基于跳頻探測體制的魚雷電磁引信技術(shù)

嚴爭通, 肖素娟, 崔戶山, 施曉海, 樊書宏, 陳亞林

?

基于跳頻探測體制的魚雷電磁引信技術(shù)

嚴爭通1,2, 肖素娟1, 崔戶山1, 施曉海1, 樊書宏1, 陳亞林1

(1. 中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075; 2. 水下信息與控制重點實驗室, 陜西 西安, 710075)

為了提高魚雷主動電磁引信的抗干擾能力, 把跳頻技術(shù)應用于魚雷主動電磁引信中, 提出了基于高速數(shù)字信號處理和直接數(shù)字頻率合成的跳頻引信系統(tǒng)設(shè)計方案, 闡述了跳頻引信的工作原理, 重點研究了跳頻信號的產(chǎn)生及回波信號的處理, 并對跳頻引信的抗干擾性能進行了理論和仿真分析。仿真結(jié)果表明, 寬頻帶跳頻工作體制有利于提高魚雷主動電磁引信的抗干擾能力, 可為魚雷主動電磁引信設(shè)計提供新的技術(shù)途徑。

魚雷; 跳頻技術(shù); 主動電磁引信; 抗干擾

0 引言

在現(xiàn)代海戰(zhàn)條件下, 魚雷引信工作的環(huán)境日益復雜, 面臨的干擾越來越嚴重, 不僅會遇到自然干擾, 還將面對各種形式的人工干擾, 這就要求魚雷引信不僅要有良好的探測性能, 而且要有良好的抗干擾和對抗能力。

基于雷達探測原理的主動電磁引信經(jīng)過長期發(fā)展, 在魚雷上得到了廣泛的應用。但是傳統(tǒng)的電磁引信采用單頻形式的探測信號, 易被敵方進行頻率截獲和實施干擾, 不能滿足魚雷引信抗干擾和對抗的需求。探測信號體制不僅決定了系統(tǒng)的信號處理方法, 而且直接影響系統(tǒng)的抗干擾和對抗性能。將跳頻信號作為魚雷主動電磁引信的探測信號, 是提高引信抗干擾和對抗能力的重要技術(shù)途徑。跳頻信號通過頻率跳變的方式可以避開某些頻點上的自然干擾或人工干擾, 而頻率的跳變規(guī)律受隨機編碼的控制, 不易被敵方截獲。由于跳頻信號每個頻點的目標信息來自于同一個目標, 因此具有很大的相關(guān)性, 但是表現(xiàn)形式有所差別, 利用這些信息本質(zhì)上的相關(guān)性和形式上的差異, 在單個頻點無法利用的一些目標信息可以通過互相關(guān)等處理得到應用, 從而進一步提高引信系統(tǒng)的引爆控制性能。

本文提出一種基于高速數(shù)字信號處理和直接數(shù)字頻率合成方法的跳頻引信系統(tǒng)設(shè)計方案, 闡述了跳頻引信的工作原理, 重點研究了跳頻信號的產(chǎn)生及跳頻引信回波信號的處理方法, 對跳頻引信的抗干擾性能進行了理論和仿真分析, 研究結(jié)果為魚雷電磁引信設(shè)計提供了新的技術(shù)思路。

1 基于跳頻技術(shù)的魚雷主動電磁引信

1.1 跳頻技術(shù)

傳統(tǒng)的無線電通信常采用定頻的工作方式, 為了增加保密性和抗干擾性能, 跳頻技術(shù)在通信領(lǐng)域中得到廣泛的應用。上世紀90年代, 跳頻技術(shù)也成功應用于炮彈引信, 如南非1992年投產(chǎn)的M9157A1、第5代近炸引信M9121、意大利生產(chǎn)的FB395等[1], 使用跳頻技術(shù)的炮彈引信可以有效對抗戰(zhàn)場上的各種有源干擾。

一般的跳頻通信系統(tǒng)見圖1, 跳頻技術(shù)與定頻技術(shù)的不同在于多了一個偽隨機序列產(chǎn)生器用來控制頻率合成器的本振頻率, 該頻率隨序列的改變而改變, 且相同的序列也隨之在接收端輸出, 本地頻率合成器產(chǎn)生的頻率碼與預期接收的信號頻率保持同步變化, 最后跳頻信號被轉(zhuǎn)化為固頻信號, 在一系列解調(diào)之后恢復到原信息碼[2]。跳頻技術(shù)相對于定頻技術(shù), 具有更好的抗干擾性和穩(wěn)定性, 能很好地避免信息截獲[3]。

圖1 跳頻通信系統(tǒng)

1.2 基于跳頻技術(shù)的魚雷主動電磁引信系統(tǒng)

結(jié)合跳頻技術(shù)和魚雷主動電磁引信的結(jié)構(gòu)特點, 提出一種基于數(shù)字化技術(shù)的跳頻引信系統(tǒng)設(shè)計方案, 如圖2所示。

圖2 基于數(shù)字化技術(shù)的跳頻引信設(shè)計方案

在同步系統(tǒng)的控制下, 偽隨機序列發(fā)生器產(chǎn)生和跳頻頻率一一對應的偽隨機序列。每個時序下, 產(chǎn)生一個隨機序列作為選頻碼, 用來控制頻率合成器產(chǎn)生跳頻信號, 將跳頻信號作為激勵信號經(jīng)功率放大和發(fā)射匹配后, 激勵發(fā)射天線向魚雷周圍海水介質(zhì)中輻射交變的電磁場。當魚雷在目標艦船附近通過時, 引信探測電磁場在金屬目標殼體表面感應渦流, 該渦流二次場使引信輻射的物理場發(fā)生畸變, 這一變化的物理場被接收天線感應后變成電信號, 由信號處理電路進行放大、濾波處理和目標特征提取與識別, 滿足條件時輸出起爆信號[4]。

2 跳頻信號產(chǎn)生

跳頻器是跳頻系統(tǒng)的核心部件, 由它產(chǎn)生一個隨時間按一定規(guī)律但表現(xiàn)近似于隨機變化的振蕩信號。跳頻器主要由偽隨機碼序列產(chǎn)生器和頻率合成器組成。

2.1 跳頻序列設(shè)計

圖3 m序列的原理圖

2.2 頻率合成器

頻率合成器通過參考標準頻率產(chǎn)生多個輸出頻率, 運用在跳頻系統(tǒng)的頻率合成器除一般要求外, 還需保證頻率轉(zhuǎn)換時間足夠短。直接數(shù)字頻率合成(direct digital frequency synthesizer, DDFS)采用數(shù)字化技術(shù), 通過控制頻率控制字直接產(chǎn)生所需的各種不同頻率信號, 工作原理見圖4。DDS (DDFS的簡稱)主要由參考時鐘、相位累加器、正弦查找表、D/A 轉(zhuǎn)換器和濾波器等組成。使用數(shù)字信號處理(digital signal processing, DSP)器后, 可用波形存儲器替代正弦查找表, 方便地產(chǎn)生各種所需波形。

圖4 直接數(shù)字頻率合成工作原理圖

2.3 跳頻信號仿真

結(jié)合魚雷電磁引信的工作特點, 設(shè)置跳頻發(fā)射信號中心頻率0= 1 kHz, 帶寬=200 Hz, 跳頻頻率數(shù)5, 頻率間隔Δ=50 Hz, 跳頻速率1 hop/s, 信號頻率=900~1 100Hz,信號時間長度為=10 s, 采樣率=5 000 Hz, 得到跳頻信號時域和頻域圖形分別如圖5和圖6所示。

從頻域上看, 跳頻信號的頻譜在寬頻帶上以等間隔隨機跳變, 譜峰較多且隨機變化, 敵方不易捕獲信號的頻率來進行干擾。

圖5 跳頻信號時域圖

圖6 跳頻信號頻域圖

跳頻發(fā)射信號的時頻圖如圖7所示, 從中可以看出, 跳頻信號在時間和頻率上的跳變規(guī)律。

圖7 跳頻信號時頻圖

3 信號處理方法

跳頻回波信號的處理主要是對回波信號進行檢測與參數(shù)估計, 滿足條件時輸出起爆信號。

信號的檢測主要有相關(guān)檢測和離散傅里葉變換(discrete Fourier transform, DFT)方法。其中相關(guān)檢測是一種時域信息的檢測方法, 主要是對信號和噪聲進行相關(guān)性分析, 利用信號與噪聲不同的統(tǒng)計特性, 通過自相關(guān)和互相關(guān)運算, 達到抑制噪聲、檢測信號的目的。白噪聲中信號的最佳檢測方法是匹配濾波, 而相關(guān)檢測在數(shù)學上正好等效于匹配濾波[6]。 DFT方法是一種頻域信息的檢測方法, 對信號進行傅里葉變換, 從頻譜圖中的對應譜線得到信號的幅度作為檢測結(jié)果。DFT對回波信號的相位不敏感, 且可很好地抑制噪聲。

回波信號的參數(shù)估計主要是進行鑒頻、鑒相及鑒幅等處理。對經(jīng)過放大濾波的回波信號先進行采樣, 然后做滑動DFT, 實現(xiàn)鑒頻和幅度的檢測, 然后計算回波信號和發(fā)射信號的相位差, 最后判定回波信號的持續(xù)時間超過一定寬度。只有同時滿足以上3個條件才認為回波信號已經(jīng)達到。對于其他頻率、相位及幅度的回波信號都將被視為干擾信號。

陳博等提出的多頻點信息分路-融合算法[7], 是一種比較適合跳頻引信的信號處理方法。跳頻引信在不同時刻向目標發(fā)射多路不同頻率的電磁波, 接收天線接收回波信號后, 通過同步系統(tǒng)采用時分復用技術(shù)將各頻點回波信號分開, 對各頻點回波信號分別進行檢波采樣, 得到多路幅度受調(diào)制的信號, 經(jīng)過濾波和包絡檢波獲得對應頻點上的包絡信號, 對各頻點包絡信號進行等周期采樣處理后, 將各個結(jié)果送入融合中心進行加權(quán)平均, 根據(jù)融合結(jié)果控制引信。該方法的優(yōu)點在于各頻點回波信號間互不影響, 即使一路或多路信號被干擾, 未被干擾的支路仍能作正確判決, 從而改善引信的抗干擾性能。

下面從信號檢測方面, 以匹配濾波為例來分析跳頻信號的抗干擾性能。設(shè)跳頻發(fā)射信號中心頻率0=1 kHz, 帶寬=200 Hz, 跳頻頻率數(shù)為5, 頻率間隔Δ=50 Hz, 信號頻率=900~1 100 Hz, 信號時間長度為=0.05 s, 每段信號持續(xù)時間為0.01 s, 采樣率=24 000 Hz。采用匹配濾波的歸一化相關(guān)檢測結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知, 目標信號值為1, 最大干擾值為0.228 4, 則信號分辨力為1/0.228 4= 4.38。

圖8 采用匹配濾波的跳頻信號檢測結(jié)果

4 抗干擾性能仿真與分析

為了研究跳頻信號的抗干擾性能, 僅從信號的相關(guān)檢測方面進行跳頻引信和單頻引信的仿真及對比分析, 包括抗單線譜干擾和多線譜干擾2個方面, 仿真得到的相關(guān)檢測結(jié)果均為歸一化結(jié)果。

4.1 單頻引信抗干擾性能仿真

設(shè)置單頻引信工作頻率為1 kHz, 幅度為3 V, 信號時間長度為0.05 s, 采樣率為24 000 Hz。

1) 加入帶內(nèi)單一頻率, 且與信號時間一樣長的同相干擾, 干擾信號幅度1 V, 干擾頻率980 Hz,歸一化相關(guān)檢測結(jié)果如圖9所示。

圖9 單頻引信抗單頻干擾的檢測結(jié)果

由圖9可知, 目標信號值為1, 最大干擾值為0.636, 則信號分辨力為1/0.636= 1.57。

2) 加入帶內(nèi)和帶外多個頻率, 且與信號時間一樣長的同相干擾, 干擾信號幅度1 V, 干擾頻率為800 Hz, 900 Hz, 1 000 Hz, 1 100 Hz, 1 200 Hz, 歸一化相關(guān)檢測結(jié)果如圖10所示。

圖10 單頻引信抗多頻干擾的檢測結(jié)果

由圖10可知, 目標信號值為1, 最大干擾值為0.812 6, 則信號分辨力為1/0.812 6=1.23。

4.2 跳頻引信抗干擾性能仿真

設(shè)跳頻發(fā)射信號中心頻率0=1 kHz, 帶寬= 200 Hz, 跳頻頻率數(shù)為5, 頻率間隔Δ=50 Hz, 信號頻率=900~1 100 Hz, 信號時長= 0.05 s, 每段信號持續(xù)時間為0.01 s, 采樣率Fs= 24 000 Hz。

1) 在跳頻信號中加入帶內(nèi)單一頻率, 且與信號時間一樣長的同相干擾, 干擾信號幅度1 V, 干擾頻率1 kHz, 歸一化相關(guān)檢測結(jié)果如圖11所示。

圖11 跳頻引信抗單頻干擾的檢測結(jié)果

由圖11可知, 目標信號值為1, 最大干擾值為0.294 1, 則信號分辨力為1/0.294 1= 3.40。

2) 在跳頻信號中加入帶內(nèi)和帶外多個頻率, 且與信號時間一樣長的同相干擾, 干擾信號幅度均為1 V, 干擾頻率分別為800 Hz, 900 Hz, 1 000 Hz, 1 100Hz, 1 200Hz,歸一化相關(guān)檢測結(jié)果見圖12。

圖12 跳頻引信抗多頻干擾的檢測結(jié)果

由圖12可知, 目標信號值為1, 最大干擾值為0.388 8, 則信號分辨力為1/0.388 8= 2.57。

4.3 仿真結(jié)果及分析

通過上述仿真研究, 可得出跳頻信號與單頻信號的抗干擾性能仿真對比結(jié)果, 參見表1。

表1 抗干擾性能仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果及表1可得以下結(jié)論:

1) 有帶內(nèi)線譜干擾的條件下, 單頻信號的檢測分辨力較低, 不超過2.0;

2) 隨著帶內(nèi)線譜的增多, 單頻信號和跳頻信號的檢測分辨力都減弱;

3) 在相同的干擾下, 跳頻信號的檢測分辨力高于單頻信號;

4) 跳頻信號相對單頻信號, 抗干擾能力有提高, 并且具備一定的對抗能力。

5 結(jié)束語

跳頻技術(shù)擴展了信號頻率, 增大了系統(tǒng)帶寬。從頻域上看, 跳頻引信擁有多個不同頻率的信道, 這些信道傳輸?shù)男盘柺峭荒繕朔瓷涞男盘? 因而具有很大的相關(guān)性, 但由于頻率的差異, 又不完全相同[7]。從信息抗干擾準則的角度而言, 利用多頻點目標回波信號和有源干擾信號不同的相關(guān)特性可以識別目標、抑制干擾, 從而提高系統(tǒng)的抗干擾性能[8]。

采用跳頻技術(shù)后的魚雷主動電磁引信, 只有當干擾頻率正好處于當前的頻點時才能起到干擾作用。跳頻頻帶越寬, 跳頻頻率數(shù)目越多, 抗干擾能力越強[9]。寬頻帶跳頻信號使目標回波攜帶更多的目標信息量, 有利于目標檢測、目標特征提取和對抗能力的提高, 使引信引爆控制精度的提高成為可能。跳頻引信的不足之處在于頻帶較寬時, 發(fā)射回路的匹配問題難以解決, 故針對發(fā)射均衡技術(shù)的研究有待進一步展開。

[1] 張健, 劉文娟, 董立. 數(shù)字化跳頻引信設(shè)計[J]. 沈陽理工大學學報, 2010, 29(3): 1-4.Zhang Jian, Liu Wen-juan, Dong Li. Digitalization Frequency Hopping Fuse[J]. Journal of Shenyang Ligong University, 2010, 29(3): 1-4.

[2] Beaujean P J, Mohamed A I, Warin R. Acoustic Positioning Using a Tetrahedral Ultrashort Baseline Array of an Acou- stic Modem Source Transmitting Frequency-hopped Sequen- ces[J]. Acoustical Society of America, 2007, 121(1): 144-157.

[3] 黃維龍. 基于自適應跳頻的水聲通信系統(tǒng)設(shè)計[D]. 廣州: 華南理工大學, 2012.

[4] 白志科, 施曉海, 肖素娟. 魚雷電磁引信信號處理軟硬件技術(shù)研究[J]. 探測與控制學報, 2009, 12(31): 8-10.Bai Zhi-ke, Shi Xiao-hai, Xiao Su-juan. Research on the Technology of Hardware and Software of Torpedo Elec- tromagnetic Fuze Signal Processing[J]. Journal of Detection & Control, 2009, 12(31): 8-10.

[5] Belmontea G G, Bisquert J. Entropy Factor in the Hopping Frequency for Ionic Conduction in Oxide Glasses Induced by Energetic Clustering[J]. The Journal of Chemical Physics, 2005, 123(7): 74-78.

[6] 姚山峰, 嚴航, 曾安軍. 線性調(diào)頻信號的相關(guān)檢測性能分析[J]. 計算機工程, 2012, 38(1): 77-80.

Yao Shan-feng, Yan Hang, Zeng An-jun. Correlation Detection Performance Analysis for Linear Frequency Modulation Signal[J]. Computer Engineering, 2012, 38(1): 77-80.

[7] 陳博, 郭東敏, 周濤. 頻率捷變引信多頻點信息分路-融合信號處理方法[J]. 探測與控制學報, 2008, 30(3): 59-63.Chen Bo, Guo Dong-min, Zhou Tao. The Method of Signal Processing for Frequency Agile Fuze Based on Separate Direction-fusion of Many Frequencies Information[J]. Journal of Detection & Control, 2008, 30(3): 59-63.

[8] Cupido L, Sánchez J, Estrada T. Frequency Hopping Millimeter Wave Reflectometer[J]. Review of Scientific Instruments, 2004, 75(10): 3865-3867.

[9] Freitag L, Stojanovic M, Singh S, et al. Analysis of Channel Effects on Direct-Sequence and Frequency-Hopped Spread- Spectrum Acoustic Communication[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2001, 26(4): 586-593.

(責任編輯: 楊力軍)

Electromagnetic Fuze Technology for Torpedo Based on Frequency Hopping Detecting System

YAN Zheng-tong,XIAO Su-juan, CUI Hu-shan, SHI Xiao-hai,FAN Shu-hong,CHEN Ya-lin

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710075, China)

To improve the anti-jamming performance of torpedo active electromagnetic fuze, the frequency hopping technology is applied to the design of torpedo active electromagnetic fuze. Accordingly, a frequency hopping fuze system based on the high-speed digital signal processing and direct digital frequency synthesizer(DDFS) is proposed. The principle of the fuze system is elaborated with focus on the generation of the frequency hopping signal and the processing of the echo signal. And the anti-jamming performance of frequency hopping fuze is analyzed in theory and simulation. Simulation results show that the broadband frequency hopping working system can improve the anti-jamming performance of torpedo active electromagnetic fuze.

torpedo; frequency hopping technology; active electromagnetic fuze; anti-jamming

TJ631.2; TN973.4

A

1673-1948(2014)06-0425-05

2014-08-13;

2014-09-09.

嚴爭通(1989-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為魚雷非觸發(fā)引信技術(shù).