所示

(4)

2 宽带直接耦合干扰补偿方案

2.1 补偿系统设计

传统鱼雷电磁引信采用硬件电路消除直接耦合干扰, 即通过硬件补偿电路产生一路与直接耦合干扰幅度和相位相同, 频率同步的补偿信号与接收信号相减, 从而实现直接耦合干扰的对消[1]。但通常硬件电路结构复杂, 调试检修难度大, 且不利于后续产品的升级换代, 一旦需要调整技术方案, 则需重新设计并制作硬件电路, 灵活性不如软件方法。鉴于此, 文中采用纯软件算法完成补偿, 对经预处理的模拟信号直接采样, 转换到数字域后再进行自适应对消, 宽带直接耦合干扰补偿方案如图2所示。

图2 宽带直接耦合干扰补偿方案

接收天线感应到的直接耦合干扰经前置放大、滤波等处理后, 由数字模拟信号转换(digital analog converter, A/D)芯片采样, 作为自适应滤波器的期望信号被送入到数字信号处理技术(digital signal processing, DSP)芯片。自适应滤波器的参考信号由发射信号源直接进行板级采样得到, 一方面保证了参考信号与直接耦合干扰的时钟同步, 另一方面板级采样信噪比高, 避免了对参考信号的调理时延。自适应滤波器框图如图3所示。

图3 自适应滤波器原理框图

2.2 补偿方案流程

宽带直接耦合干扰补偿流程如图4所示, 整个补偿方案分为自适应补偿和待发补偿2个阶段。

图4 宽带直接耦合干扰补偿流程

鱼雷电磁引信上电稳定工作后, 接收机按照宽带发射信号的所有参数特征变化, 依次对每一种参数下的直接耦合干扰进行自适应补偿, 直到所有参数的发射信号都完成补偿为止。接收机存储发射信号所有参数下对应的补偿信号。这个过程在电磁引信解除安全距离保险前完成。

当电磁引信进入待发状态后, 发射信号参数按照一定规律变化, 接收机按照相同的变化规律调用事先对应存储的补偿信号, 并与接收信号相减, 从而达到宽带直接耦合干扰补偿的目的, 该阶段即为待发补偿阶段。由于是直接调用补偿信号而非自适应, 因而不会影响电磁引信对鱼雷过靶目标信号的接收与识别。

3 自适应滤波器设计

3.1 自适应算法分析

选择合适的自适应算法将有助于提高宽带电磁引信直接耦合干扰的补偿收敛速度。自适应滤波算法主要包括最小均方法(least mean square, LMS)和RLS算法以及由以上标准算法衍生出的一系列算法族。不同的自适应算法应用背景不同, 性能各异。标准算法中, LMS算法跟踪性能好, 计算简单, 易于实现, 但步长选择对算法收敛性能影响很大, 步长越长收敛精度越高, 但收敛速度越慢。RLS算法采用时间平均使得收敛误差明显小于LMS算法, 但同时也因此而降低了对突变信号的跟踪性能, 而鱼雷宽带电磁引信直接耦合干扰的快速补偿正是需要算法具有较好的跟踪性能和稳态误差。

图5 变化理想曲线

3.3 临界点选取

临界点的选取直接关系到RLS算法如何兼顾突变信号跟踪能力和稳态误差。通常有2种方法: 一种是根据处理信号变化特性选取固定的经验值, 对于突变的直接耦合干扰可以选取较小的均方差作为临界点, 以获得最佳跟踪性能, 对于稳定后的直接耦合干扰可以选取较大的均方差作为临界点来提高补偿精度, 这种方法方便实现, 但需要对处理的数据具有先验知识, 有一定的局限性; 另一种是根据均方差的估计结果实时计算临界点, 使得算法具有较好的适应性。基于鱼雷电磁引信对信号处理实时性的要求, 文中采用均方值期望值作为遗忘因子变化的判断临界点。

图6 自适应滤波器计算流程

4 仿真分析

4.1 跳频体制直接耦合干扰补偿仿真

图7 跳频体制直接耦合干扰补偿仿真

分别将文中方法与标准法应用到跳频体制直接耦合干扰的补偿中, 仿真结果如图7(b)~(g)所示。其中, 图7(b)和(d)分别为标准法得到的补偿信号和补偿结果; 图7(c)和(e)分别为文中方法得到的补偿信号和补偿结果。

从初始补偿阶段来看, 2种方法都有一个明显的自适应过程, 这是由于自适应滤波器迭代初始化时将输入数据初始为0造成的, 但标准法的自适应过程明显长于文中方法, 初始化收敛速度慢。从整个补偿过程来看, 2种方法的初始化自适应耗时都是跳频直接耦合干扰补偿的主要耗时。因此, 提高初始化自适应收敛速度将有利于提高整体补偿速度。当跳频时, 文中方法比标准法收敛速度明显要快, 重新自适应调整时间短。能够在短时间完成新频率下的直接耦合干扰补偿。图7(f)和(g)给出了2种方法的学习曲线, 可以明显看出2种方法收敛速度的差异。在稳态误差方面, 除初始补偿阶段外, 文中方法的稳态误差均小于或接近10-20。

4.2 调相体制直接耦合干扰补偿仿真

图8 调相体制直接耦合干扰补偿仿真

图8(b)和(d)分别为采用标准法得到的补偿信号和补偿结果; 图8(c)和(e)分别为采用文中方法得到的补偿信号和补偿结果。通过比较不难发现, 2种方法同样在初始化阶段自适应过程中耗时相对较多, 但与标准法相比, 文中方法在初始阶段自适应收敛速度远快于标准法。当直接耦合干扰的相位发生突变时, 文中方法表现出了较好的跟踪性能, 收敛速度比标准法有明显优势。图8(f)和(g)给出了2种方法的学习曲线。收敛速度上, 文中方法明显较快, 稳态误差方面, 除初始补偿阶段外, 文中方法稳态误差均都小于10–10, 在最后一个相位突变阶段, 稳态误差小于10–20, 与标准法相当。

5 结束语

随着宽带信号体制在鱼雷电磁引信中的应用, 直接耦合干扰也将变得复杂化, 如不进行有效、快速补偿, 将会对可用信号带宽带来限制。文中针对鱼雷宽带电磁引信直接耦合干扰的快速、有效的补偿问题, 提出基于可变遗忘因子的RLS自适应滤波器的补偿方法, 该方法采用Butterworth低通滤波器模型代替遗忘因子的迭代更新模型, 可提高标准算法对突变信号的跟踪性能, 同时保证了较小的稳态误差。仿真结果表明, 文中方法较标准RLS算法具有自适应收敛快, 稳态误差小的特点, 能够有效解决宽带直接耦合干扰的快速、有效补偿问题, 为相关问题的理论分析和工程应用提供了参考和技术支持。文中只讨论了该方法的理论可行性, 对方法的抗高斯白噪声性能以及实际工程应用效果还有待进一步研究。

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A Method for Fast Compensating Direct Coupling Interference of Wideband Electromagnetic Fuze

TAN Si-wei, ZHAO Jun, ZHANG Meng, REN Zhi-liang

(College of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Wideband signal has anti-interference and counter-countermeasure properties. However, engineering application of wideband signal to torpedo electromagnetic fuze still faces many problems, including fast and efficient compensation of wideband direct coupling interference. In this paper, the characteristics of direct coupling interference of torpedo wideband electromagnetic fuze are analyzed, and a fast and efficient compensating method for wideband direct coupling interference is proposed. The transfer function of Butterworth low filter is used to modify the iterative updating model of forgetting factor in recursive least squares algorithm. The modification resolves the contradiction between the ability of singular signal fast tracking and the low steady state error. This method is applied to adaptive compensation of direct coupling interference of torpedo electromagnetic fuze with two wideband signal systems of frequency hopping and phase modulation, respectively. Simulation analysis shows that the improved adaptive algorithm has better tracking performance of singular signals with low steady state error. The proposed method could realize fast and efficient compensation of the direct coupling interference in the wideband signal systems of frequency hopping and phase modulation, respectively.

torpedo; electromagnetic fuze; wideband signal; direct coupling interference; adaptive compensation

TJ431.7; TN972.1

A

2096-3920(2019)04-0420-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.009

谭思炜, 赵军, 张萌, 等. 一种宽带电磁引信直接耦合干扰的快速补偿方法[J]. 水下无人系统学报, 2019, 27(4): 420-427.

2018-12-03;

2019-01-24.

谭思炜(1985-), 男, 讲师,主要从事水下目标探测与识别技术研究.

(责任编辑: 许 妍)