鱼雷电磁引信半实物仿真试验系统设计∗

闫晓伟 谭思炜 孙 强 张林森

（1.海军装备部 北京 100841）（2.海军工程大学兵器工程学院 武汉 430033）

1 引言

鱼雷电磁引信是鱼雷的核心子系统之一，其主要功能是利用水下电磁场对鱼雷的过靶状态进行探测与识别，从而确定炸点，实现对鱼雷主装药的发火控制［1］。鱼雷电磁引信的动作可靠性和抗干扰性是衡量其作战效能的主要指标，受鱼雷实航条件复杂性和目标多样性的影响，鱼雷电磁引信战技指标的测试与试验通常难以在真实的作战环境下有效进行。随着现代测试技术的不断发展，半实物仿真技术已在导弹等武器装备的引信测试中得到了广泛应用［2～10］，但针对鱼雷非触发引信，尤其是鱼雷电磁引信的半实物仿真试验还大多以功能测试为主，从机理上能够实现较为全面的性能试验的半实物仿真系统少有报道［11～13］。

本文针对鱼雷电磁引信的性能试验与测试需求，设计了陆上全系统半实物仿真试验系统，可在陆上模拟水下目标的反射电磁场信号或对抗器材针对引信的干扰诱爆信号，在鱼雷电磁引信全系统工作的状态下，实现对鱼雷电磁引信动作可靠性和抗干扰性能的测试。

2 系统总体设计

2.1 基本原理

鱼雷电磁引信半实物仿真试验系统的基本工作原理如图1所示。

图1 半实物仿真试验系统工作原理示意图

该系统基于目标信号数学模型，控制信号发生模块产生试验所需的电信号，通过放置在鱼雷电磁引信接收天线上的电磁辐射器将电信号转换成电磁场信号，从而完成对鱼雷电磁引信实物系统的物理目标信号加载，试验时可通过对引信动作数据的采集与分析，完成对被测电磁引信系统性能与特性的评估。为获取鱼雷电磁引信的工作参数，半实物仿真试验系统在鱼雷电磁引信辐射天线附近设有接收电磁传感器，系统内部设计有信号调理与采集电路，为分析提取鱼雷电磁引信的工作参数提供了可能。半实物仿真试验系统除工作环境与海洋环境不同外，其试验机理、待测鱼雷电磁引信的系统要素、工作状态和信号特性均可与实际工况保持一致，可达到半实物仿真的试验目的。

2.2 系统组成

半实物仿真试验系统组成如图2所示，该系统主要由上位机、半实物仿真装置和电磁传感器组成。其中，上位机为系统的人机交互界面，主要功能包含试验任务选择、试验参数设置和试验信息输入等相关操作的接口或界面。为方便掌握仿真试验的过程状态并观测试验数据、结果，上位机软件界面上还提供了试验进度、电磁引信工作状态以及动作信号的波形显示。

图2 半实物仿真试验系统组成

半实物仿真装置是执行电磁引信半实物仿真试验的核心组件，主要包括核心控制与计算模块、鱼雷电磁引信状态控制模块、数据采集模块、预调理电路、电磁收发传感器、功率放大模块以及信号发生模块。其中，核心控制与计算模块是半实物仿真装置的核心组件，既是上位机和仿真装置的数据链路，又是下位机模块的调度与控制中心，还是半实物仿真试验系统的信号处理核心，可根据仿真信号的数学模型产生波形数据，并对采集到的输入信号进行参数提取。信号发生模块可根据仿真任务的选择和波形数据的输入，产生对应的模拟信号，经功率放大模块放大后，最终由电磁辐射器转换成电磁波，实现目标或干扰信号的真实模拟。

电磁传感器、预调理电路和数据采集模块共同组成了半实物仿真试验系统的信号输入通道，用于采集鱼雷电磁引信辐射的探测电磁场，为核心控制与计算模块获取电磁引信工作参数提供了实测数据。半实物仿真试验系统部分实物如图3所示。

图3 半实物仿真试验系统部分实物

为模拟鱼雷武器系统对电磁引信工作状态的控制，半实物仿真装置中的鱼雷电磁引信状态控制模块会根据试验任务和试验参数的选择，自动生成对应工况和弹道时序的控制指令，包括频率设置、工况选择和解保指令等。

3 目标信号数学模型建立

典型鱼雷电磁引信过靶模型［1］如图4所示。

图4 典型鱼雷过靶模型

该模型将目标视为无限大理想导体界面，因而可采用镜像法求得电磁引信接收天线处的感应磁场强度如式（1）所示：

其中：M为电磁引信辐射磁矩，μ0为海水导磁率，Kz和φz分别为海水中电磁波的传播衰减和传播相移，与距离参数 χ有关，如式（2）所示：

其中：ω为电磁波角频率，σ为海水导电率。

实际上，目标舰船并非无限大的理想导体，而是有特定截面形状和尺度的铁磁体，因此需考虑船体形状和壳体材料的影响，对式（1）修正如下：

其中：K为累积归一化系数；KRe为铁磁壳体反射系数，与壳体材料的导磁率、导电率和电磁波频率有关；f(t)为鱼雷电磁引信过靶时的归一化通过特性，用实航数据拟合得到的经验公式表示为

其中：t0为归一化通过特性的峰值时刻，α为归一化通过特性的形状系数，可由式（5）表示［12～13］：

式中：θk为鱼雷过靶夹角，vTK为雷目相对速度，Bk为目标舰船的等效舰宽，与其截面形状和形状系数KB有关。图5给出了几种典型目标截面形状和形状系数取值。考虑鱼雷过靶夹角θk的影响，实际目标等效舰宽为

图5 典型目标截面等效舰宽及系数

鱼雷电磁引信采用等幅连续电磁波进行探测，频率为极低频，且雷目相对速度较低，因而可忽略多普勒频率的影响。最终目标信号数学模型应为

其中：f为电磁引信工作频率，φ0为发射信号的初始相位。

4 半实物仿真装置主要模块和功能设计

4.1 核心控制与计算模块

核心控制与计算模块主要用于产生试验所需信号的数字波形，该模块采用DSP+FPGA的硬件系统构架实现。DSP芯片负责对接收信号进行数字信号处理，提取接收信号的主要参数，并对试验系统的程序流程进行系统控制，选用TI公司的专用音频信号处理芯片TMS320VC5509A；FPGA芯片用于实现DDS信号源和串口控制器，选用Xilinx公司的Spartan 3E系列的XC3S500E。系统组成原理框图如图6所示。

图6 核心控制与计算模块系统原理框图

4.2 模拟目标信号产生

半实物仿真试验系统产生的模拟目标信号由载波信号和包络信号相乘得到。载波信号由DDS信号源产生，载波频率即为鱼雷电磁引信的工作频率，该信号的频率和相位参数均可根据试验需要进行调整。模拟目标信号中反应鱼雷过靶特性的调制包络信号由核心控制与计算模块根据模拟目标信号的数学模型计算得到，通过FPGA的数据端口将调制包络信号的幅值信息传递到信号发生模块，从而实现对载波信号幅度的调制，完成模拟目标信号的发生。

DDS信号源采用基于Xilinx FPGA的DDS IP CORE设计实现，用户无需自行编写DDS程序，直接从Xilinx公司提供的FPGA集成开发环境ISE中调用DDS IP CORE即可。相对于专用DDS芯片，基于该方案实现的DDS信号源可在0°～360°范围内快速调整相位，满足半实物仿真试验对模拟目标信号相位的动态范围需求。

DDS IP CORE模块接口定义如图7所示。模块输入端口包括时钟端口（CLK）、寄存器写使能端口（WE），数据端口（DATA［N-1：0］）；模块输出端口有正弦信号输出端口（SINE［P-1：0］）。其中N为输入数据总线位宽，P为输出波形数据位宽。基于硬件描述语言（VHDL）的DDS申明和调用程序段如图8所示。

图7 DDS模块接口设计

图8 DDS的申明和调用程序段

4.3 信号发生模块

信号发生模块用于将数字信号转换成模拟信号，采用DAC芯片TLC7528实现，该芯片支持双通道8bit数模信号转换，采用+5V供电。通道A作为幅度调节通道，以+5V直流作为参考电压，根据输入的数字信号输出0～5V范围内的直流电压，作为通道B的参考电压。通道B为DDS信号的实际数模转换通道，将DDS输出的数字波形转换成模拟波形。

DAC芯片输出的模拟信号为单极性阶梯波，含有多次谐波成分，为得到双极性单频率正弦波，DA转换模块后设有信号调理模块，利用多级运放组成工作频率带宽范围内的带通滤波器，将DAC芯片输出的单极性阶梯波调理为双极性单频率正弦波。为满足不同发射通道的实际发射需求，各DDS通道在最后一级设有信号放大模块，根据各通道的应用，提供满足幅值要求的信号源。

4.4 数据采集模块

数据采样模块用于将信号调理模块输出的模拟信号转换为数字信号，为核心控制与计算模块的数字信号处理提供数据来源。数据采集模块主要包括数据总线隔离单元、控制信号隔离单元和数模转换单元。模块中AD芯片选用AD7606，该芯片支持8路模拟信号的同步采样，采样精度16bit，最高采样率可达200KSPS。模拟信号输入电压范围支持±5V或±10V两种采样模式，可通过相关引脚的外接电平控制选择。每路模拟输入通道都设计有一阶RC低通滤波器，可滤除高频噪声干扰。

5 仿真与试验验证

5.1 DDS信号源仿真

使用ModelSim6.6a仿真软件对基于Xilinx FP⁃GA的DDS信号源进行行为级仿真，结果如图9所示，结果显示DDS信号源功能正常。

图9 DDS仿真结果

5.2 半实物目标信号模拟

通过系统自带采集模块采集到的鱼雷电磁引信半实物仿真试验系统产生的模拟目标信号的实际波形如图10所示。

图10 仿真系统产生的试验信号

由结果不难看出，试验系统产生的模拟目标信号与理论分析基本一致。

6 结语

本文针对鱼雷电磁引信系统的陆上试验与测试问题，设计了鱼雷电磁引信的半实物仿真试验系统，该系统由半实物仿真装置、上位机和电磁传感器等组件组成。在考虑了海水介质特性、引信工作频率、鱼雷过靶参数、目标尺度和材料特性等多种影响因素的条件下，系统基于鱼雷电磁引信目标信号数学模型生成的模拟目标信号，能够有效模拟鱼雷过靶时电磁引信接收到的目标反射回波，可满足对鱼雷电磁引信实物系统的各项功能和性能指标的陆上半实物仿真测试与试验需求。