基于自适应噪声对消的鱼雷电磁引信抗雷内干扰方法

唐 波, 谭思炜, 张静远

基于自适应噪声对消的鱼雷电磁引信抗雷内干扰方法

唐 波, 谭思炜, 张静远

(海军工程大学 兵器工程学院, 湖北 武汉, 430033)

针对鱼雷电磁引信存在声自导发射和鱼雷变速时产生的强脉冲干扰问题, 文中从自适应噪声对消的基本原理出发, 分析了鱼雷电磁引信消除声自导发射和鱼雷变速时产生强脉冲干扰的方法。在增加噪声接收通道获取相关噪声的基础上, 采用自适应噪声对消抑制强脉冲干扰。仿真试验表明, 该方法可有效抑制声自导发射和鱼雷变速时产生的强脉冲干扰。

鱼雷; 电磁引信; 抗干扰; 自适应噪声对消; 变速

0 引言

鱼雷电磁引信作为一种水下目标探测装置[1]面临着各种各样的干扰, 典型的有直接耦合干扰、鱼雷变速干扰、声自导发射干扰等[2]。其中, 直接耦合干扰为发射天线发射的电磁信号, 没有目标散射, 经过空间传播直接被接收天线接收到的部分[3]。对于直接耦合干扰, 目前已有多种途径可对其进行有效抑制, 比如在电路中增加失平衡自适应通道, 文献[4]和[5]也提出了基于递推最小二乘(recursive least squares, RLS)自适应算法的直接耦合干扰抑制方法, 均能有效抑制直接耦合干扰。

但对于鱼雷变速干扰和声自导发射产生的干扰, 一般表现为瞬变性和周期性, 经过引信接收通道选频后, 又具有同频特征, 抑制难度较大, 目前采取的方法为通过引入鱼雷变速同步信号和声自导发射同步信号来屏蔽引信接收机, 以此实现抑制干扰的目的。但该方法在抑制干扰的同时, 缩短了引信的有效工作时间, 等同于降低了引信的检测概率, 因此并不是一种理想的方式。

针对该问题, 文中提出一种基于自适应噪声对消的电磁引信干扰抑制方法, 通过采用自适应噪声对消的方法来抑制鱼雷变速和声自导发射带来的瞬变和周期性脉冲干扰。

1 电磁引信目标回波信号分析

为了降低直接耦合干扰的影响, 发射天线和接收天线通常采用垂直配置方式。假设目标为理想导体平面且表面法线与接收天线轴线重合, 则发射天线、接收天线以及目标的位置关系见图1。

图1 发射天线、接收天线和目标位置示意图

则鱼雷电磁引信的目标回波信号可表示为

式中: 为包络的峰值时刻; 是与脉冲宽度有关的量, 可表示为, 为鱼雷与目标的相遇角, 为相遇速度, 为等效舰宽[6]; 相遇角, 相遇速度, 目标等效宽度, 则理想状态下归一化的鱼雷电磁引信的目标回波信号如图2所示。

声自导发射和鱼雷变速干扰表现为瞬变脉冲。声自导发射干扰为周期性的瞬变脉冲, 宽度与声自导发射信号相同; 鱼雷变速干扰为单个脉冲[7], 宽度约为几百毫秒, 则典型的归一化声自导发射机干扰和鱼雷变速干扰可表示为

其波形如图3所示。

图3 归一化干扰信号

假设干扰均为强干扰, 其幅值为目标信号的2倍, 则归一化伴有干扰的电磁引信目标回波信号如图4所示。

图4 电磁引信目标回波信号

图4中周期性出现的较窄脉冲为声自导发生对引信系统的干扰, 而4.5 s开始的较宽脉冲为鱼雷变速干扰, 显然它们的幅度均高于目标回波。同时, 由于干扰信号成分比较复杂, 经过接收通道处理之后仍能保留较大的幅度, 因此会使引信产生误动作。

2 自适应噪声对消算法

在处理一个被加性噪声污染的信号时, 通常首先对该信号进行滤波。滤波可以采用固定滤波器, 也可以采用自适应滤波器[8]。

图5 自适应噪声对消原理框图

根据优化准则的不同, 自适应滤波算法主要分为2类最基本的算法, 即最小均方误差(least mean square, LMS)算法和RLS算法。当背景噪声为平稳的随机信号时, 基于LMS算法的自适应噪声对消系统效果显著。但是, 当背景噪声是时变的非平稳随机信号时, LMS算法难以跟踪噪声的时变特性, 因而效果不明显。并且, 在信噪比很小的情况下, 要保证较好的性能, 则需要很长的滤波器阶数, 而随着滤波器阶数的增加, 计算量变大且收敛性能变差[11]。RLS算法由于具有较快的收敛速度和对特征值分布不敏感的特性, 成为处理非平稳信号的有效方法。

2) 更新:=1,2, …

3 鱼雷电磁引信噪声对消

图6 鱼雷电磁引信结构框图

从图6中可以看出, 为了能够获得影响电磁引信系统工作性能的噪声信号, 在原电磁引信接收通道的基础上增加噪声接收通道。图中噪声接收天线是为了模拟真实的接收天线阻抗特性,噪声接收通道除了不能接收目标散射的电磁场回波信号, 其他特性均与接收通道完全相同, 以尽可能获得相关的噪声信号。最后在信号处理机里完成自适应噪声对消。

图7 遗忘因子不同时自适应滤波器输出信号

从图中可知,=2时, 噪声抵消的效果最理想, 随着的增加, 自适应噪声抵消的效果逐渐变差。

4 结束语

针对鱼雷变速和声自导发射对鱼雷电磁引信产生强脉冲干扰的问题, 文中提出一种基于自适应噪声对消的电磁引信干扰抑制方法, 来抑制鱼雷变速和声自导发射带来的瞬变和周期性脉冲干扰。分析可知, 对于鱼雷电磁引信系统来说, 针对声自导发射、鱼雷变速等产生的强脉冲干扰, 在能够获取噪声样本的情况下, 自适应噪声抵消是一种有效噪声抑制方法。

该方法可有效解决鱼雷电磁引信系统来自声自导发射、鱼雷变速等的强干扰问题, 对鱼雷电磁引信的抗干扰研究以及装备研制具有重要的参考价值。下一步将针对该方法开展工程化实践, 已验证该方法在装备中的适应性。

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Anti-Internal Interference Method of Torpedo Electromagnetic Fuze Based on Adaptive Noise Cancellation

TANG Bo, TAN Si-wei, ZHANG Jing-yuan

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

In regard to the strong pulse interference in torpedo electromagnetic fuze caused by acoustic homing launch and speed change of torpedo, the principle of adaptive noise cancellation is adopted to propose a method for eliminating this strong pulse interference. The correlated noise is obtained by increasing noise receiving channel, and then the adaptive noise cancellation is used to suppress the strong pulse interference. Simulation result shows that this method can effectively suppress the strong pulse interference generated in acoustic homing launch and speed change processes of torpedo.

torpedo; electromagnetic fuze; anti-interfence; adaptive noise cancellation; speed change

TJ630; TJ431.7

A

2096-3920(2020)03-0259-04

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.03.003

2020-01-06;

2020-03-20.

国家自然科学基金项目资助(11602300).

唐 波(1980-), 男, 硕士, 讲师, 主要研究方向为鱼雷自导与引信技术.

唐波, 谭思炜, 张静远. 基于自适应噪声对消的鱼雷电磁引信抗雷内干扰方法[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(3): 259-262.

(责任编辑: 杨力军)